JP4862500B2 - Soft start circuit and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、D/A(Digital to Analog)変換技術によるソフトスタート回路及びこれを用いた半導体装置に関する。 The present invention relates to a soft start circuit based on D / A (Digital to Analog) conversion technology and a semiconductor device using the soft start circuit.
スイッチング電源においては、電源起動時に電源回路に発生する突入電流やオーバーシュートの防止を目的として、ソフトスタート機能を設けることがある。ソフトスタート機能は、起動開始から一定期間、基準電圧,オンデューティ比(もしくは単にデューティ比、スイッチング周期におけるスイッチング素子がオンしている時間とスイッチング周期の比率)または出力電流を制限することにより実現される。 In a switching power supply, a soft start function may be provided for the purpose of preventing an inrush current or an overshoot generated in a power supply circuit when the power supply is activated. The soft start function is realized by limiting the reference voltage, the on-duty ratio (or simply the duty ratio, the ratio of the switching element on time and the switching period in the switching period) or the output current for a certain period from the start of startup. The
図4にソフトスタート機能をもつスイッチング電源の例を示す。図4は電源電圧VDDより出力電圧Voを生成して負荷Zに供給するPWM(パルス幅変調)方式の降圧型DC/DCコンバータである。このDC/DCコンバータは誤差増幅器1,ソフトスタート信号Vsを生成するソフトスタート回路(ソフトスタート信号生成回路)2,三角波Voscを生成する発振器3,PWMコンパレータ4、スイッチング素子であるPチャネルMOSFET5,同期整流方式の転流素子としてのNチャネルMOSFET6,PWMコンパレータ4の出力に従いPチャネルMOSFET5およびNチャネルMOSFET6を駆動するドライブ回路7,インダクタ8,コンデンサ9,電圧設定用のフィードバック手段となる抵抗10および11,並びに出力端子12を有している。13は入力電源より電源電圧VDDが供給される電源供給ラインである。誤差増幅器1の非反転入力端子には参照電圧としてソフトスタート回路2から出力されるソフトスタート信号Vsが入力され、出力端子と反転入力端子の間には位相補償素子として抵抗14およびコンデンサ15が接続されている。なお、ソフトスタート信号Vsは、初期値が接地電位(GND)であり、動作を開始するとその値を増加させ、最大値Vref0に達するとその最大値を保って誤差増幅器1に基準電圧Vref0を供給する信号である。PWMコンパレータ4の非反転入力端子には誤差増幅器1の出力信号である誤差信号Verrが入力され、反転入力端子には三角波Voscが入力される。PWMコンパレータ4は誤差信号Verrと三角波Voscを比較し、誤差信号Verrの方が大きい場合はH(ハイレベル)を、誤差信号Verrの方が小さい場合はL(ローレベル)をPWM信号(PWM SIGNAL)としてドライブ回路7に出力する。PチャネルMOSFET5およびNチャネルMOSFET6のドレインは互いに接続されるとともにインダクタ8の一端に接続されている。またPチャネルMOSFET5およびNチャネルMOSFET6のソースはそれぞれ電源供給ライン13およびGNDに接続されている。インダクタ8の他端は出力端子12に接続されている。出力端子12とGNDの間にはコンデンサ9および抵抗10,11の直列回路が接続されている。抵抗10と11の接続点の電位はフィードバック信号VFBとして誤差増幅器1の反転入力端子へ入力される。またDC/DCコンバータの負荷として、出力端子12に負荷16が接続されている。
FIG. 4 shows an example of a switching power supply having a soft start function. FIG. 4 shows a PWM (pulse width modulation) step-down DC / DC converter that generates an output voltage Vo from a power supply voltage VDD and supplies the output voltage Vo to a load Z. This DC / DC converter includes an
以下、簡単にこのDC/DCコンバータの動作を説明する。まず、ソフトスタート信号Vsが最大値である基準電圧Vref0になっている定常状態について説明する。
誤差増幅器1は基準電圧Vref0とフィードバック信号VFBの差を増幅した誤差信号VerrをPWMコンパレータ4に入力する。PWMコンパレータ4は誤差信号Verrと三角波Voscを比較することにより、周期は一定であるが1周期内のHとLの割合が誤差増幅器1の出力により変化する方形波パルス(PWM信号)をドライブ回路7を介してPチャネルMOSFET5のゲートに出力する。すなわち、(Vref0−VFB)が大きい(小さい)ほど1周期内のPチャネルMOSFET71がオンする期間が長く(短く)なるような方形波パルスを発生し、インダクタ6に蓄積するエネルギを大きく(小さく)することにより出力電圧VOを一定に保つ。NチャネルMOSFET6のゲートにも同様に方形波パルスが出力される。基本的にはPチャネルMOSFET5とNチャネルMOSFET6のゲートに出力される方形波パルスは同相であるが、PチャネルMOSFET5とNチャネルMOSFET6が同時にオンして貫通電流が流れることがないように、両方オフの期間であるデッドタイムを設ける。
The operation of this DC / DC converter will be briefly described below. First, the steady state in which the soft start signal Vs is the reference voltage Vref0 having the maximum value will be described.
The error amplifier 1 inputs an error signal Verr obtained by amplifying the difference between the reference voltage Vref0 and the feedback signal VFB to the PWM comparator 4. The PWM comparator 4 compares the error signal Verr with the triangular wave Vosc, thereby generating a square wave pulse (PWM signal) whose period is constant but the ratio of H and L in one period varies depending on the output of the
次に電源の起動時を考える。スイッチング電源の起動直後は出力電圧が不足しているため、参照電圧としてのソフトスタート信号Vsが最初から基準電圧Vref0になっていると、フィードバック信号VFBが当初はゼロ(接地電位)であるため誤差信号Verrが非常に大きくなってしまい、スイッチング素子(図4のDC/DCコンバータにおけるPチャネルMOSFET5に相当)のオンデューティ比(デューティ比)が最大となる駆動パルスが出力される。しかし、起動直後は出力コンデンサ(図4のコンデンサ9に相当)が未充電であるため、見かけ上出力電流は短絡状態とほぼ等しくなるため、インダクタ(図4のインダクタ8に相当)に流れる電流が際限なく大きくなる。従い、インダクタやスイッチング素子に大電流が流れ、これらの素子が破壊されるおそれがある。そこでソフトスタート機能により誤差増幅器1に与える参照電圧を徐々に上げていくことにより、誤差信号Verrおよびスイッチング素子のデューティ比が大きくなりすぎないようにしてインダクタに流れる電流を徐々に増加させ、出力コンデンサも徐々に充電されていく方式がとられる。ソフトスタート回路2について、図5,6によりさらに説明を行う。
Next, consider when the power supply starts. Since the output voltage is insufficient immediately after the switching power supply is started, if the soft start signal Vs as the reference voltage is the reference voltage Vref0 from the beginning, the feedback signal VFB is initially zero (ground potential). The error signal Verr becomes very large, and a drive pulse that maximizes the on-duty ratio (duty ratio) of the switching element (corresponding to the P-
図5は、D/A(Digital to Analog)変換技術を応用してソフトスタート信号Vsを生成する従来のソフトスタート回路2の回路図、図6はその動作波形を示すタイミングチャートである。図5において、Vinはソフトスタート回路2の入力端子であり、その入力電圧も便宜的にVinとする。入力端子VinとGNDの間にk個の抵抗Rss1,Rss2,・・・,Rsskが直列に接続された抵抗列が接続されていて、分圧回路を構成している。入力端子Vin,抵抗Rss1と抵抗Rss2の接続点,抵抗Rss2と抵抗Rss3の接続点,・・・,抵抗Rss(k−1)と抵抗Rsskの接続点にトランスミッションゲートTG1,TG2,・・・,TGkの一端が接続され、これらのトランスミッションゲートの他端がコンデンサCssの一端に共通に接続されている。コンデンサCssの他端は接地されている。コンデンサCssの一端がソフトスタート回路2の出力端子SoftStartに接続され、コンデンサCssの一端の電位(コンデンサCssの両端電圧)がソフトスタート信号Vsとなる。トランスミッションゲートTG1,TG2,・・・,TGkの動作(オン・オフ)はシフトレジスタSRおよびk個のインバータIV1,・・・,IVkにより制御されている。すなわち、シフトレジスタSRのi番目の出力QiがHであればトランスミッションゲートTG(k−i+1)がオンして抵抗Rss(k−i+1)と抵抗Rss(k−i)の接続点とコンデンサCssの一端とを接続する(i=kの場合は入力電圧VinとコンデンサCssの一端とを接続する)。シフトレジスタSRのi番目の出力QiがLであればトランスミッションゲートTG(k−i+1)はオフする。シフトレジスタSRの出力Q1,Q2,・・・,Qkの初期値はLである。
FIG. 5 is a circuit diagram of a conventional
シフトレジスタSRの動作が開始するとまず出力Q1だけHとなる。次の動作でQ1の状態HはQ2にシフトされ、Q1は再びLとなる。以下、順次状態HがQ2→Q3→・・・→Qkとシフトされ、最後のQkまで状態Hがシフトされると、以降Qkは状態Hを保つ。これにより、トランスミッションゲートTGk,TG(k−1),・・・,TG1がこの順番で順次オンしていく(これらの動作においては、1つのトランスミッションゲートだけがオンしていて、他のトランスミッションゲートは全てオフしている)。これにより、シフトレジスタSRの動作が進むにつれて上昇していく分圧電圧がコンデンサCssに接続されていき、コンデンサCssの両端電圧も徐々に上昇していく。すなわち、トランスミッションゲートTGiがオンしてから暫くするとコンデンサCssの両端電圧はVin×(Rssk+・・・+Rss(k−i+1))/(Rssk+・・・+Rss1)もしくはその近傍に達し、次にトランスミッションゲートTG(i−1)がオンするとこの値を初期値としてCR回路の充電動作を開始するという動作を繰り返す。 When the operation of the shift register SR starts, first, only the output Q1 becomes H. In the next operation, the state H of Q1 is shifted to Q2, and Q1 becomes L again. Hereinafter, when the state H is sequentially shifted from Q2 → Q3 →... → Qk and the state H is shifted to the last Qk, Qk keeps the state H thereafter. As a result, transmission gates TGk, TG (k-1),..., TG1 are sequentially turned on in this order (in these operations, only one transmission gate is turned on and the other transmission gates are turned on). Are all off). As a result, the divided voltage that increases as the operation of the shift register SR proceeds is connected to the capacitor Css, and the voltage across the capacitor Css also gradually increases. That is, after a while after the transmission gate TGi is turned on, the voltage across the capacitor Css reaches Vin × (Rssk +... + Rss (k−i + 1)) / (Rssk +. When TG (i-1) is turned on, this value is used as an initial value, and the operation of starting the charging operation of the CR circuit is repeated.
最終的には、ソフトスタート回路2が入力電圧Vinを出力し続けることになる。すなわち、入力電圧VinがDC/DCコンバータの定常状態での参照電圧である基準電圧Vref0となる。定常状態ではDC/DCコンバータが誤差増幅器1の2つの入力(Vref0とVFB)を仮想短絡させるよう動作するため、出力電圧VoはVo=Vref0×(R10+R11)/R11となる。ここで、R10,R11はそれぞれ抵抗10,11の抵抗値である。これから分かるように、基準電圧Vref0により出力電圧Voの値が決定されるので、基準電圧Vref0の精度が重要である。すなわち、基準電圧Vref0のばらつきが出力電圧Voのばらつきに直結してしまうので、入力電圧Vin=基準電圧Vref0の精度を上げることが必要となる。
Eventually, the
精度の高い基準電圧を生成するためには、一旦定電圧を生成し、その定電圧を演算増幅回路と抵抗列による分圧/昇圧回路により分圧もしくは昇圧し、抵抗列を構成する抵抗をトリミングして精度の高い分圧電圧もしくは昇圧電圧を得てそれを基準電圧とすればよい(例えば、特許文献1,2を参照)。このような回路について、図7,8,9により以下説明を行う。
In order to generate a highly accurate reference voltage, once a constant voltage is generated, the constant voltage is divided or boosted by a voltage dividing / boosting circuit using an operational amplifier circuit and a resistor string, and the resistors constituting the resistor string are trimmed Then, a highly accurate divided voltage or boosted voltage may be obtained and used as a reference voltage (see, for example,
図7は、特許文献1に開示されている電圧可変レギュレータを一般化し、さらにソフトスタート回路2を組み合わせたものであり、DC/DCコンバータなどのスイッチング電源を制御する電源制御IC(半導体集積回路)に適用されるものである。外部から電源制御ICに供給される電源電圧は安定していない場合があり、そのままでは電源制御ICの安定した動作に支障をきたすことがある。これに対処するのが図7に示す内部電源LDOである。内部電源LDOは低ドロップアウトタイプのシリーズレギュレータであり、外部から供給される電源電圧VDDより内部電圧Vregを生成して電源制御ICの内部回路に供給する。電源電圧VDDが変動しても内部電圧Vregは一定値を保つので、電源制御ICは安定した動作を続けることができる。また、それほど精度を要しない参照電圧なら、内部電圧Vregを分圧することにより簡単に生成することができる。
FIG. 7 is a power control IC (semiconductor integrated circuit) that controls a switching power source such as a DC / DC converter by generalizing the voltage variable regulator disclosed in
図7に示す回路は内部電圧Vregを電源として動作するものであり、基準電圧生成回路REFER、演算増幅回路OPA、第1のスイッチ回路SW1、第2のスイッチ回路SW2、PチャネルMOSトランジスタPM1、抵抗R1,R2,・・・,Rnおよびソフトスタート回路2を有している。基準電圧生成回路REFERは第1の基準電圧Vrefを生成するものであり、バンドギャップリファレンス回路などを用いることができるが、バンドギャップリファレンス回路に限定するものではない。基準電圧生成回路REFERの出力は、温度変化に対し安定している(一定している)ことが望ましい。基準電圧生成回路REFERの出力である第1の基準電圧Vref1は、演算増幅回路OPAの反転入力端子に入力される。演算増幅回路OPAの出力VoutはPチャネルMOSトランジスタPM1のゲートに接続されている。なお、内部電圧Vregは基準電圧生成回路REFER,演算増幅回路OPAの電源およびPチャネルMOSトランジスタPM1のソースにそれぞれ供給されている。PチャネルMOSトランジスタPM1のドレインとGNDの間には抵抗R1,R2,・・・,Rnが直列に接続されて抵抗列を形成している。PチャネルMOSトランジスタPM1のドレインと抵抗R1との接続点,抵抗R1と抵抗R2の接続点,・・・,抵抗R(n−1)と抵抗Rnの接続点はそれぞれスイッチ回路SW1およびSW2に接続されている。スイッチ回路SW1は、抵抗R1,R2,・・・,Rnのうち指定された抵抗の両端を短絡し、さらに上記接続点の中から指定された接続点を演算増幅回路OPAの非反転入力端子に接続する働きをするものである。スイッチ回路SW2は、上記接続点の中から指定された接続点を選択して、その電位をソフトスタート回路2の入力に接続するものである。スイッチ回路SW1に選択された接続点とスイッチ回路SW2に選択された接続点は一致してもよいし一致しなくてもよい。スイッチ回路SW1およびSW2により抵抗列R1,R2,・・・,Rnをトリミングするとともに外部に取り出す接続点を選択できるようにして、精密に電圧を調整された第2の基準電圧Vref2を得ることができる。これにより、ソフトスタート回路2が誤差増幅器1に精度の高い基準電圧を供給することができる。
The circuit shown in FIG. 7 operates using the internal voltage Vreg as a power source. The reference voltage generation circuit REFER, the operational amplifier circuit OPA, the first switch circuit SW1, the second switch circuit SW2, the P-channel MOS transistor PM1, the resistor Rn, R2,..., Rn and
図7の回路におけるPチャネルMOSトランジスタPM1は演算増幅回路OPAの出力バッファの役目を果たすために電源制御IC中に設けられるもので、余裕をもった電流容量を確保するために、電源制御ICのチップサイズにおいて比較的大きな面積を占めることが多い。電源制御ICのチップサイズを重視する場合は、特許文献2にあるようにバッファトランジスタを使用せず、直接演算増幅回路OPAで抵抗列R1,R2,・・・,Rnを駆動する(電流を供給する)ことになる。この場合の構成を図8に示す。図8に示す回路は、図7のPチャネルMOSトランジスタPM1をなくして、図7ではPチャネルMOSトランジスタPM1に接続されていた抵抗R1の一端を演算増幅回路OPAの出力端子に直接接続したものである。また、PチャネルMOSトランジスタPM1がないと論理が逆転するので、図7に対し演算増幅回路OPAの反転入力端子と非反転入力端子を入れ替えている。それ以外は図7と同じである。この回路は演算増幅回路OPAの出力で直接抵抗列R1,R2,・・・,Rnを駆動するので、抵抗列に流すことのできる電流が限定される。
The P-channel MOS transistor PM1 in the circuit of FIG. 7 is provided in the power supply control IC to serve as an output buffer of the operational amplifier circuit OPA. In order to ensure a sufficient current capacity, The chip size often occupies a relatively large area. When emphasizing the chip size of the power supply control IC, the resistor strings R1, R2,..., Rn are directly driven by the operational amplifier circuit OPA (as a current is supplied), as described in
図9にスイッチ回路SW2の構成例を示す。図9において、スイッチ回路SW2は、トランスミッションゲートであるスイッチS1〜S(n−1)、インバータIV11〜IV1(n−1)および選択回路SELより構成されている。スイッチS1〜S(n−1)の一端は、抵抗R1とR2の接続点,・・・,抵抗R(n−1)とRnの接続点にそれぞれ接続され、他端は共通に接続されて出力Vref2となっている。選択回路SELの出力SE1〜SE(n−1)は、それぞれインバータIV11〜IVI(n−1)により反転された信号とともにスイッチS1〜S(n−1)のオン・オフを制御する。選択回路SELは外部より指示されたスイッチSjだけをオンさせるように対応する出力SjのみHとし、他の出力は全てLとする。これにより、抵抗RjとR(j−1)の接続点から得られる分圧が基準電圧Vref2としてスイッチ回路SW2から出力される。 FIG. 9 shows a configuration example of the switch circuit SW2. In FIG. 9, the switch circuit SW2 includes switches S1 to S (n-1) as transmission gates, inverters IV11 to IV1 (n-1), and a selection circuit SEL. One end of each of the switches S1 to S (n-1) is connected to a connection point between the resistors R1 and R2,..., A connection point between the resistors R (n-1) and Rn, and the other end is connected in common. The output is Vref2. Outputs SE1 to SE (n-1) of the selection circuit SEL control on / off of the switches S1 to S (n-1) together with signals inverted by the inverters IV11 to IVI (n-1), respectively. The selection circuit SEL sets the corresponding output Sj to H so that only the switch Sj instructed from the outside is turned on, and sets all other outputs to L. As a result, the divided voltage obtained from the connection point between the resistors Rj and R (j−1) is output from the switch circuit SW2 as the reference voltage Vref2.
一方、近年携帯電話など小型で複数の電源電圧を必要とする機器が増え、電源制御ICも複数の電圧に対応できる多出力タイプのものが求められるようになっている。多出力タイプの電源制御ICを用いた電源システムは、複数の電圧に対応するためにソフトスタート回路を含めて図4に示す回路が対応する電圧の数だけ必要である。なお、図4中の回路要素のうち、少なくとも誤差増幅器1,ソフトスタート回路2,三角波Voscを生成する発振器3,PWMコンパレータ4およびドライブ回路7は電源制御IC内に集積される。ソフトスタート回路2およびソフトスタート回路2の出力が入力される誤差増幅器1も対応する電圧の数だけ設けられることになるが、これらの複数の誤差増幅器のオフセット電圧を正確に一致させることはむずかしく、通常はそれぞれ別の値をもつ。従い、ソフトスタート信号の最終値である基準電圧の値Vref2もそれぞれの誤差増幅器のオフセット電圧をキャンセルして正確な出力電圧が得られるよう個別に設定する必要がある。これに対応する多出力タイプの電源制御ICのソフトスタート回路およびその入力電圧を与える回路の構成を図10,11に示す。
On the other hand, in recent years, the number of small devices such as mobile phones that require a plurality of power supply voltages has increased, and the power supply control IC is also required to have a multi-output type that can handle a plurality of voltages. A power supply system using a multi-output type power supply control IC requires as many voltages as the circuit shown in FIG. 4 including the soft start circuit to support a plurality of voltages. 4, at least the
図10はm種類の出力電圧に対応する多出力タイプの電源制御ICにおいて、m個のソフトスタート回路への入力電圧(基準電圧)Vref21〜Vref2mを生成する回路構成を示すもので、図7の一つのスイッチ回路SW2を複数のスイッチ回路SW21〜SW2mで置き換え抵抗列に対し並列に接続したものになっている。各スイッチ回路SW21〜SW2mはそれぞれ電圧Vref21〜Vref2mを出力する。また、各スイッチ回路SW21〜SW2mの構成は図9に示すスイッチ回路SW2のものと同じであるが、それぞれ対応する誤差増幅器のオフセット電圧を最もキャンセルできる電圧を選択して出力するよう機能する。そして、スイッチ回路SW21〜SW2mの出力電圧Vref21〜Vref2mは、図11に示すようにm個のソフトスタート回路21〜2mにそれぞれ入力される。各ソフトスタート回路21〜2mの構成は、図5に示すソフトスタート回路2のものと同じである。従い、各ソフトスタート回路2からは、対応する誤差増幅器にそれぞれソフトスタート信号Vs1〜Vsmの最終値として基準電圧Vref21〜Vref2mを与えることになる。
多出力タイプの電源制御ICに設けられた各ソフトスタート回路は、図5に示されるように入力端子VinとGNDの間に抵抗列が設けられているので、図11に示されるように入力端子Vinからスタート回路21〜2mにそれぞれ電流I1〜Imが常時流れている(Ij=Vref2j/(Rss1+・・・+Rssk))。この電流I1〜Imは、それぞれ図10に示すスイッチ回路SW21〜SW2mを介してPチャネルMOSトランジスタPM1のドレインから供給されている。
Since each soft start circuit provided in the multi-output type power supply control IC is provided with a resistor string between the input terminals Vin and GND as shown in FIG. 5, the input terminals as shown in FIG. Currents I1 to Im always flow from Vin to the
一方、図10において、複数の基準電圧Vref21〜Vref2mが同一の値でないことから、スイッチ回路SW21〜SW2mのうちいくつかはPチャネルMOSトランジスタPM1と抵抗R1との接続点以外の接続点を選択する。また、通常基準電圧Vref21〜Vref2mはVref1を降圧したものにすることから、PチャネルMOSトランジスタPM1と抵抗R1との接続点はスイッチ回路SW21〜SW2mにより選択されない場合が多い。従い、図10の抵抗R1には電流I1〜Imのうちいくつか、もしくは全ての電流が流れることになる。特に、上記のように、Vref1を降圧して基準電圧Vref21〜Vref2mを生成する場合は、電流I1〜Imの全ての電流が抵抗R1を流れる。この状態から以下の不具合が生じてしまう。
(1)抵抗R1における電圧降下が大きくなりすぎる。ソフトスタート回路の数だけ抵抗R1に流れる電流が大きくなるので、それだけ電圧降下が大きくなる。これにより、電圧VDDがさほど高くないと、演算増幅回路OPAやPチャネルMOSトランジスタPM1が対応できなる場合が生じうる(電圧Vref1に仮想短絡される演算増幅回路OPAの非反転入力端子の電位を基準に抵抗R1における電圧降下分を考えると、PチャネルMOSトランジスタPM1のドレイン電位が電圧VDDより大きい必要がある場合)。言い換えれば、ソフトスタート回路の数が増えると、これらを駆動できなくなってしまう。
(2)基準電圧Vref21〜Vref2mの値が不安定になる。各スイッチ回路SW21〜SW2mは、抵抗R1〜Rnに流れる電流は等しいか不変として分圧電圧の選択を行うが、この条件がくずれてしまう。図9において抵抗R1には電流I1〜Imの相当数もしくは全てが流れて最大の電流が流れ、抵抗Rnに流れる電流は電流I1〜Imには関係ないので最小のものとなり、抵抗R1〜Rnに流れる電流は等しくない。また、各ソフトスタート回路21〜2mが内蔵するコンデンサCssを充電中であるかないかで電流I1〜Imの値は変化する。すなわち、図5の回路において、コンデンサCssの両端電圧が入力Vinの電圧に等しく充電が終わっていれば、入力端子Vinに流れる電流は抵抗列Rss1〜Rsskに流れるものだけであるが、充電中であればこれにコンデンサCssを充電する電流が加わる。コンデンサCssの充電電流は、コンデンサCssの両端電圧がその充電最終値より低いほど大きい。これにより電流I1〜Imが変動するため、基準電圧Vref21〜Vref2mも変動してしまう。例えば、ソフトスタート回路2p(1≦p≦m)の動作が完了していてその出力電圧が一定値Vref2pを保っていても、その後から別のソフトスタート回路の動作が開始すると、その影響をうけて基準電圧Vref2pが変動してしまう。
(3)省電流に不向きである。まず、(1)で説明した抵抗R1による電圧降下を小さくするためには抵抗R1の抵抗値を下げる必要がある。その場合、抵抗列から適切な分圧を得るためには、他の抵抗R2〜Rnの抵抗値も下げる必要がある。これにより、抵抗列R1〜Rnを通ってGNDに流れる電流が増加してしまう。
On the other hand, in FIG. 10, since the plurality of reference voltages Vref21 to Vref2m are not the same value, some of the switch circuits SW21 to SW2m select connection points other than the connection point of the P-channel MOS transistor PM1 and the resistor R1. . Since the normal reference voltages Vref21 to Vref2m are obtained by stepping down Vref1, the connection points between the P-channel MOS transistor PM1 and the resistor R1 are often not selected by the switch circuits SW21 to SW2m. Accordingly, some or all of the currents I1 to Im flow through the resistor R1 in FIG. In particular, when the reference voltages Vref21 to Vref2m are generated by stepping down Vref1 as described above, all the currents I1 to Im flow through the resistor R1. The following problems occur from this state.
(1) The voltage drop at the resistor R1 becomes too large. Since the current flowing through the resistor R1 increases by the number of soft start circuits, the voltage drop increases accordingly. As a result, if the voltage VDD is not so high, the operational amplifier circuit OPA and the P-channel MOS transistor PM1 may be able to cope with the potential of the non-inverting input terminal of the operational amplifier circuit OPA virtually short-circuited to the voltage Vref1. When the voltage drop in the resistor R1 is considered, the drain potential of the P-channel MOS transistor PM1 needs to be higher than the voltage VDD). In other words, if the number of soft start circuits increases, these cannot be driven.
(2) The values of the reference voltages Vref21 to Vref2m become unstable. Each of the switch circuits SW21 to SW2m selects the divided voltage on the assumption that the currents flowing through the resistors R1 to Rn are equal or unchanged, but this condition is lost. In FIG. 9, the resistor R1 has a corresponding or all of the currents I1 to Im flowing to the maximum current, and the current flowing to the resistor Rn is irrelevant to the currents I1 to Im. The flowing currents are not equal. Further, the values of the currents I1 to Im change depending on whether or not the capacitor Css built in each
(3) Not suitable for current saving. First, in order to reduce the voltage drop due to the resistor R1 described in (1), it is necessary to lower the resistance value of the resistor R1. In that case, in order to obtain an appropriate voltage division from the resistor string, it is necessary to reduce the resistance values of the other resistors R2 to Rn. As a result, the current flowing through the resistor strings R1 to Rn to the GND increases.
また、上述のように電源制御ICのチップサイズを小さくするためにPチャネルMOSトランジスタPM1を省略すると、演算増幅回路OPAが直接抵抗列R1,R2,・・・,Rnを駆動することになる。ここで用いられる演算増幅回路OPAは、安定した電流供給を求められるために、図12に示す出力部の構成とすることが多い。図12に示す演算増幅器OPAの出力部は、電源VregとGNDの間に直列に接続された定電流源IoとNチャネルMOSトランジスタNM1からなり、定電流源IoとNチャネルMOSトランジスタNM1の接続点の電位が演算増幅回路OPAの出力信号Voutとなる。CSIGはNチャネルMOSトランジスタNM1を制御する制御信号である。定電流源Ioから供給される電流のうちNチャネルMOSトランジスタNM1に流れる電流を信号CSIGにより制御することにより、出力Voutから所定の電流を外部に供給する。従い、定電流源Ioから供給される定電流の値(これも便宜的にIoとする)は、電流I1〜Imの合計値以上である必要がある。Io=I1+・・・+Imであると、出力電流がこれ以上増やせず演算増幅回路OPAの動作に全く余裕がなくなるので、Io=(1+α)(I1+・・・+Im)となるよう定電流源Ioが設定される(α>0)。すなわち、ソフトスタート回路21〜2mに流入する電流I1+・・・+Im以外に、α(I1+・・・+Im)という電流を余計に消費することになる。この電流はソフトスタート回路の数、すなわち電源制御ICが対応する出力電圧の数が増えるほど大きくなる。
If the P-channel MOS transistor PM1 is omitted in order to reduce the chip size of the power supply control IC as described above, the operational amplifier circuit OPA directly drives the resistor strings R1, R2,. The operational amplifier circuit OPA used here is often configured as an output unit shown in FIG. 12 in order to obtain a stable current supply. The output section of the operational amplifier OPA shown in FIG. 12 includes a constant current source Io and an N channel MOS transistor NM1 connected in series between the power supply Vreg and GND, and a connection point between the constant current source Io and the N channel MOS transistor NM1. Is the output signal Vout of the operational amplifier circuit OPA. CSIG is a control signal for controlling the N-channel MOS transistor NM1. By controlling the current flowing in the N-channel MOS transistor NM1 among the currents supplied from the constant current source Io by the signal CSIG, a predetermined current is supplied to the outside from the output Vout. Accordingly, the value of the constant current supplied from the constant current source Io (also referred to as Io for convenience) needs to be equal to or greater than the total value of the currents I1 to Im. If Io = I1 +... + Im, the output current does not increase any more and there is no margin for the operation of the operational amplifier circuit OPA. Therefore, the constant current source Io is set so that Io = (1 + α) (I1 +. Is set (α> 0). That is, in addition to the current I1 +... + Im flowing into the
本発明は上記の点を鑑みてなされたものであり、その目的は上記の課題を解決して、安定した基準電圧を与えるとともに省電流をはかることができるソフトスタート回路およびそれを用いた半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to solve the above-described problems, provide a soft reference circuit capable of providing a stable reference voltage and saving current, and a semiconductor device using the same Is to provide.
そこで、上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、低電位側の第1の基準電圧と高電位側の第2の基準電圧の間に直列に接続された複数の抵抗からなる第1の抵抗列と、一端が複数の前記第1の抵抗列中の隣接した2つの抵抗を接続する接続点にそれぞれ接続される複数のスイッチ手段と、一端が第3の基準電圧に接続され他端が前記複数のスイッチ手段の他端に共通に接続されるコンデンサと、一端が前記コンデンサの他端に接続され他端が第4の基準電圧に接続される第1のスイッチ手段とを有し、コンデンサの他端を出力端子とするソフトスタート回路であることを特徴とする。
In order to solve the above problem, the invention according to
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明において、前記第1の基準電圧と前記第3の基準電圧が同じものであることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に係る発明において、前記第2の基準電圧と前記第1の抵抗列の間に第2のスイッチ手段を有し、前記第1のスイッチ手段と前記第2のスイッチ手段とを排他的にオン・オフさせることを特徴とする。
The invention according to
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the second switch means is provided between the second reference voltage and the first resistor string, and the first switch means The second switch means is exclusively turned on / off.
請求項4に係る発明は、外部電源から供給される電圧より内部電源電圧として前記第2の基準電圧を生成する内部電源と、第5の基準電圧を基に複数の前記第4の基準電圧を出力するトリミング回路および請求項1ないし3のいずれかに係る発明のソフトスタート回路を複数有し、前記複数の第4の基準電圧をそれぞれ複数の前記ソフトスタート回路の前記第2の基準電圧とする半導体装置であることを特徴とする。
Invention, the internal power supply for generating a second reference voltage, a fifth plurality reference voltage based on the previous SL fourth reference voltage as the internal power supply voltage than the voltage supplied from the external power source according to claim 4 And a plurality of soft start circuits of the invention according to any one of
請求項5に係る発明は、請求項4に係る発明において、前記トリミング回路は、第1の入力端子に前記第5の基準電圧が入力される演算増幅回路と、該演算増幅回路の出力と前記第1の基準電圧との間に直列に接続された複数の抵抗からなる第2の抵抗列と、前記第2の抵抗列中の隣接した2つの抵抗を接続する接続点の一つを選択してその電位をそれぞれ出力する複数のスイッチ回路を有し、前記演算増幅回路の出力または前記第2の抵抗列中の前記接続点のいずれかを前記演算増幅回路の第2の入力端子に接続するとともに、前記複数のスイッチ回路の出力をそれぞれ前記第4の基準電圧とすることを特徴とする。
The invention according to
請求項6に係る発明は、請求項4または5に係る発明において、前記複数のソフトスタート回路の出力をそれぞれ複数のスイッチング電源の誤差増幅回路の第1の入力端子に入力し、該誤差増幅回路の第2の入力端子にはスイッチング電源の出力電圧を検出したフィードバック電圧が入力され、前記複数のスイッチング電源はそれぞれの誤差増幅器の出力信号を基にスイッチング電源への入力電圧と出力端子とを接続するスイッチング手段のオン・オフ制御を行うことにより前記複数のソフトスタート回路の出力に応じた複数の出力電圧を生成することを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the invention according to
この発明のソフトスタート回路およびそれを用いた半導体装置は、抵抗列を駆動するとともにソフトスタート信号を立ち上げるためにコンデンサを充電する電源とソフトスタート信号の最終値である基準電圧を与える電源を別のものにしてスイッチ回路により切り換えることにより、安定した基準電圧を与えることができるともに省電流をはかることができる。 The soft start circuit and the semiconductor device using the same according to the present invention are configured such that a power supply for driving a resistor string and a capacitor for charging a soft start signal and a power supply for supplying a reference voltage which is a final value of the soft start signal are separated By switching the circuit using a switch circuit, it is possible to provide a stable reference voltage and save current.
以下、図面を用いて本発明について説明する。
図1は本発明のソフトスタート回路SSの第1の実施例である。図5と同じ部位には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。トランスミッションゲートTG1の一端が入力端子Vinではなく他の入力端子Vref(便宜的に入力端子Vrefへの入力電圧もVrefとする)に接続されているところが、図5に示すソフトスタート回路2と異なる。他の構成および動作は図5に示すソフトスタート回路2と同じである。この構成により、抵抗列Rss1,・・・,Rsskを駆動するとともにソフトスタート信号を立ち上げるためにコンデンサを充電する電源Vinと、ソフトスタート信号の最終値である基準電圧を与える電源Vrefとを別のものにすることができる。トランスミッションゲートTGk,TG(K−1),・・・,TG2のオンがこの順で順次シフトしていくことによりコンデンサCssの両端電圧を入力電圧Vrefに等しいもしくはその近傍にしてからトランスミッションゲートTG1をオン(他のトランスミッションゲートはオフ)するので、入力電圧Vrefはほとんど電流を消費しない(もしくはゼロである)。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of the soft start circuit SS of the present invention. The same parts as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The transmission gate TG1 is different from the
多出力タイプ(出力電圧数m)の電源制御ICに本発明のソフトスタート回路を適用するには、図2のように、m個のソフトスタート回路SS1〜SSmに入力電圧Vref21〜Vref2mおよび入力電圧Vregを入力すればよい。ここで、ソフトスタート回路SS1〜SSmの構成は、それぞれ図1に示すソフトスタート回路SSと同じであり、ソフトスタート回路SS1〜SSmの入力端子Vinに入力される入力電圧Vregは図7,8に示す内部電源LDOの出力である内部電圧である。また、ソフトスタート回路SS1〜SSmの入力端子Vrefに入力される入力電圧Vref21〜Vref2mは、従来と同様に図10の回路で生成する。上述のとおり各ソフトスタート回路SS1〜SSmのVref端子にはほとんど電流が流れない、もしくはゼロであるので、各Vref端子に流れる電流による抵抗R1の電圧降下は無視できるものとなる。従い、上述の課題(1)〜(3)を解消することができる。各ソフトスタート回路SS1〜SSmの入力端子Vinに流れる電流は内部電源LDOによって供給される。内部電源LDOはもともと電流容量にある程度余裕があるので、各入力端子Vinに供給する電流が加わってもICチップに占めるレイアウト面積が増えることはない。また、図12に示す回路のようにα倍(>0)の不要電流を必要とすることもないので、内部電源LDOの損失を従来のものより小さくすることができる。 In order to apply the soft start circuit of the present invention to a power supply control IC of a multi-output type (number of output voltages m), as shown in FIG. 2, input voltages Vref21 to Vref2m and input voltages are applied to m soft start circuits SS1 to SSm. What is necessary is just to input Vreg. Here, the configurations of the soft start circuits SS1 to SSm are the same as those of the soft start circuit SS shown in FIG. 1, and the input voltage Vreg input to the input terminals Vin of the soft start circuits SS1 to SSm is shown in FIGS. It is an internal voltage that is an output of the internal power supply LDO shown. Further, the input voltages Vref21 to Vref2m inputted to the input terminals Vref of the soft start circuits SS1 to SSm are generated by the circuit of FIG. As described above, almost no current flows through the Vref terminals of the respective soft start circuits SS1 to SSm, or zero, so that the voltage drop of the resistor R1 due to the current flowing through each Vref terminal is negligible. Accordingly, the above problems (1) to (3) can be solved. The current flowing through the input terminal Vin of each soft start circuit SS1 to SSm is supplied by the internal power supply LDO. Since the internal power supply LDO originally has a certain amount of current capacity, the layout area occupied in the IC chip does not increase even when a current supplied to each input terminal Vin is applied. Further, since the unnecessary current of α times (> 0) is not required unlike the circuit shown in FIG. 12, the loss of the internal power supply LDO can be made smaller than the conventional one.
各ソフトスタート回路SS1〜SSmの各出力端子SoftStartから出力されるソフトスタート信号Vs1〜Vsmを、それぞれ対応するスイッチング電源(構成は図4と同じ)の誤差増幅器1の非反転入力端子に入力すれば(図4のソフトスタート回路2を図2のソフトスタート回路SSi(1≦i≦m)に置き換える)、m種類の電圧を出力する電源システムを構成することができる。
If the soft start signals Vs1 to Vsm output from the output terminals SoftStart of the soft start circuits SS1 to SSm are respectively input to the non-inverting input terminals of the
図3は本発明のソフトスタート回路SSの第2の実施例である。図1と同じ部位には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。入力端子Vinと抵抗Rss1の間にトランスミッションゲートTG0が挿入されていて、トランスミッションゲートTG0とTG1が相補的にオン・オフするようになっている点が図1のものと異なる。すなわち、トランスミッションゲートTG0とTG1はいずれもシフトレジスタSRの出力Qkによりオン・オフが制御されるが、出力Qkおよび出力QkをインバータIV0,IV1で反転した信号の接続がトランスミッションゲートTG0とTG1が逆になっている。これにより、Qk=LであるとトランスミッションゲートTG0がオンし、TG1がオフする。この場合の動作は図1に示すソフトスタート回路の動作と同じである。一方、Qk=HになるとトランスミッションゲートTG0がオフし、TG1がオンする。図1に示すソフトスタート回路の動作と異なるのは、Qk=HになるとトランスミッションゲートTG0がオフして、入力端子Vinから抵抗列Rss1,・・・,Rsskにながれる電流をカットできるという点である。これにより、ソフトスタート回路SSおよびこれを適用した電源制御ICで消費する電流をさらに削減することができる。 FIG. 3 shows a second embodiment of the soft start circuit SS of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The transmission gate TG0 is inserted between the input terminal Vin and the resistor Rss1, and the transmission gates TG0 and TG1 are turned on and off in a complementary manner. In other words, transmission gates TG0 and TG1 are both turned on / off by the output Qk of the shift register SR, but the connection of signals obtained by inverting the outputs Qk and Qk by the inverters IV0 and IV1 is reversed between the transmission gates TG0 and TG1. It has become. Thereby, when Qk = L, the transmission gate TG0 is turned on and TG1 is turned off. The operation in this case is the same as the operation of the soft start circuit shown in FIG. On the other hand, when Qk = H, transmission gate TG0 is turned off and TG1 is turned on. The difference from the operation of the soft start circuit shown in FIG. 1 is that when Qk = H, the transmission gate TG0 is turned off, and the current flowing from the input terminal Vin to the resistor strings Rss1,..., Rssk can be cut. . Thereby, the current consumed by the soft start circuit SS and the power supply control IC to which the soft start circuit SS is applied can be further reduced.
なお、実施例2のソフトスタート回路についても、実施例1のソフトスタート回路と同様に多出力タイプ(出力電圧数m)の電源制御ICに適用し、さらにm種類の電圧を出力する電源システムを構成できることは言うまでもないことである。 The soft start circuit of the second embodiment is also applied to a multi-output type (number of output voltages m) power supply control IC as in the soft start circuit of the first embodiment, and a power supply system that outputs m kinds of voltages. It goes without saying that it can be configured.
1 誤差増幅器
2 ソフトスタート回路
3 発振器
4 PWMコンパレータ
5 PチャネルMOSFET
6 NチャネルMOSFET
7 ドライブ回路
8 インダクタ
9,15 コンデンサ
10,11,14 抵抗
Css コンデンサ
Io 定電流源
IV0〜IVk インバータ
IV11〜IV1(n−1) インバータ
LDO 内部電源
NM1 NチャネルMOSトランジスタ
OPA 演算増幅回路
PM1 PチャネルMOSトランジスタ
R1〜Rn 抵抗
REFER 基準電圧生成回路
Rss1〜Rssk 抵抗
S1〜S(n−1) トランスミッションゲート
SEL 選択回路
SS1〜SSm ソフトスタート回路
SoftStart ソフトスタート回路の出力端子
SR シフトレジスタ
SW1,SW2 スイッチ回路
TG0〜TGk トランスミッションゲート
Vin ソフトスタート回路の入力端子またはその入力電圧
Vref ソフトスタート回路の入力端子またはその入力電圧
Vref0 基準電圧
Vref1,Vref2 基準電圧
Vref21〜Vref2m 基準電圧
Vreg 内部電源LDOの出力である内部電圧
Vs,Vs1〜Vsm ソフトスタート信号
1
6 N-channel MOSFET
7 Drive circuit 8
Claims (6)
前記コンデンサの他端を出力端子とすることを特徴とするソフトスタート回路。 A first resistor string composed of a plurality of resistors connected in series between a first reference voltage on the low potential side and a second reference voltage on the high potential side, and one end in the plurality of first resistor strings A plurality of switch means respectively connected to a connection point connecting two adjacent resistors, and a capacitor having one end connected to the third reference voltage and the other end connected in common to the other ends of the plurality of switch means And first switch means having one end connected to the other end of the capacitor and the other end connected to a fourth reference voltage,
A soft start circuit characterized in that the other end of the capacitor is used as an output terminal.
前記複数の第4の基準電圧をそれぞれ複数の前記ソフトスタート回路の前記第2の基準電圧とすることを特徴とする半導体装置。 2. An internal power supply that generates the second reference voltage as an internal power supply voltage from a voltage supplied from an external power supply, a trimming circuit that outputs a plurality of the fourth reference voltages based on a fifth reference voltage, and A plurality of soft start circuits according to any one of 3 to 3;
The semiconductor device, wherein the plurality of fourth reference voltages are used as the second reference voltages of the plurality of soft start circuits, respectively.
前記演算増幅回路の出力または前記第2の抵抗列中の前記接続点のいずれかを前記演算増幅回路の第2の入力端子に接続するとともに、前記複数のスイッチ回路の出力をそれぞれ前記第4の基準電圧とすることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。 The trimming circuit includes an operational amplifier circuit in which the fifth reference voltage is input to a first input terminal, and a plurality of serially connected circuits between an output of the operational amplifier circuit and the first reference voltage. A plurality of switch circuits for selecting one of connection points connecting the two adjacent resistors in the second resistor row and outputting the potential thereof, respectively;
Either the output of the operational amplifier circuit or the connection point in the second resistor string is connected to the second input terminal of the operational amplifier circuit, and the outputs of the plurality of switch circuits are respectively connected to the fourth input terminal . The semiconductor device according to claim 4, wherein the semiconductor device is a reference voltage.
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