JP4599954B2 - Switching regulator and drive control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、半導体スイッチのスイッチング動作により直流電圧の変換を行うスイッチングレギュレータ、およびスイッチングレギュレータの駆動制御方法に関し、とくにスイッチング動作する半導体スイッチのドレイン電流を線形に制御可能なスイッチングレギュレータに関する。   The present invention relates to a switching regulator that converts a DC voltage by a switching operation of a semiconductor switch, and a drive control method for the switching regulator, and more particularly to a switching regulator that can linearly control the drain current of a semiconductor switch that performs a switching operation.

図5は、従来のスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。
このスイッチングレギュレータは、Pチャネル型の半導体スイッチQ11、Nチャネル型の半導体スイッチQ12、出力インダクタL、出力コンデンサCから構成された降圧型スイッチング電源装置である。このスイッチングレギュレータには、フィードバックされた出力電圧レベルに応じて所定の制御信号を生成するドライバ1、比較器2、および発振器3が接続されている。このスイッチングレギュレータの半導体スイッチQ11,Q12の接続点(ノードN)は、出力インダクタLと出力コンデンサCとの直列回路を介して接地されている。半導体スイッチQ11,Q12は、ドライバ1からのゲート制御信号によってオン・オフが交互に切り換えられ、電源端子4からの入力電源電圧Vddが所望の直流電圧に変換され、出力コンデンサCと出力インダクタLの接続点から出力端子5に、所定の大きさの出力電圧Voutとして出力される。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a conventional switching regulator.
This switching regulator is a step-down switching power supply device including a P-channel type semiconductor switch Q11, an N-channel type semiconductor switch Q12, an output inductor L, and an output capacitor C. The switching regulator is connected to a driver 1, a comparator 2, and an oscillator 3 that generate a predetermined control signal in accordance with the fed back output voltage level. The connection point (node N) of the semiconductor switches Q11 and Q12 of this switching regulator is grounded via a series circuit of an output inductor L and an output capacitor C. The semiconductor switches Q11 and Q12 are alternately turned on and off by the gate control signal from the driver 1, the input power supply voltage Vdd from the power supply terminal 4 is converted into a desired DC voltage, and the output capacitor C and the output inductor L An output voltage Vout having a predetermined magnitude is output from the connection point to the output terminal 5.

このとき、半導体スイッチQ11はソース端子がスイッチングレギュレータの電源端子4と接続され、ゲート制御信号によりスイッチング動作するが、この半導体スイッチQ11の入力電源電圧Vddが印加されている電源端子4との間には、無視できない大きさで寄生インダクタ成分が存在する。そのため、半導体スイッチQ11のスイッチング時にはドレイン電流に急激な電流変化がひき起こされ、スイッチングレギュレータの電源端子4および出力端子5には、高周波の電源電圧変動が生じる。   At this time, the source terminal of the semiconductor switch Q11 is connected to the power supply terminal 4 of the switching regulator and the switching operation is performed by the gate control signal. However, the semiconductor switch Q11 is connected to the power supply terminal 4 to which the input power supply voltage Vdd of the semiconductor switch Q11 is applied. Has a parasitic inductor component with a non-negligible size. Therefore, when the semiconductor switch Q11 is switched, a rapid current change is caused in the drain current, and a high-frequency power supply voltage fluctuation occurs in the power supply terminal 4 and the output terminal 5 of the switching regulator.

従来のスイッチングレギュレータにおいて、このような電流、電圧変動を抑えるため、並列に複数の半導体スイッチを配置して、相互にオン・オフ時間をずらしてドレイン電流を線形に増減させる手法(例えば、特許文献1参照)、あるいはRC遅延等を用いることによってドライバからの駆動信号の変化を遅くさせて、電流変化を小さくして高周波の電源電圧変動を抑制する方法(例えば、特許文献2参照)などが提案されてきている。
特開2002−64972号公報([0038]〜[0078]、図7〜図10) 特開2003−134803号公報([0012]〜[0017]、図2)
In conventional switching regulators, in order to suppress such current and voltage fluctuations, a plurality of semiconductor switches are arranged in parallel, and the drain current is linearly increased / decreased by shifting on / off times from each other (for example, Patent Documents) 1) or a method of slowing the change in the drive signal from the driver by using an RC delay or the like to reduce the current change and suppressing the high-frequency power supply voltage fluctuation (for example, see Patent Document 2). Has been.
JP 2002-64972 A ([0038] to [0078], FIGS. 7 to 10) JP 2003-134803 A ([0012] to [0017], FIG. 2)

上述した従来のスイッチングレギュレータには、以下の問題点があった。
特許文献1のスイッチング電源回路では、複数の半導体スイッチを駆動するゲート制御信号がデジタル信号であるため、そこには高周波成分が含まれる。したがって、個々の半導体スイッチに小さいサイズのトランジスタを用いたとしても通過電流の変化が一定でなくなり、高い周波数成分が含まれることになって、入出力電圧変動を充分に抑えることができない。
The conventional switching regulator described above has the following problems.
In the switching power supply circuit of Patent Document 1, since the gate control signal for driving a plurality of semiconductor switches is a digital signal, it contains a high frequency component. Therefore, even if a small size transistor is used for each semiconductor switch, the change in the passing current is not constant, and a high frequency component is included, so that the input / output voltage fluctuation cannot be sufficiently suppressed.

このような問題に対処するため、並列接続される半導体スイッチの個数を増加して、例えばm個の半導体スイッチを逐次にオン・オフ動作させている。ところが、オン(貫通)時の最初の時点、あるいはオフ(遮断)時の最後の時点では、出力ノードにおける電圧変動が大きいため、出力電流が変化する割合を(1/m)までは抑制できない。したがって、並列接続される半導体スイッチの個数mを増加させても、並列接続された半導体スイッチの個数に見合うだけの効果が発揮されない。   In order to cope with such a problem, the number of semiconductor switches connected in parallel is increased, and, for example, m semiconductor switches are sequentially turned on and off. However, since the voltage fluctuation at the output node is large at the first time when turned on (through) or at the last time when turned off (shut off), the rate of change of the output current cannot be suppressed to (1 / m). Therefore, even if the number m of semiconductor switches connected in parallel is increased, an effect corresponding to the number of semiconductor switches connected in parallel is not exhibited.

また、特許文献1のスイッチング電源回路では、ゲート制御信号の変化を遅くすることで各々の半導体スイッチの電圧変動を低減できる。しかし、そのようなゲート制御信号では、スイッチングレギュレータにおける電圧変換効率が低下するだけでなく、半導体スイッチの遷移時間が長くなることから、高周波領域でのスイッチング制御や高速応答が不可能となり、実際には有効な対策とはならない。   Moreover, in the switching power supply circuit of Patent Document 1, voltage fluctuations of each semiconductor switch can be reduced by slowing the change in the gate control signal. However, such a gate control signal not only lowers the voltage conversion efficiency in the switching regulator, but also increases the transition time of the semiconductor switch, making switching control and high-speed response in the high frequency range impossible. Is not an effective measure.

スイッチング電源回路では、各々の半導体スイッチを制御するとき、一般的には高周波成分が含まれていない一定の電圧変化を有するゲート制御信号が望ましい。ところが、そのようなゲート制御信号であっても、各々の半導体スイッチはそれ自体が閾値近辺での急激な電流変化特性を持つため、前述の一定の電圧変化に対応する一定の電流変化が得られず、結果として半導体スイッチの入出力点の双方で生じる電圧変動を回避することができなかった。   In a switching power supply circuit, when controlling each semiconductor switch, it is generally desirable to use a gate control signal having a constant voltage change that does not include a high-frequency component. However, even with such a gate control signal, each semiconductor switch itself has an abrupt current change characteristic in the vicinity of the threshold value, so that a constant current change corresponding to the above-described constant voltage change can be obtained. As a result, voltage fluctuations occurring at both the input and output points of the semiconductor switch could not be avoided.

また、特許文献2のスイッチングレギュレータでは、RCフィルタやLCフィルタを挿入することでゲート制御信号の高周波成分を除き、半導体スイッチを流れる電流の急激な変化を抑えるようにしている。ところが、半導体スイッチからの実際の出力電流は線形には変化しないため、出力電流の変化率が大きくなる瞬間をなくすことはできないという問題があった。   Further, in the switching regulator of Patent Document 2, an RC filter or LC filter is inserted to remove a high frequency component of the gate control signal and suppress a rapid change in the current flowing through the semiconductor switch. However, since the actual output current from the semiconductor switch does not change linearly, there is a problem that the moment when the rate of change of the output current increases cannot be eliminated.

さらに、半導体スイッチと定電流回路とを直列に接続した回路を多数個、並列に配置するように構成すれば、入出力電流変化を線形にすることができるが、それぞれの定電流回路における電力損失が大きくなって、スイッチング電源として成り立たないという問題もあった。   Furthermore, if it is configured to arrange a large number of circuits in which semiconductor switches and constant current circuits are connected in series, the input / output current change can be made linear, but the power loss in each constant current circuit There was also a problem that it was not realized as a switching power supply.

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、理想的な線形出力電流が得られるように、半導体スイッチのゲート電圧をコントロールしてノイズを低減するようにしたスイッチングレギュレータおよびその駆動制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and a switching regulator that controls the gate voltage of a semiconductor switch to reduce noise so as to obtain an ideal linear output current and its drive control. It aims to provide a method.

本発明では、上記問題を解決するために、半導体スイッチのスイッチング動作により直流電圧の変換を行うスイッチングレギュレータの駆動制御方法が提供される。このスイッチングレギュレータの駆動制御方法は、前記半導体スイッチのオンからオフへのスイッチング動作に際して、前記半導体スイッチのゲート電圧の変化率高速、低速、超低速、および高速の順に、オフからオンへのスイッチング動作時には前記ゲート電圧の変化率を高速、超低速、低速、および高速の順に、それぞれ段階的に異なる変化率で制御して、前記半導体スイッチのドレイン電流が線形に変化するように駆動制御することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a drive control method for a switching regulator that converts a DC voltage by a switching operation of a semiconductor switch. In this switching regulator drive control method, when switching operation of the semiconductor switch from on to off, the change rate of the gate voltage of the semiconductor switch is switched from off to on in the order of high speed, low speed, ultra low speed, and high speed. During operation, the gate voltage change rate is controlled at different rates in order of high-speed, ultra-low speed, low-speed, and high-speed, and drive control is performed so that the drain current of the semiconductor switch changes linearly. It is characterized by.

また、本発明のスイッチングレギュレータは、前記半導体スイッチのゲート端子と第1の電源との間に接続され、前記半導体スイッチをオフ状態に保持する第1のスイッチ手段と、前記ゲート端子と第2の電源との間に接続され、前記半導体スイッチをオン状態に保持する第2のスイッチ手段と、互いに異なる容量を有するキャパシタ、および前記キャパシタの電荷量を初期値にリセットするリセットスイッチから構成され、前記ゲート端子に逆電流防止用のダイオードを介して接続されて、前記ゲート端子へ注入される電荷量を制御する複数の電流注入回路と、互いに異なる容量を有するキャパシタ、および前記キャパシタの電荷量を初期値にリセットするリセットスイッチから構成され、前記ゲート端子に逆電流防止用のダイオードを介して接続されて、前記ゲート端子から放出される電荷量を制御する複数の電流放出回路と、前記第1、第2のスイッチ手段、および前記電流注入回路および前記電流放出回路へのタイミング信号を生成して、前記半導体スイッチにおけるスイッチング期間を設定するとともに、このスイッチング期間を前記電流注入回路からの電荷注入がそれぞれ異なる速度となる複数の電荷注入期間に区分し、あるいは前記電流放出回路からの電荷放出がそれぞれ異なる速度となる複数の電荷放出期間に区分するタイミング設定手段と、を備え、前記半導体スイッチは、前記電流注入回路での前記ゲート端子への電荷注入の速度、および前記電流放出回路での前記ゲート端子からの電荷放出の速度によってそれぞれ切換可能にスイッチング制御されることを特徴とする。
The switching regulator of the present invention is connected between a gate terminal of the semiconductor switch and a first power source, and has a first switch means for holding the semiconductor switch in an off state, the gate terminal and a second power source. A second switch means connected between the power source and holding the semiconductor switch in an ON state ; a capacitor having a different capacitance; and a reset switch for resetting the charge amount of the capacitor to an initial value; A plurality of current injection circuits connected to the gate terminal via a reverse current prevention diode to control the amount of charge injected into the gate terminal, capacitors having different capacities, and the charge amount of the capacitor are initially set It consists of a reset switch that resets to a value, and a reverse current prevention diode is connected to the gate terminal. Connected Te, generating a plurality of current discharge circuit for controlling the amount of charge discharged from the gate terminal, a timing signal to the first, second switching means, and said current injection circuit and the current discharge circuit The switching period in the semiconductor switch is set, and the switching period is divided into a plurality of charge injection periods in which charge injection from the current injection circuit has different speeds, or charge discharge from the current emission circuit And a timing setting means for dividing the plurality of charge discharge periods into different charge discharge periods , wherein the semiconductor switch has a charge injection speed to the gate terminal in the current injection circuit and a current discharge circuit in the current discharge circuit. to be switchable switched respectively controlled by the speed of the charge released from the gate terminal And butterflies.

本発明によれば、出力段の半導体スイッチをMOSトランジスタで構成することによって、そのゲート電圧の変化を精密にコントロールすることができる利点がある。
また、半導体スイッチのゲート電圧変化を精密にコントロールすることによって、半導体スイッチに流れる電流変化(di/dt)を常に一定範囲に抑えることができ、寄生インダクタンス(L)に起因するスイッチング時での入出力電圧の変動を、L×(di/dt)の大きさ以下にできる。
According to the present invention, there is an advantage that the change in the gate voltage can be precisely controlled by configuring the semiconductor switch in the output stage with a MOS transistor.
In addition, by precisely controlling the gate voltage change of the semiconductor switch, the current change (di / dt) flowing through the semiconductor switch can always be kept within a certain range, and the input at the time of switching due to the parasitic inductance (L) can be suppressed. The fluctuation of the output voltage can be made less than or equal to L × (di / dt).

さらに、MOSトランジスタによって構成した出力段の半導体スイッチは容量性負荷となるため、そのゲート端子への電流注入と電流放出を制御することによって、半導体スイッチの駆動に必要な消費電力を最小にできる。   Furthermore, since the semiconductor switch at the output stage constituted by the MOS transistor becomes a capacitive load, the power consumption required for driving the semiconductor switch can be minimized by controlling the current injection and the current discharge to the gate terminal.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。
同図において、半導体スイッチQ3は図5の半導体スイッチQ11に対応するPチャネル型のMOSFETであって、そのドレイン端子がダイオードD1を介して接地され、そこに出力インダクタL、出力コンデンサCが接続されて、非同期式であって降圧型のスイッチング電源回路が構成される。すなわち、この半導体スイッチQ3とダイオードD1の接続点(ノードN)には、出力インダクタLの一端が接続され、出力インダクタLの他端は出力コンデンサCを介して接地され、かつ出力端子5にも接続されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a switching regulator according to an embodiment of the present invention.
In the figure, a semiconductor switch Q3 is a P-channel type MOSFET corresponding to the semiconductor switch Q11 of FIG. 5, and its drain terminal is grounded via a diode D1, to which an output inductor L and an output capacitor C are connected. Thus, an asynchronous and step-down switching power supply circuit is configured. That is, one end of the output inductor L is connected to the connection point (node N) of the semiconductor switch Q3 and the diode D1, the other end of the output inductor L is grounded via the output capacitor C, and also to the output terminal 5. It is connected.

したがって、半導体スイッチQ3が所定の期間だけオンすると、入力電源電圧Vddが印加されている電源端子4からは、半導体スイッチQ3と出力インダクタLを介して出力コンデンサCに直流電流が流れ込んで、そこに所定の出力電圧Voutが生成され、その後に半導体スイッチQ3がオフしたときも、この出力電圧Voutが出力端子5において保持される。   Therefore, when the semiconductor switch Q3 is turned on for a predetermined period, a direct current flows into the output capacitor C from the power supply terminal 4 to which the input power supply voltage Vdd is applied via the semiconductor switch Q3 and the output inductor L. Even when the predetermined output voltage Vout is generated and the semiconductor switch Q3 is subsequently turned off, the output voltage Vout is held at the output terminal 5.

トランジスタQ1は、半導体スイッチQ3と同様のPチャネル型のMOSFETであって、入力電源電圧Vddが印加されている電源端子4とソース端子とが接続されている。このトランジスタQ1は、半導体スイッチQ3をオフ状態に保持する第1のスイッチ手段として機能するものであって、そのドレイン端子と半導体スイッチQ3のゲート端子とが接続されている。また、トランジスタQ2はNチャネル型のMOSFETであって、半導体スイッチQ3のゲート端子と接地間を接続するように設けられていて、半導体スイッチQ3をオン状態に保持する第2のスイッチ手段として機能する。   The transistor Q1 is a P-channel type MOSFET similar to the semiconductor switch Q3, and the power supply terminal 4 to which the input power supply voltage Vdd is applied and the source terminal are connected. The transistor Q1 functions as first switch means for holding the semiconductor switch Q3 in an off state, and its drain terminal is connected to the gate terminal of the semiconductor switch Q3. The transistor Q2 is an N-channel MOSFET, and is provided so as to connect the gate terminal of the semiconductor switch Q3 and the ground, and functions as second switch means for holding the semiconductor switch Q3 in the on state. .

図1に示すスイッチングレギュレータは、さらに充電制御回路6、放電制御回路7、タイミングパルス生成回路8,9を備えており、これらの回路6〜8が図5のドライバ1に相当するドライブ回路として、半導体スイッチQ3のゲート端子に対して階段状の電圧信号波形を発生させるように構成されている。このうち充電制御回路6と放電制御回路7は、それぞれ3個の電流注入回路61〜63と3個の電流放出回路71〜73によって構成されており、いずれも半導体スイッチQ3のゲート端子に接続され、そのゲート電位を決定するものとなっている。   The switching regulator shown in FIG. 1 further includes a charge control circuit 6, a discharge control circuit 7, and timing pulse generation circuits 8 and 9, and these circuits 6 to 8 are drive circuits corresponding to the driver 1 of FIG. A stepped voltage signal waveform is generated for the gate terminal of the semiconductor switch Q3. Among these, the charge control circuit 6 and the discharge control circuit 7 are respectively composed of three current injection circuits 61 to 63 and three current discharge circuits 71 to 73, all connected to the gate terminal of the semiconductor switch Q3. The gate potential is determined.

2個のタイミングパルス生成回路8,9によって構成されたタイミング設定回路10のうち、タイミングパルス生成回路8からは、それぞれトランジスタQ1および充電制御回路6へタイミングパルスを供給し、タイミングパルス生成回路9からは、それぞれトランジスタQ2および放電制御回路7へタイミングパルスを供給する。このタイミング設定回路10では、タイミングパルス生成回路8によってトランジスタQ1のオン・オフ期間を制御するとともに、3個の電流注入回路61〜63からの出力信号を制御して、半導体スイッチQ3のスイッチング時のうちターンオフ期間において、電荷注入がそれぞれ異なる速度となる複数の電荷注入期間に区分された制御シーケンスを実行している。また、タイミング設定回路10のもう1つのタイミングパルス生成回路9では、トランジスタQ2のオン・オフ期間を制御するとともに、3個の電流放出回路71〜73からの出力信号を制御して、半導体スイッチQ3のスイッチング時のうちターンオン期間において、電荷放出速度がそれぞれ異なる大きさとなる複数の電荷放出期間に区分された制御シーケンスを実行している。   Of the timing setting circuit 10 constituted by the two timing pulse generation circuits 8 and 9, the timing pulse generation circuit 8 supplies timing pulses to the transistor Q1 and the charge control circuit 6, respectively. Supplies timing pulses to the transistor Q2 and the discharge control circuit 7, respectively. In the timing setting circuit 10, the timing pulse generation circuit 8 controls the on / off period of the transistor Q1, and the output signals from the three current injection circuits 61 to 63 are controlled so that the semiconductor switch Q3 is switched. In the turn-off period, a control sequence divided into a plurality of charge injection periods in which charge injection is performed at different speeds is executed. The other timing pulse generation circuit 9 of the timing setting circuit 10 controls the on / off period of the transistor Q2 and also controls the output signals from the three current emission circuits 71 to 73 to control the semiconductor switch Q3. During the turn-on period, the control sequence divided into a plurality of charge discharge periods with different charge discharge speeds is executed.

図2(A)は、電流注入回路の具体的構成を示す回路図である。ここでは、充電制御回路6を構成する電流注入回路61について説明するが、他の電流注入回路62,63も図2(A)に示すものと同様に構成されている。   FIG. 2A is a circuit diagram showing a specific configuration of the current injection circuit. Here, although the current injection circuit 61 constituting the charge control circuit 6 will be described, the other current injection circuits 62 and 63 are also configured in the same manner as that shown in FIG.

電流注入回路61は、直列接続されたバッファ回路DvAとコンデンサCA、およびリセットスイッチとなるNチャネル型のトランジスタQAから構成されている。この電流注入回路61ではトランジスタQAは通常オフしていて、タイミングパルス生成回路8からバッファ回路DvAを介してコンデンサCAに入力されるパルス信号SAによって、コンデンサCAに蓄積された電荷量に応じてノード電圧VAが決定され、順方向接続されたダイオードDAを介して半導体スイッチQ3のゲート端子に対して電圧信号VgAが出力される。また、トランジスタQAのゲート端子には、タイミングパルス生成回路8からワンショットのパルス信号SDが入力されており、このトランジスタQAがパルス信号SDによってオンすると、コンデンサCAに蓄積された電荷は放電されて、ノード電圧VAが接地電位にリセットされる。   The current injection circuit 61 includes a buffer circuit DvA connected in series, a capacitor CA, and an N-channel type transistor QA serving as a reset switch. In this current injection circuit 61, the transistor QA is normally turned off, and a node corresponding to the amount of electric charge accumulated in the capacitor CA by the pulse signal SA input from the timing pulse generation circuit 8 to the capacitor CA via the buffer circuit DvA. The voltage VA is determined, and the voltage signal VgA is output to the gate terminal of the semiconductor switch Q3 via the diode DA connected in the forward direction. A one-shot pulse signal SD is input from the timing pulse generation circuit 8 to the gate terminal of the transistor QA. When the transistor QA is turned on by the pulse signal SD, the charge accumulated in the capacitor CA is discharged. The node voltage VA is reset to the ground potential.

すなわち、充電制御回路6の電流注入回路61では、これらのパルス信号SA,SDによってコンデンサCAとダイオードDAとの接続点でのノード電圧VAの大きさが決定されるとともに、このノード電圧VAの大きさに応じた電圧信号VgAを出力するタイミングが決定される。そして、半導体スイッチQ3におけるターンオフ期間には、充電制御回路6の他の電流注入回路62,63から同様のコンデンサCB,CCに蓄積された電荷量に応じた電圧信号VgB、およびVgCが、それぞれ設定されたタイミングで半導体スイッチQ3のゲート端子に出力される。したがって、充電制御回路6を構成する電流注入回路61〜63により、それぞれの電荷注入量に応じて半導体スイッチQ3のゲート電圧を段階的に異なる変化率で制御できる。しかも、これらの電流注入回路61〜63では、コンデンサCAと順方向接続されたダイオードDAを用いることによって電荷注入(電子引き抜き)量を正確に規定できる利点がある。   That is, in the current injection circuit 61 of the charge control circuit 6, the magnitude of the node voltage VA at the connection point between the capacitor CA and the diode DA is determined by these pulse signals SA and SD, and the magnitude of the node voltage VA. The timing for outputting the voltage signal VgA according to this is determined. During the turn-off period in the semiconductor switch Q3, the voltage signals VgB and VgC corresponding to the amounts of charge accumulated in the similar capacitors CB and CC from the other current injection circuits 62 and 63 of the charge control circuit 6 are set, respectively. Is output to the gate terminal of the semiconductor switch Q3. Therefore, the current injection circuits 61 to 63 constituting the charge control circuit 6 can control the gate voltage of the semiconductor switch Q3 at different change rates stepwise according to the respective charge injection amounts. In addition, these current injection circuits 61 to 63 have an advantage that the amount of charge injection (electron extraction) can be accurately defined by using the diode DA connected in the forward direction with the capacitor CA.

図2(B)は、電流放出回路の具体的構成を示す回路図である。ここでは、放電制御回路7を構成する電流放出回路71について説明するが、他の電流放出回路72,73も図2(B)のものと同様に構成されている。   FIG. 2B is a circuit diagram showing a specific configuration of the current emission circuit. Here, although the current emission circuit 71 constituting the discharge control circuit 7 will be described, the other current emission circuits 72 and 73 are also configured in the same manner as in FIG.

電流放出回路71は、直列接続されたバッファ回路DvFとコンデンサCF、およびリセットスイッチとなるPチャネル型のトランジスタQFから構成されている。この電流放出回路71ではトランジスタQFは通常オフしていて、コンデンサCFのノード電圧VFは入力電源電圧Vddに保持されているが、タイミングパルス生成回路9からバッファ回路DvFを介してコンデンサCFに入力されるパルス信号SFによって、コンデンサCFの蓄積電荷が放電され、逆方向接続されたダイオードDFを介して半導体スイッチQ3のゲート端子に対して電圧信号VgFが出力される。また、トランジスタQFのゲート端子には、タイミングパルス生成回路9からワンショットのパルス信号SIが入力されており、このトランジスタQFがパルス信号SIによってオンすると、コンデンサCFに電荷量が充電されて、ノード電圧VFが入力電源電圧Vddにリセットされる。   The current discharge circuit 71 includes a buffer circuit DvF connected in series, a capacitor CF, and a P-channel type transistor QF serving as a reset switch. In this current emission circuit 71, the transistor QF is normally off and the node voltage VF of the capacitor CF is held at the input power supply voltage Vdd, but is input from the timing pulse generation circuit 9 to the capacitor CF via the buffer circuit DvF. The accumulated signal in the capacitor CF is discharged by the pulse signal SF, and the voltage signal VgF is output to the gate terminal of the semiconductor switch Q3 via the diode DF connected in the reverse direction. The one-shot pulse signal SI is input from the timing pulse generation circuit 9 to the gate terminal of the transistor QF. When the transistor QF is turned on by the pulse signal SI, the capacitor CF is charged with a charge amount, and the node The voltage VF is reset to the input power supply voltage Vdd.

すなわち、放電制御回路7の電流放出回路71では、これらのパルス信号SF,SIによってコンデンサCFとダイオードDFとの接続点でのノード電圧VFの大きさが決定されるとともに、このノード電圧VFの大きさに応じた電圧信号VgFを出力するタイミングが決定される。そして、半導体スイッチQ3におけるターンオン期間には、放電制御回路7の他の電流放出回路72,73から同様のコンデンサCG,CHに蓄積された電荷量に応じた電圧信号VgG、およびVgHが、それぞれ設定されたタイミングで半導体スイッチQ3のゲート端子に出力される。したがって、放電制御回路7を構成する電流放出回路71〜73により、それぞれの電荷放出速度に応じて半導体スイッチQ3のゲート電圧を段階的に異なる変化率で制御できる。しかも、これらの電流放出回路71〜73では、コンデンサCFと逆方向接続されたダイオードDFを用いることによって電荷放出(電子注入)量を正確に規定できる利点がある。   That is, in the current emission circuit 71 of the discharge control circuit 7, the magnitude of the node voltage VF at the connection point between the capacitor CF and the diode DF is determined by these pulse signals SF and SI, and the magnitude of the node voltage VF is determined. The timing for outputting the voltage signal VgF is determined accordingly. Then, during the turn-on period in the semiconductor switch Q3, voltage signals VgG and VgH corresponding to the charge amounts accumulated in the similar capacitors CG and CH from the other current discharge circuits 72 and 73 of the discharge control circuit 7 are set, respectively. Is output to the gate terminal of the semiconductor switch Q3. Therefore, the current emission circuits 71 to 73 constituting the discharge control circuit 7 can control the gate voltage of the semiconductor switch Q3 at different rates of change in stages according to the respective charge emission rates. Moreover, these current emission circuits 71 to 73 have an advantage that the amount of charge emission (electron injection) can be accurately defined by using the diode DF connected in the reverse direction to the capacitor CF.

つぎに、上述したスイッチングレギュレータにおけるゲート電圧の具体的な制御シーケンスについて説明する。
いま、半導体スイッチQ3が例えばPチャネル型のMOSFETであって、そのゲート端子を階段状電圧によって制御する場合について考える。オン状態の半導体スイッチQ3に所定の制御シーケンスで電荷を注入することで、そのゲート電圧を段階的に異なる変化率で制御しながらオフさせることができる。
Next, a specific control sequence of the gate voltage in the switching regulator described above will be described.
Consider a case where the semiconductor switch Q3 is a P-channel MOSFET, for example, and its gate terminal is controlled by a stepped voltage. By injecting charges into the semiconductor switch Q3 in the on state in a predetermined control sequence, the gate voltage can be turned off while being controlled stepwise with different rates of change.

最初に、半導体スイッチQ3の飽和電流が出力電流に等しくなるまで、そのゲート電圧を一気に上昇させる(第1の期間)。つぎに、半導体スイッチQ3のドレイン電圧が急変する期間で、ややゲート電位の変化を遅くし(第2の期間)、半導体スイッチQ3のドレイン電圧が接地電位レベルまで下がったあたりからは、ゲート電位を閾値電圧になるまで極力ゆっくりと上げていく(第3の期間)。最後に、ゲート電位が閾値を越えた後は再び高速でゲート電位を上げて(第4の期間)、半導体スイッチQ3がオフ状態になる。すなわち、半導体スイッチQ3のゲート電圧が、第1の期間には高速で変化し、第2の期間には低速で変化し、第3の期間には超低速で変化し、第4の期間には再び高速で変化するように、タイミング設定回路10において一連の変化率制御シーケンスが実行され、スイッチングレギュレータが駆動制御されている。   First, the gate voltage is increased at a stroke until the saturation current of the semiconductor switch Q3 becomes equal to the output current (first period). Next, in the period in which the drain voltage of the semiconductor switch Q3 suddenly changes, the change in the gate potential is slightly delayed (second period), and after the drain voltage of the semiconductor switch Q3 has dropped to the ground potential level, the gate potential is changed. Increase slowly as much as possible until the threshold voltage is reached (third period). Finally, after the gate potential exceeds the threshold value, the gate potential is raised again at high speed (fourth period), and the semiconductor switch Q3 is turned off. That is, the gate voltage of the semiconductor switch Q3 changes at a high speed during the first period, changes at a low speed during the second period, changes at a very low speed during the third period, and changes during the fourth period. In order to change again at high speed, a series of change rate control sequences are executed in the timing setting circuit 10 to drive and control the switching regulator.

つぎに、このような一連の変化率制御シーケンスによって、電荷注入期間を第1から第4の期間に区分して、それぞれのタイミングで所定の速さでゲート電圧を変化させる意図と目的について説明する。   Next, the intention and purpose of changing the gate voltage at a predetermined speed at each timing by dividing the charge injection period into first to fourth periods by such a series of change rate control sequences will be described. .

第1の期間では、半導体スイッチQ1が線形領域で動作している。半導体スイッチQ1を構成するトラシジスタサイズが大きくて充分な飽和電流があるために、ゲート電圧が上がっていっても出力インダクタLに引き抜かれる電流を出力できる。また、半導体スイッチQ1を構成するトランジスタのオン抵抗が小さく、ソース・ドレイン間の電圧差が小さいため、半導体スイッチQ1はそのドレイン・ノード電圧Vswがあまり変化しない状態にある。したがって、第1の期間では、ドレイン・ノード電圧Vswが少し変化するものの出力電流は減少していないので、厳密にはスイッチングをしていない期間といえる。この第1の期間を短く設定して、スイッチング遷移時間を一杯に使って出力電流を変化させるために、ゲート電圧を一気に上昇させている。   In the first period, the semiconductor switch Q1 operates in the linear region. Since the transistor constituting the semiconductor switch Q1 is large in size and has a sufficient saturation current, a current drawn to the output inductor L can be output even when the gate voltage is increased. In addition, since the on-resistance of the transistor constituting the semiconductor switch Q1 is small and the voltage difference between the source and drain is small, the drain-node voltage Vsw of the semiconductor switch Q1 does not change so much. Therefore, in the first period, although the drain-node voltage Vsw slightly changes, the output current does not decrease, so it can be said that the switching is not strictly performed. In order to change the output current by setting the first period short and using the switching transition time as much as possible, the gate voltage is increased at once.

第2の期間では、半導体スイッチQ1が飽和領域に入りだす。それに伴いソース・ドレイン間電圧が大きくなってくる。それゆえ、ドレイン・ノード電圧Vswが大きく変化するが、電流変化は大きくない。このことは、ドレイン・ノード電圧Vswの急変時よりやや遅れてリンギングが発生する実測結果からも証明される。したがって第2の期間では、ゲート電位を第1の期間よりもゆっくりと上昇させればよい。   In the second period, the semiconductor switch Q1 enters the saturation region. As a result, the source-drain voltage increases. Therefore, the drain-node voltage Vsw changes greatly, but the current change is not large. This is proved also from an actual measurement result in which ringing occurs slightly after the sudden change of the drain node voltage Vsw. Therefore, in the second period, the gate potential may be increased more slowly than in the first period.

第3の期間では、半導体スイッチQ1は完全に飽和領域に入る。半導体スイッチQ1のゲート電圧が閾値VTに近づき、またNチャネル型の寄生ダイオードがオンする期間である。この第3の期間を最も長くとって、ゲート電位をゆっくりと変化させることにより、電流変化率を抑えることができる。 In the third period, the semiconductor switch Q1 completely enters the saturation region. This is a period in which the gate voltage of the semiconductor switch Q1 approaches the threshold value V T and the N-channel parasitic diode is turned on. By taking the third period the longest and slowly changing the gate potential, the current change rate can be suppressed.

ドレイン電流IDが飽和領域において、たとえば
ID=K(VGS−VT2
のような単純な二次曲線であれば、ドレイン電流IDの電流変化率dID/dtを一定にするために必要なゲート電圧VGSは、
GS=VT+{(A−B・t)/K}1/2…(1)
となる。ここで、VGSはゲートソース間電圧、tは時間、K,A,Bは定数である。
In the saturation region of the drain current ID, for example, ID = K (V GS −V T ) 2
In the case of a simple quadratic curve, the gate voltage V GS necessary for making the current change rate dID / dt of the drain current ID constant is:
V GS = V T + {(A−B · t) / K} 1/2 (1)
It becomes. Here, V GS is a gate-source voltage, t is time, and K, A, and B are constants.

したがって、半導体スイッチQ3のゲート電圧変化は最初に速く、徐々に遅くなる。従来のゲート電圧を一定の変化率で制御するものと異なって、上述したゲート電圧の制御シーケンスによって、電流変化率を常に一定に抑えることが可能になる。   Therefore, the gate voltage change of the semiconductor switch Q3 is first fast and gradually slows down. Unlike the conventional gate voltage controlled at a constant rate of change, the above-described gate voltage control sequence makes it possible to keep the current rate of change constant.

第4の期間では、ゲート電位がほぼ閾値辺りであり、半導体スイッチQ1がほとんどオフしているために電流変化が小さくなっている。そのため、第4の期間は短くてよく、ゲート電圧を入力電源電圧Vddまで急激に変化させることができる。   In the fourth period, the gate potential is approximately around the threshold value, and the current change is small because the semiconductor switch Q1 is almost off. Therefore, the fourth period may be short, and the gate voltage can be rapidly changed to the input power supply voltage Vdd.

つぎに、オフ状態の半導体スイッチQ3から所定の制御シーケンスで電荷を放出することで、そのゲート電圧を段階的に異なる変化率で制御しながらオンさせる電荷放出期間について説明する。電荷放出期間の制御シーケンスでは、上述した変化率制御シーケンスを逆転させて半導体スイッチQ3のゲート電位を変化させればよい。   Next, a description will be given of a charge discharge period in which charges are discharged from the semiconductor switch Q3 in the off state in a predetermined control sequence so that the gate voltage is turned on while being controlled at different rates of change in stages. In the control sequence of the charge discharge period, the gate potential of the semiconductor switch Q3 may be changed by reversing the above-described change rate control sequence.

すなわち、最初にゲート電圧が閾値まで高速で下げて、半導体スイッチQ3をオン状態にする。つぎに、半導体スイッチQ3の飽和電流が出力電流に等しくなるまでは、極力ゆっくりとゲート電位を下げていって、飽和電流が出力電流に等しくなった辺りでゲート電位変化をやや速くし、その後、ドレイン電圧が充分に高くなった後はゲート電圧を一気に下げて、フルオン状態とする。   That is, first, the gate voltage is rapidly lowered to the threshold value, and the semiconductor switch Q3 is turned on. Next, until the saturation current of the semiconductor switch Q3 becomes equal to the output current, the gate potential is lowered slowly as much as possible to make the gate potential change slightly faster around the point where the saturation current becomes equal to the output current. After the drain voltage becomes sufficiently high, the gate voltage is lowered all at once to achieve a full-on state.

このように、ゲート電圧を段階的に異なる変化率で制御するには、半導体スイッチQ3のゲート端子に対する充電速度を高速→低速→超低速→高速という4段階で、放電速度を高速→超低速→低速→高速という4段階で変化させる必要がある。しかも、スイッチング周波数がMHzのオーダーであるような場合には、50ns程度の間に一連の変化率制御シーケンスを完了させなくてはならない。   As described above, in order to control the gate voltage at different rates of change in stages, the charging speed for the gate terminal of the semiconductor switch Q3 is changed from high speed → low speed → ultra low speed → high speed and the discharge speed is high speed → ultra low speed → It is necessary to change in four stages, low speed → high speed. In addition, when the switching frequency is on the order of MHz, a series of change rate control sequences must be completed in about 50 ns.

そこで、つぎに本発明のスイッチングレギュレータの駆動制御方法を実現するためのタイミングパルス生成回路8,9と、そこで生成される信号波形について説明する。図3(A),(B)は、タイミング設定回路を構成するタイミングパルス生成回路の具体的構成を示す回路図である。また、図4はクロック信号Φ1,Φ2、半導体スイッチQ3のゲート電位VE、パルス幅変調信号PWM、およびタイミング設定回路10から出力されるタイミングパルスSA〜SJを示す信号波形図である。   Then, the timing pulse generation circuits 8 and 9 for realizing the switching regulator drive control method of the present invention and the signal waveforms generated therein will be described below. FIGS. 3A and 3B are circuit diagrams showing a specific configuration of the timing pulse generation circuit constituting the timing setting circuit. FIG. 4 is a signal waveform diagram showing the clock signals Φ1 and Φ2, the gate potential VE of the semiconductor switch Q3, the pulse width modulation signal PWM, and the timing pulses SA to SJ output from the timing setting circuit 10.

図3(A)に示すタイミングパルス生成回路8は、ワンショット回路81と遅延回路82と4つのアンドゲートG1〜G4とインバータIv1とから構成されている。
ワンショット回路81は、インバータタイプのバッファDv5とコンデンサC5とアンドゲートG5によって構成されており、図5に示す発振器3に相当する発振器31からクロック信号Φ1が入力されている。このクロック信号Φ1は図4(a)に示す周期のタイミング信号であって、アンドゲートG5の一方入力端子に供給されるとともに、アンドゲートG5の他方入力端子には、バッファDv5およびコンデンサC5により所定時間Tだけ遅延され、コンデンサC5によって保持されたタイミング信号が供給されている。したがって、ワンショット回路81からは、図4(h)に示すようにワンショットの高レベル(Hレベル)期間Tをもつパルス信号SDが出力される。
The timing pulse generation circuit 8 shown in FIG. 3A includes a one-shot circuit 81, a delay circuit 82, four AND gates G1 to G4, and an inverter Iv1.
The one-shot circuit 81 includes an inverter type buffer Dv5, a capacitor C5, and an AND gate G5, and a clock signal Φ1 is input from an oscillator 31 corresponding to the oscillator 3 shown in FIG. The clock signal Φ1 is a timing signal having a cycle shown in FIG. 4A, and is supplied to one input terminal of the AND gate G5. The other input terminal of the AND gate G5 is predetermined by a buffer Dv5 and a capacitor C5. A timing signal delayed by time T and held by the capacitor C5 is supplied. Therefore, the one-shot circuit 81 outputs a pulse signal SD having a one-shot high level (H level) period T as shown in FIG.

遅延回路82は、縦続接続された4つのバッファDv1〜Dv4と、4つのコンデンサC1〜C4とによって構成されており、図5に示す比較器2に相当するパルス幅変調回路(以下、PWM回路という。)21からのパルス幅変調信号PWMがバッファDv1に入力されている。4つのバッファDv1〜Dv4の出力端子は、それぞれコンデンサC1〜C4を介して接地され、さらに各接続点がアンドゲートG1〜G4の一方入力端子に接続されている。各バッファDv1〜Dv4では、パルス幅変調信号PWMが順次にコンデンサC1〜C4で保持されながら、それぞれ遅延時間Ta,Tb,Tc,Teをもって転送されるように構成されている。   The delay circuit 82 includes four cascaded buffers Dv1 to Dv4 and four capacitors C1 to C4, and is a pulse width modulation circuit (hereinafter referred to as a PWM circuit) corresponding to the comparator 2 shown in FIG. .) The pulse width modulation signal PWM from 21 is input to the buffer Dv1. The output terminals of the four buffers Dv1 to Dv4 are grounded via capacitors C1 to C4, respectively, and each connection point is connected to one input terminal of the AND gates G1 to G4. Each of the buffers Dv1 to Dv4 is configured to transfer the pulse width modulation signal PWM with delay times Ta, Tb, Tc, and Te while being sequentially held by the capacitors C1 to C4.

アンドゲートG1〜G3の他方入力端子はそれぞれ発振器31に接続され、この発振器31からのクロック信号Φ1が入力され、アンドゲートG4の他方入力端子はPWM回路21に接続され、このPWM回路21からのパルス幅変調信号PWMが入力されている。また、アンドゲートG4の出力端子側にはインバータIv1が接続されている。図4(d)に示すタイミングでHレベルとなるパルス幅変調信号PWMに対して、アンドゲートG1〜G3からは同図(e)〜(g)に示すタイミングパルスSA〜SCが出力され、インバータIv1からは同図(i)に示すタイミングパルスSEが出力される。   The other input terminals of the AND gates G1 to G3 are respectively connected to the oscillator 31, the clock signal Φ1 from the oscillator 31 is input, and the other input terminal of the AND gate G4 is connected to the PWM circuit 21. A pulse width modulation signal PWM is input. An inverter Iv1 is connected to the output terminal side of the AND gate G4. Timing pulses SA to SC shown in FIGS. 4E to 4G are output from the AND gates G1 to G3 with respect to the pulse width modulation signal PWM which becomes H level at the timing shown in FIG. From Iv1, a timing pulse SE shown in FIG.

つぎに、電荷注入期間の制御シーケンスについて説明する。タイミングパルスSA〜SEによって充電制御回路6とトランジスタQ1を制御し、半導体スイッチQ3のゲート電圧を持ち上げて、オン状態からオフ状態へのスイッチング動作が実行される。   Next, a control sequence for the charge injection period will be described. The charge control circuit 6 and the transistor Q1 are controlled by the timing pulses SA to SE, the gate voltage of the semiconductor switch Q3 is raised, and the switching operation from the on state to the off state is executed.

まず、パルス幅変調信号PWMがHレベルとなってから時間Taだけ遅れて、タイミングパルスSAがLレベルからHレベルに変化する。これによって、電流注入回路61におけるコンデンサCAのノード電圧VAがLレベルからHレベルに変化しはじめる。ここで、実際にノード電圧VAは寄生容量等の影響で完全にはHレベルまでには到達しないが、寄生容量の大きさに比較してコンデンサCAの容量は格段に大きいため、ほぼHレベルとみなすことができる。   First, the timing pulse SA changes from L level to H level with a delay of time Ta after the pulse width modulation signal PWM becomes H level. As a result, the node voltage VA of the capacitor CA in the current injection circuit 61 starts to change from the L level to the H level. Here, the node voltage VA actually does not completely reach the H level due to the influence of the parasitic capacitance or the like. However, since the capacitance of the capacitor CA is much larger than the parasitic capacitance, the node voltage VA is almost at the H level. Can be considered.

オン状態の半導体スイッチQ3は、そのゲート電位VEは接地電位Gndとなっていて、ゲート端子にはダイオードDAを通して正電荷が注入されるから、半導体スイッチQ3のゲート電位VEが、コンデンサCAの容量と半導体スイッチQ3のゲート容量との比に応じて変化する。そこで、半導体スイッチQ3の飽和電流が出力電流に等しくなるまで、そのゲート電圧を一気に上昇させるように、コンデンサCAの容量を設定すればよい。これにより、第1の期間におけるゲート電圧の変化を正確に与えることができる。   Since the gate potential VE of the semiconductor switch Q3 in the on state is the ground potential Gnd and positive charges are injected into the gate terminal through the diode DA, the gate potential VE of the semiconductor switch Q3 is equal to the capacitance of the capacitor CA. It changes according to the ratio with the gate capacitance of the semiconductor switch Q3. Therefore, the capacitance of the capacitor CA may be set so that the gate voltage is increased at a stroke until the saturation current of the semiconductor switch Q3 becomes equal to the output current. Thereby, the change of the gate voltage in the first period can be given accurately.

タイミングパルスSAが変化した後、さらに時間Tbだけ遅れてタイミングパルスSBが同様にLレベルからHレベルに変化する。これによって、電流注入回路62からはコンデンサCB(図示せず)で規定される電荷量に応じた大きさの電圧信号VgBが出力され、さらにゲート電位VEが規定量分だけ変化する。ただし、この時は電圧変化のスピードをやや遅くしたいために、電流注入回路62におけるバッファ回路DvB(図示せず)の出力抵抗を上げておく。   After the timing pulse SA changes, the timing pulse SB similarly changes from the L level to the H level with a delay of time Tb. As a result, the voltage signal VgB having a magnitude corresponding to the amount of charge defined by the capacitor CB (not shown) is output from the current injection circuit 62, and the gate potential VE changes by a specified amount. However, at this time, the output resistance of the buffer circuit DvB (not shown) in the current injection circuit 62 is raised in order to slightly slow down the voltage change.

これにより、半導体スイッチQ3のソース・ドレイン間電圧が大きくなって、前述した第2の期間における電位変化が生じる。つづいて、時間Tcだけ遅れてタイミングパルスSCがLレベルからHレベルに変化することで、第1、第2の期間に比べて充分長く設定され、しかもスイッチング時間とほぼ同じくらいになる大きさで、バッファ回路DvC(図示せず)がさらに高い出力抵抗に設定され、前述した第3の期間に対応するゲート電圧の変化が生じる。   As a result, the source-drain voltage of the semiconductor switch Q3 increases, and the potential change occurs in the second period described above. Subsequently, the timing pulse SC is changed from the L level to the H level with a delay of the time Tc, so that the timing pulse SC is set to be sufficiently longer than the first and second periods and is approximately the same as the switching time. The buffer circuit DvC (not shown) is set to a higher output resistance, and a change in the gate voltage corresponding to the third period described above occurs.

すなわち、電流注入回路63におけるノード電圧VCはコンデンサCC(図示せず)の電荷によってHレベルとなり、正電荷がダイオードDCを通って注入され、半導体スイッチQ3のゲート電位VEにおける必要なだけの電圧変化が完了する。   That is, the node voltage VC in the current injection circuit 63 becomes H level due to the charge of the capacitor CC (not shown), positive charge is injected through the diode DC, and a necessary voltage change in the gate potential VE of the semiconductor switch Q3. Is completed.

タイミングパルスSCの変化が終了した後、時間Teだけ遅れてタイミングパルスSEがLレベルに変化する。このタイミングパルスSEの変化によってトランジスタQ1がオン状態となり、半導体スイッチQ3のゲート電位VEがHレベルに固定される。これによって前述した第4の期間での電圧変化が完了する。ゲート電位VEがHレベルに固定された後は、各電流注入回路61〜63のトランジスタQA〜QCがオンされるため、コンデンサCA〜CCがリセットされ、各ノード電圧VA,VB,VCをLレベルに戻すとともに、タイミングパルスSA,SB,SCもLレベルに戻す。   After the change of the timing pulse SC is completed, the timing pulse SE changes to the L level with a delay of time Te. The change in the timing pulse SE turns on the transistor Q1, and the gate potential VE of the semiconductor switch Q3 is fixed at the H level. Thereby, the voltage change in the fourth period is completed. After the gate potential VE is fixed to the H level, the transistors QA to QC of the current injection circuits 61 to 63 are turned on, so that the capacitors CA to CC are reset and the node voltages VA, VB, and VC are set to the L level. The timing pulses SA, SB, and SC are also returned to the L level.

上述した電流注入回路61〜63では、それらを構成する各素子には各種の寄生容量やダイオード順方向電圧分の電圧低下などによる誤差が生じるが、実際には容量値とリセットレベルとを適正化することによって対処できる。   In the current injection circuits 61 to 63 described above, errors due to various parasitic capacitances and voltage drop corresponding to the diode forward voltage occur in each element constituting the current injection circuits 61 to 63. In practice, however, the capacitance value and the reset level are optimized. You can deal with it.

半導体スイッチQ3をオフ状態からオン状態にスイッチングするには、タイミングパルスSF〜SJによって放電制御回路7とトランジスタQ2を制御して、半導体スイッチQ3のゲート電圧VEを引き下げる制御シーケンスが実行される。ただし、この場合は上述の制御シーケンスとは反対に、HレベルからLレベルへ遷移するタイミングパルスSF〜SJが用いられ、コンデンサCF等のノード電圧VFのリセットレベルを入力電源電圧Vddとしている。   In order to switch the semiconductor switch Q3 from the OFF state to the ON state, a control sequence is executed in which the discharge control circuit 7 and the transistor Q2 are controlled by the timing pulses SF to SJ to lower the gate voltage VE of the semiconductor switch Q3. However, in this case, contrary to the above-described control sequence, timing pulses SF to SJ that transition from the H level to the L level are used, and the reset level of the node voltage VF such as the capacitor CF is set as the input power supply voltage Vdd.

なお、図3に示すタイミング設定回路10はデジタル回路要素とクロック信号Φ1,Φ2によってタイミングパルスSA〜SJを発生させているが、制御シーケンスが高速であって、かつ信号タイミングを固定することができるため、ディレイライン等によって置き換えて構成することも可能である。また、半導体スイッチQ3のゲート電圧は、理想的には上記(1)式のように設定されることが望ましい。しかし、上述した説明のように直線で近似した場合でも、遅い変化であればノイズを抑えることが可能である。また、説明を簡単にするため、それぞれ3個づつの電流注入回路61〜63と電流放出回路71〜73によって充電制御回路6、放電制御回路7を構成しているが、これらの充放電制御手段を構成する段数をさらに増加させることによって、半導体スイッチQ3のゲート電圧を擬似的に上記(1)式に近似したものとすることも可能である。   Although the timing setting circuit 10 shown in FIG. 3 generates the timing pulses SA to SJ using the digital circuit elements and the clock signals Φ1 and Φ2, the control sequence is fast and the signal timing can be fixed. Therefore, it is possible to replace it with a delay line or the like. In addition, the gate voltage of the semiconductor switch Q3 is ideally set as shown in the above equation (1). However, even when approximated by a straight line as described above, noise can be suppressed if the change is slow. In order to simplify the explanation, the charge control circuit 6 and the discharge control circuit 7 are constituted by three current injection circuits 61 to 63 and current discharge circuits 71 to 73, respectively. It is also possible to make the gate voltage of the semiconductor switch Q3 pseudo approximate to the above equation (1) by further increasing the number of stages constituting the above.

以上に説明したように、この発明のスイッチングレギュレータの駆動制御方法では、スイッチング期間を最大に使って階段状の電圧制御ができるから、従来のような一様にゲート電位変化を遅くする低スルーレート法とは異なって、理想的な線形出力電流が得られる利点がある。   As described above, in the switching regulator drive control method of the present invention, the step-like voltage control can be performed by using the switching period to the maximum, so that the low slew rate that uniformly delays the gate potential change as in the conventional case. Unlike the method, there is an advantage that an ideal linear output current can be obtained.

また、この発明のスイッチングレギュレータでは、電源端子4側の半導体スイッチQ3についての制御シーケンスを説明したが、同期式の電源装置の構成をとった場合には、接地側の半導体スイッチ(図5のQ12)に関して、同様の制御シーケンスによるドライブが可能である。   In the switching regulator according to the present invention, the control sequence for the semiconductor switch Q3 on the power supply terminal 4 side has been described. However, when the synchronous power supply device is configured, the semiconductor switch on the ground side (Q12 in FIG. 5) is used. ) Can be driven by the same control sequence.

なお、この発明のスイッチングレギュレータは入出力電流の変化率が一定になるように出力トランジスタを制御するならば、同期、あるいは非同期の方式であっても、また降圧型、あるいは昇圧型のいずれのスイッチングレギュレータにも適用できることはいうまでもない。   It should be noted that the switching regulator according to the present invention can control either the synchronous or asynchronous system, the step-down type or the step-up type as long as the output transistor is controlled so that the rate of change of the input / output current is constant. Needless to say, it can also be applied to regulators.

本発明の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the switching regulator which concerns on embodiment of this invention. (A)は電流注入回路の具体的構成を示す回路図、(B)は電流放出回路の具体的構成を示す回路図である。(A) is a circuit diagram showing a specific configuration of the current injection circuit, (B) is a circuit diagram showing a specific configuration of the current emission circuit. (A)、(B)はタイミング設定回路を構成するタイミングパルス生成回路の具体的構成を示す回路図である。(A), (B) is a circuit diagram which shows the concrete structure of the timing pulse generation circuit which comprises a timing setting circuit. (a)、(b)はクロック信号、(c)は半導体スイッチのゲート電圧波形、(d)はPWM信号、(e)ないし(n)はタイミング設定回路から出力されるタイミングパルスSA〜SJを示す信号波形図である。(A) and (b) are clock signals, (c) is a gate voltage waveform of a semiconductor switch, (d) is a PWM signal, and (e) to (n) are timing pulses SA to SJ output from a timing setting circuit. It is a signal waveform diagram shown. 従来のスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the conventional switching regulator.

符号の説明Explanation of symbols

1 ドライバ
2 比較器
3 発振器
4 電源端子
5 出力端子
6 充電制御回路
7 放電制御回路
8,9 タイミングパルス生成回路
10 タイミング設定回路
61〜63 電流注入回路
71〜73 電流放出回路
C 出力コンデンサ
CA,CF コンデンサ(キャパシタ)
D1 ダイオード
DA,DF ダイオード
DvA,DvF バッファ回路
L 出力インダクタ
Q1 トランジスタ(第1のスイッチ手段)
Q2 トランジスタ(第2のスイッチ手段)
Q3 半導体スイッチ
QA トランジスタ(リセットスイッチ)
QF トランジスタ(リセットスイッチ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Driver 2 Comparator 3 Oscillator 4 Power supply terminal 5 Output terminal 6 Charge control circuit 7 Discharge control circuit 8, 9 Timing pulse generation circuit 10 Timing setting circuit 61-63 Current injection circuit 71-73 Current discharge circuit C Output capacitor CA, CF Capacitor (capacitor)
D1 diode DA, DF diode DvA, DvF buffer circuit L output inductor Q1 transistor (first switch means)
Q2 transistor (second switch means)
Q3 Semiconductor switch QA transistor (reset switch)
QF transistor (reset switch)

Claims (2)

半導体スイッチのスイッチング動作により直流電圧の変換を行うスイッチングレギュレータの駆動制御方法において、
前記半導体スイッチのオンからオフへのスイッチング動作に際して、前記半導体スイッチのゲート電圧の変化率高速、低速、超低速、および高速の順に、オフからオンへのスイッチング動作時には前記ゲート電圧の変化率を高速、超低速、低速、および高速の順に、それぞれ段階的に異なる変化率で制御して、前記半導体スイッチのドレイン電流が線形に変化するように駆動制御することを特徴とするスイッチングレギュレータの駆動制御方法。
In a switching regulator drive control method for converting DC voltage by switching operation of a semiconductor switch,
In the switching operation from on to off of the semiconductor switch, the change rate of the gate voltage of the semiconductor switch is changed in the order of high speed, low speed, ultra low speed, and high speed in the switching operation from off to on. Driving control of a switching regulator, characterized in that control is performed so that the drain current of the semiconductor switch changes linearly by controlling at different change rates stepwise in order of high speed, ultra low speed, low speed, and high speed. Method.
半導体スイッチのスイッチング動作により直流電圧の変換を行うスイッチングレギュレータにおいて、In a switching regulator that converts DC voltage by switching operation of a semiconductor switch,
前記半導体スイッチのゲート端子と第1の電源との間に接続され、前記半導体スイッチをオフ状態に保持する第1のスイッチ手段と、  First switch means connected between a gate terminal of the semiconductor switch and a first power supply, and holding the semiconductor switch in an off state;
前記ゲート端子と第2の電源との間に接続され、前記半導体スイッチをオン状態に保持する第2のスイッチ手段と、  A second switch means connected between the gate terminal and a second power supply for holding the semiconductor switch in an ON state;
互いに異なる容量を有するキャパシタ、および前記キャパシタの電荷量を初期値にリセットするリセットスイッチから構成され、前記ゲート端子に逆電流防止用のダイオードを介して接続されて、前記ゲート端子へ注入される電荷量を制御する複数の電流注入回路と、  Charges that are composed of capacitors having different capacities and a reset switch that resets the charge amount of the capacitors to an initial value, are connected to the gate terminal via a diode for preventing reverse current, and are injected into the gate terminal A plurality of current injection circuits for controlling the amount;
互いに異なる容量を有するキャパシタ、および前記キャパシタの電荷量を初期値にリセットするリセットスイッチから構成され、前記ゲート端子に逆電流防止用のダイオードを介して接続されて、前記ゲート端子から放出される電荷量を制御する複数の電流放出回路と、  A capacitor having different capacitances and a reset switch that resets the charge amount of the capacitor to an initial value, and is connected to the gate terminal via a diode for preventing reverse current and discharged from the gate terminal A plurality of current emission circuits for controlling the amount;
前記第1、第2のスイッチ手段、および前記電流注入回路および前記電流放出回路へのタイミング信号を生成して、前記半導体スイッチにおけるスイッチング期間を設定するとともに、このスイッチング期間を前記電流注入回路からの電荷注入がそれぞれ異なる速度となる複数の電荷注入期間に区分し、あるいは前記電流放出回路からの電荷放出がそれぞれ異なる速度となる複数の電荷放出期間に区分するタイミング設定手段と、  A timing signal to the first and second switch means, the current injection circuit and the current emission circuit is generated to set a switching period in the semiconductor switch, and the switching period is set from the current injection circuit. A timing setting means for dividing the charge injection into a plurality of charge injection periods each having a different speed, or for dividing the charge discharge from the current discharge circuit into a plurality of charge discharge periods each having a different speed;
を備え、  With
前記半導体スイッチは、前記電流注入回路での前記ゲート端子への電荷注入の速度、および前記電流放出回路での前記ゲート端子からの電荷放出の速度によってそれぞれ切換可能にスイッチング制御されることを特徴とするスイッチングレギュレータ。  The semiconductor switch is switching-controlled to be switchable according to a charge injection speed to the gate terminal in the current injection circuit and a charge discharge speed from the gate terminal in the current discharge circuit, respectively. Switching regulator.
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