JP4611104B2 - Oscillation circuit and switching power supply using the same - Google Patents
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本発明は、スイッチング電源装置に係り、特に、電池を利用したポータブル機器の電源等に利用する発振回路およびそれを用いたスイッチング電源装置に関するものである。 The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to an oscillation circuit used for a power source of a portable device using a battery and a switching power supply device using the oscillation circuit.
従来のスイッチング電源装置は、図4に示したように構成されている。図4において、1は電源装置の入力電源、2は入力電源1の平滑容量、3は電源装置の出力端子、4は出力端子3の平滑容量、6,7は抵抗、8は三角波発振回路、9は基準電圧10を負入力し抵抗6,7の間の電圧を正入力して構成される誤差増幅回路、16は例えばNMOSトランジスタによって構成されるスイッチング素子、17はチョークコイル、18はショットキーダイオードである。
The conventional switching power supply device is configured as shown in FIG. In FIG. 4, 1 is an input power supply of the power supply apparatus, 2 is a smoothing capacitor of the
図5は前述の図4に示す三角波発振回路について詳細な回路図に置き換えた、発振回路を示す図である。図5の三角波発振回路において、1は入力電源、35は容量、36はスイッチ、37,38はバイポーラ素子(例えば、NPN型トランジスタ)によって構成される差動回路、I1,I2,I3,I4は定電流源、VL,VHは基準電圧である。 FIG. 5 is a diagram showing an oscillation circuit in which the triangular wave oscillation circuit shown in FIG. 4 is replaced with a detailed circuit diagram. In the triangular wave oscillation circuit of FIG. 5, 1 is an input power supply, 35 is a capacitor, 36 is a switch, 37 and 38 are differential circuits composed of bipolar elements (for example, NPN transistors), I1, I2, I3 and I4 are Constant current sources VL and VH are reference voltages.
また、図6(a),(b)は前述の図5における三角波発振回路と、図4におけるPWM制御回路の動作を説明する図であり、図6(a)中のスイッチ36は図5において説明したスイッチ36である。
6 (a) and 6 (b) are diagrams for explaining the operation of the triangular wave oscillation circuit in FIG. 5 and the PWM control circuit in FIG. 4. The
以下に、図4,図5,図6を参照しながら、従来のスイッチング電源装置の動作について説明する。 The operation of the conventional switching power supply apparatus will be described below with reference to FIGS.
従来技術では、例えば特許文献1に記載のように、図5に示すスイッチング電源装置においては、入力電源1の電圧をバイアス電圧として、容量35に発生する電圧を、基準電圧VHに到達する前はスイッチ36をオフして定電流源I1で充電することによって上昇させ、基準電圧VHに到達すると差動回路37が働きスイッチ36をオンして定電流源I1−I2(<0)で放電することによって下降させ、基準電圧VLに到達すると差動回路38が働き再びスイッチ36をオフして定電流源I1で充電することによって上昇させる。
In the prior art, for example, as described in
図4に示すように、三角波発振回路8の出力を比較器11に負入力し、スイッチング電源装置の出力端子3の出力電圧を抵抗6,7よって分割した電圧を正入力し、基準電圧10を負入力した誤差増幅回路9の出力を比較器11に正入力し、比較器11の出力によってスイッチング素子16を駆動して所望の電圧を得ていた。
しかしながら、前記従来の電源装置の方式では、入力電圧が低い場合、バイポーラ素子によって構成される三角波発振回路が動作せず、スイッチング電源装置を動作させることができないという問題があった。 However, the conventional power supply system has a problem that when the input voltage is low, the triangular wave oscillation circuit constituted by bipolar elements does not operate and the switching power supply cannot be operated.
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、低入力電圧でも動作するMOSトランジスタ回路によって構成するリングオシレータ回路を起動発振回路として用いて、入力電圧が低いときにも動作するスイッチング電源装置を構成する発振回路およびそれを用いたスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 The present invention is directed to solving the above-described problems of the prior art, and a ring oscillator circuit composed of a MOS transistor circuit that operates even at a low input voltage is used as a start-up oscillation circuit, and even when the input voltage is low. An object of the present invention is to provide an oscillation circuit that constitutes an operating switching power supply and a switching power supply using the oscillation circuit.
前記の目的を達成するために、本発明に係る発振回路は、スイッチング電源装置に用いる発振回路であって、2N(N:整数)個を縦続接続したインバータからなるインバータ回路と、インバータ回路の入力端に一端を接続した第1の抵抗と、インバータ回路の出力端にゲートを接続したPMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタと、第1の抵抗の他端に一端を接続し、インバータ回路の出力端に他端を接続した容量と、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタのドレインの間に接続した第2の抵抗と、NMOSトランジスタと第2の抵抗の間に一端を接続した第3の抵抗と、第3の抵抗の他端に一端を接続し、第1の抵抗の他端および容量の一端に他端を接続した第4の抵抗とを備え、インバータ回路の出力端に複数のインバータからなるインバータ群を接続し、インバータ群の出力を最終出力とすることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an oscillation circuit according to the present invention is an oscillation circuit used in a switching power supply device, and is composed of an inverter circuit formed by cascading 2N (N: integer) pieces, and an input of the inverter circuit A first resistor having one end connected to the end, a PMOS transistor and an NMOS transistor having a gate connected to the output end of the inverter circuit, one end connected to the other end of the first resistor, and the other end to the output end of the inverter circuit , A second resistor connected between the drains of the PMOS transistor and the NMOS transistor, a third resistor having one end connected between the NMOS transistor and the second resistor, and a third resistor. One end connected to the other end, and the other end of the first resistor and a fourth resistor connected to the other end of the capacitor, and a plurality of inputs are connected to the output end of the inverter circuit. Connect the inverter group consisting of over data, characterized by the output of the inverter group and final output.
また、スイッチング電源装置は、請求項1記載の発振回路を用いたスイッチング電源装置であって、MOSトランジスタで構成された請求項1記載の第1の発振回路と、バイポーラトランジスタで構成された三角波発振回路からなる第2の発振回路と、第1の発振回路の第1の出力端と、第2の発振回路の第2の出力端との接続を選択的に切り替える切替スイッチと、切替スイッチの出力に基づいてスイッチング素子を制御して、スイッチング電源装置の出力電圧を生成する出力電圧生成部とを備え、出力電圧に基づいて切替スイッチを切り替え、出力電圧が所定電圧より低いときには、第1の発振回路に、出力電圧が所定電圧より高いときには、第2の発振回路に接続することを特徴とする。
Further, the switching power supply device is a switching power supply device using the oscillation circuit according to
前記構成によれば、入力電源をスイッチングすることにより出力電圧を得るスイッチング電源装置において、入力電圧をバイアス電圧とするMOSトランジスタ回路によって構成する第1の発振回路(リングオシレータ回路)と、出力電圧をバイアス電圧とするパルス幅制御を行う第2の発振回路(PWM制御回路)を有し、出力電圧によりスイッチング電源装置の回路駆動信号をいずれかから選択する構成によって、低入力電圧でも動作する第1の発振回路を用いて、出力電圧を上昇させ、出力電圧が所定電圧に達すると第2の発振回路による発振に切り替えて、低入力電圧でも動作するスイッチング電源装置を得ることができる。 According to the above configuration, in the switching power supply device that obtains the output voltage by switching the input power supply, the first oscillation circuit (ring oscillator circuit) configured by the MOS transistor circuit using the input voltage as the bias voltage, and the output voltage A first oscillation circuit having a second oscillation circuit (PWM control circuit) that performs pulse width control as a bias voltage, and that operates from a low input voltage by selecting a circuit drive signal of the switching power supply from one of the output voltages. By using this oscillation circuit, the output voltage is raised, and when the output voltage reaches a predetermined voltage, the oscillation is switched to the oscillation by the second oscillation circuit to obtain a switching power supply device that operates even at a low input voltage.
本発明によれば、低入力電圧の場合でも動作するスイッチング電源装置を構成することができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to configure a switching power supply device that operates even in the case of a low input voltage.
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施の形態におけるスイッチング電源装置の概略構成を示す回路図である。ここで、前記従来例を示す図4において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付して示す。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a switching power supply apparatus according to an embodiment of the present invention. Here, components having the same functions corresponding to the components described in FIG. 4 showing the conventional example are denoted by the same reference numerals.
図1において、1は入力電源、2,4は平滑容量、3は出力端子、5はリングオシレータ回路、6,7は抵抗、8は三角波発振回路、9は誤差増幅回路、10,13は基準電圧、11,14は比較器、15は発振切替スイッチ、16は例えばNMOSトランジスタによって構成されるスイッチング素子、17はチョークコイル、18はショットキーダイオードである。
In FIG. 1, 1 is an input power supply, 2 and 4 are smoothing capacitors, 3 is an output terminal, 5 is a ring oscillator circuit, 6 and 7 are resistors, 8 is a triangular wave oscillation circuit, 9 is an error amplification circuit, and 10 and 13 are reference.
また、図2は前述の図1に示すリングオシレータ回路について詳細な回路図に置き換えた、本実施の形態における発振回路およびそれを用いたスイッチング電源装置を示す回路図である。図2に示すリングオシレータ回路5において、19,29,30,31は抵抗、20は容量、21,22,23,24,25,26,32,33,34はインバータ、27はPMOSトランジスタ、28はNMOSトランジスタにより構成される。 FIG. 2 is a circuit diagram showing an oscillation circuit and a switching power supply device using the same in the present embodiment, in which the ring oscillator circuit shown in FIG. 1 is replaced with a detailed circuit diagram. In the ring oscillator circuit 5 shown in FIG. 2, 19, 29, 30, 31 are resistors, 20 is a capacitor, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 32, 33, 34 are inverters, 27 is a PMOS transistor, 28 Is constituted by an NMOS transistor.
また、図2中における、Aは抵抗30,31の間における電圧、Bはインバータ26からの出力を入力したインバータ群(インバータ32,33,34)の出力する電圧、Cは発振切替スイッチ15によって選択されるスイッチング素子16の駆動信号の電圧である。
In FIG. 2, A is a voltage between the
図3は前述の図2における本実施の形態の発振回路およびそれを用いたスイッチング電源装置の動作を説明する図であり、図3中のA,Bは図2の説明で記載したA,Bの電圧である。 FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the oscillation circuit of the present embodiment in FIG. 2 and the switching power supply apparatus using the oscillation circuit. A and B in FIG. 3 are A and B described in the explanation of FIG. Is the voltage.
以上のように構成された本実施の形態の発振回路およびそれを用いたスイッチング電源装置について以下にその動作を説明する。 The operation of the oscillation circuit of the present embodiment configured as described above and the switching power supply apparatus using the oscillation circuit will be described below.
まず、スイッチング電源装置の起動直後においてはMOSトランジスタ回路によって構成するリングオシレータ回路5が動作する。リングオシレータ回路5において、2N(N:整数)個を縦続接続したインバータからなるインバータ回路の入力レベルが「H」のとき、このインバータ回路の出力レベルも「H」になる。 First, immediately after the switching power supply device is activated, the ring oscillator circuit 5 constituted by a MOS transistor circuit operates. In the ring oscillator circuit 5, when the input level of an inverter circuit composed of 2N (N: integer) cascaded inverters is “H”, the output level of this inverter circuit is also “H”.
次に、このインバータ回路の出力をPMOSトランジスタ27のゲートとNMOSトランジスタ28のゲートに入力することにより、抵抗29とNMOSトランジスタ28のドレインとの間における電圧レベルは「L」になる。この電圧は抵抗30,31,19を介して接続しているインバータ回路に入力している。したがって、インバータ回路の入力レベルは「L」に向かうことになるが、抵抗31と抵抗19の間はインバータ回路の出力と容量20を介して接続しているため、抵抗29,30,31,19と容量20によって決定する時定数による遅延をもって、インバータ回路の入力レベルは「L」に向かう。
Next, by inputting the output of the inverter circuit to the gate of the PMOS transistor 27 and the gate of the NMOS transistor 28, the voltage level between the
その後、インバータ回路の入力レベルが「L」になると、出力レベルも「L」になる。このインバータ回路の出力をPMOSトランジスタ27のゲートとNMOSトランジスタ28のゲートに入力することにより、抵抗29とNMOSトランジスタ28のドレインとの間における電圧レベルは「H」になる。前述したように、この電圧は抵抗30,31,19を介して接続しているインバータ回路に入力している。したがって、インバータ回路の入力レベルは「H」に向かうが、抵抗31と抵抗19の間はインバータ回路の出力と容量20を介して接続しているため、抵抗29,30,31,19と容量20によって決定する時定数による遅延をもって、インバータ回路の入力レベルは「H」に向かう。
Thereafter, when the input level of the inverter circuit becomes “L”, the output level also becomes “L”. By inputting the output of the inverter circuit to the gate of the PMOS transistor 27 and the gate of the NMOS transistor 28, the voltage level between the
この動作の繰り返しで発振動作は継続し、この動作の繰り返しによって、Aの電圧は図3のように動作し、Bは一定のパルス幅で動作する。この発振は、入力電源がMOSトランジスタのVGS(ゲート−ソース電圧)より高ければ動作するので、入力電源が低電圧の場合でも動作する。 By repeating this operation, the oscillation operation continues. By repeating this operation, the voltage of A operates as shown in FIG. 3, and B operates with a constant pulse width. Since this oscillation operates when the input power supply is higher than the VGS (gate-source voltage) of the MOS transistor, it operates even when the input power supply is at a low voltage.
図3に示すように、スイッチング電源装置の出力端子3の出力電圧が所定の電圧に到達して、発振回路の出力を切り替える発振切替スイッチ15によりスイッチング素子16の駆動信号をPWM制御回路12の出力に切り替えた後の動作は、例えば特許文献2に記載のように既知の動作であるので説明を省略する。
As shown in FIG. 3, when the output voltage of the
以上のように、この回路構成で、低入力電圧でも動作するスイッチング電源装置を構成することが可能となる。 As described above, with this circuit configuration, it is possible to configure a switching power supply device that operates even at a low input voltage.
本発明に係る発振回路およびそれを用いたスイッチング電源装置は、低入力電圧の場合でも動作するスイッチング電源装置を構成することができ、電池を利用したポータブル機器の電源等に利用する電源装置として有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The oscillation circuit according to the present invention and the switching power supply device using the oscillation circuit can constitute a switching power supply device that operates even when the input voltage is low, and are useful as a power supply device that is used for a power source of a portable device using a battery. It is.
1 入力電源
2,4 平滑容量
3 出力端子
5 リングオシレータ回路
6,7 抵抗
8 三角波発振回路
9 誤差増幅回路
10,13 基準電圧
11,14 比較器
12 PWM制御回路
15 発振切替スイッチ
16 スイッチング素子
17 チョークコイル
18 ショットキーダイオード
19,29,30,31 抵抗
20,35 容量
21,22,23,24,25,26,32,33,34 インバータ
27 PMOSトランジスタ
28 NMOSトランジスタ
36 スイッチ
37,38 差動回路
1
Claims (2)
2N(N:整数)個を縦続接続したインバータからなるインバータ回路と、前記インバータ回路の入力端に一端を接続した第1の抵抗と、前記インバータ回路の出力端にゲートを接続したPMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタと、前記第1の抵抗の他端に一端を接続し、前記インバータ回路の出力端に他端を接続した容量と、前記PMOSトランジスタと前記NMOSトランジスタのドレインの間に接続した第2の抵抗と、前記NMOSトランジスタと前記第2の抵抗の間に一端を接続した第3の抵抗と、前記第3の抵抗の他端に一端を接続し、前記第1の抵抗の他端および前記容量の一端に他端を接続した第4の抵抗とを備え、前記インバータ回路の出力端に複数のインバータからなるインバータ群を接続し、前記インバータ群の出力を最終出力とすることを特徴とする発振回路。 An oscillation circuit used in a switching power supply device,
An inverter circuit composed of 2N (N: integer) cascaded inverters, a first resistor having one end connected to the input terminal of the inverter circuit, and a PMOS transistor and an NMOS having a gate connected to the output terminal of the inverter circuit A transistor, a capacitor having one end connected to the other end of the first resistor, a capacitor having the other end connected to the output end of the inverter circuit, and a second resistor connected between the drain of the PMOS transistor and the NMOS transistor; A third resistor having one end connected between the NMOS transistor and the second resistor, one end connected to the other end of the third resistor, and the other end of the first resistor and the capacitance A fourth resistor having one end connected to the other end, an inverter group comprising a plurality of inverters connected to the output end of the inverter circuit, Oscillation circuit and outputs of the final output.
MOSトランジスタで構成された請求項1記載の第1の発振回路と、
バイポーラトランジスタで構成された三角波発振回路からなる第2の発振回路と、
前記第1の発振回路の第1の出力端と、前記第2の発振回路の第2の出力端との接続を選択的に切り替える切替スイッチと、
前記切替スイッチの出力に基づいてスイッチング素子を制御して、前記スイッチング電源装置の出力電圧を生成する出力電圧生成部とを備え、
前記出力電圧に基づいて前記切替スイッチを切り替え、前記出力電圧が所定電圧より低いときには、前記第1の発振回路に、前記出力電圧が前記所定電圧より高いときには、前記第2の発振回路に接続することを特徴とするスイッチング電源装置。 A switching power supply device using the oscillation circuit according to claim 1,
The first oscillation circuit according to claim 1 constituted by a MOS transistor;
A second oscillation circuit composed of a triangular wave oscillation circuit composed of bipolar transistors ;
A selector switch for selectively switching connection between the first output terminal of the first oscillation circuit and the second output terminal of the second oscillation circuit;
An output voltage generator that controls a switching element based on an output of the changeover switch and generates an output voltage of the switching power supply device ;
Switches the changeover switch on the basis of the output voltage, when the output voltage is lower than a predetermined voltage, before Symbol first oscillating circuit, when the output voltage is higher than the predetermined voltage, before Symbol second oscillation circuit A switching power supply characterized by being connected .
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