JP5350074B2 - Synchronous rectification type DC-DC converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、同期整流型DC−DCコンバータに関し、より詳細には、消費電流の少ない簡素な構成により、軽負荷時において出力側から入力側へ電流が逆流するのを防止する同期整流型DC−DCコンバータのスイッチング素子の制御に関する。 The present invention relates to a synchronous rectification type DC-DC converter. More specifically, the present invention relates to a synchronous rectification type DC-DC which prevents a current from flowing backward from an output side to an input side at a light load with a simple configuration with low current consumption. The present invention relates to control of a switching element of a DC converter.
入力電圧(DC)に関わりなく一定の出力電圧(DC)を供給するDC−DCコンバータとして、スイッチングレギュレータ方式とリニアレギュレータ方式とが知られている。スイッチングレギュレータ方式は、入力エネルギーをパルス状に供給して平滑化し、出力することにより、入出力間でのエネルギーの損失を減らすことができ、リニアレギュレータ方式と比較して変換効率が高い。代表的なスイッチングレギュレータ方式として、出力回路にインダクタとコンデンサとを有し、スイッチング素子として2つのMOSFETを用いてハーフブリッジを構成し、出力回路を駆動する同期整流型DC−DCコンバータが知られている。 As a DC-DC converter that supplies a constant output voltage (DC) regardless of the input voltage (DC), a switching regulator system and a linear regulator system are known. In the switching regulator method, input energy is supplied in a pulse form to be smoothed and output, whereby energy loss between the input and output can be reduced, and the conversion efficiency is higher than that of the linear regulator method. As a typical switching regulator system, there is known a synchronous rectification type DC-DC converter which has an inductor and a capacitor in an output circuit, forms a half bridge using two MOSFETs as a switching element, and drives the output circuit. Yes.
スイッチングレギュレータ方式は、DC−DCコンバータを構成する回路で発生する損失が負荷の大きさによって変化し、軽負荷時の効率が低いという問題があり、効率を改善するための様々な制御方式が提案されている。同期整流型DC−DCコンバータにおいても、軽負荷時において電流が出力側から入力側へと逆流し、効率が悪化するという問題があった。この問題を解決するため、インダクタに流れる電流、ローサイド側のスイッチング素子に流れる電流、またはローサイド側のスイッチング素子の端子電圧を監視して、電流が逆流するのを防止する制御が行われている(例えば、特許文献1参照)。 The switching regulator method has a problem that the loss generated in the circuit constituting the DC-DC converter varies depending on the size of the load and the efficiency at light load is low. Various control methods for improving the efficiency are proposed. Has been. The synchronous rectification type DC-DC converter also has a problem that the current flows backward from the output side to the input side at a light load, and the efficiency is deteriorated. In order to solve this problem, the current flowing in the inductor, the current flowing in the low-side switching element, or the terminal voltage of the low-side switching element is monitored to prevent the current from flowing backward ( For example, see Patent Document 1).
図1に、従来の同期整流型DC−DCコンバータの一例を示す。同期整流型DC−DCコンバータは、直流電源1に接続されたハイサイドMOSFET2と、グラウンド端子(GND)に接続されたローサイドMOSFET3とにより、ハーフブリッジを構成する。ハーフブリッジの出力には、インダクタ5と、出力コンデンサ6とを含む出力回路が接続され出力端子7に負荷が接続される。また、出力端子7の出力電圧Voを検出する電圧検出回路8と、インダクタ5に流れる電流を検出する電流検出回路9とを備えている。2つのMOSFETを駆動する制御回路10は、相互コンダクタンス増幅器11、電流比較器12、ワンショットパルス回路13、電流比較器14、およびANDゲート15より構成されている。
FIG. 1 shows an example of a conventional synchronous rectification type DC-DC converter. The synchronous rectification type DC-DC converter forms a half bridge by the
図1に示した同期整流型DC−DCコンバータは、インダクタ5に流れる電流を監視することにより、電流が出力側から入力側へと逆流するのを防止している。電流検出回路9は、インダクタ5に流れる電流に応じた電流帰還信号Ifbを生成し、電圧検出回路8は、出力電圧Voに応じた電圧帰還信号Vfbを生成する。相互コンダクタンス増幅器11は、電圧帰還信号Vfbと基準電圧Vrefの差分を反転増幅する。相互コンダクタンス増幅器11より得られた出力信号と、電流検出回路9により生成された電流帰還信号Ifbとは、電流比較器12に供給される。電流帰還信号Ifbが相互コンダクタンス増幅器11によって設定される閾値に達すると、電流比較器12は、ワンショットパルス回路13をトリップおよびトリガし、ハイサイドMOSFET2をオフにする。
The synchronous rectification type DC-DC converter shown in FIG. 1 prevents the current from flowing backward from the output side to the input side by monitoring the current flowing through the
ハイサイドMOSFET2をオフにすると、インダクタ5に流れる電流は減少し、ついにはインダクタ5の逆起電力により、電流の極性が反転する。このとき、電流比較器14に供給される電流帰還信号Ifbが基準電流Iref以上であれば、ローサイドMOSFET3はオンとなり、インダクタ電流ILを放電する。一方、電流帰還信号Ifbが基準電流Irefに満たないとき、すなわちインダクタ5に流れる電流の極性が反転し得るときは、ANDゲート15によってローサイドMOSFET3もオフとなり、電流が出力側から入力側へと逆流するのを防止している。
When the high-
しかしながら、図1に示した同期整流型DC−DCコンバータでは、電流検出回路9によりインダクタ5に流れる電流の極性反転を検出してから、電流比較器14およびANDゲート15によってローサイドMOSFET3をオフするまでに遅延時間を生じ、その間、電流が出力側から入力側へと逆流する。そこで、インダクタ5に流れる電流の逆流を抑制するためには、応答速度が高速で消費電流の多い比較器、ゲート回路を使用する必要があり、回路構成も複雑になってしまう。また、インダクタ5のインダクタンスが小さいときは、単位時間当たりの出力電流の変化量が大きくなり、応答速度が高速な回路素子であっても、電流検出精度が低下するという問題があった。
However, in the synchronous rectification type DC-DC converter shown in FIG. 1, the
一般的に、インダクタに流れる電流を検出するための電流検出器として、抵抗値の小さなセンス抵抗をインダクタと直列に接続する。しかし、センス抵抗による損失により変換効率が低下してしまう。そこで、電圧検出回路により検出された出力電圧からインダクタに流れる電流を推定し、電流検出器を用いない構成が提案されている(例えば、特許文献2参照)。しかしながら、制御回路の内部に電流値推定回路を設けなければならず、検出までの遅延時間が長くなるとともに、回路構成が複雑になるという問題もあった。 Generally, a sense resistor having a small resistance value is connected in series with an inductor as a current detector for detecting a current flowing through the inductor. However, the conversion efficiency decreases due to the loss due to the sense resistor. Therefore, a configuration has been proposed in which the current flowing through the inductor is estimated from the output voltage detected by the voltage detection circuit and the current detector is not used (see, for example, Patent Document 2). However, the current value estimation circuit must be provided inside the control circuit, and there are problems that the delay time until detection becomes long and the circuit configuration becomes complicated.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ローサイド側のスイッチング素子に流れる電流、またはインダクタに流れる電流を検出することなく、消費電流の少ない簡素な構成によりスイッチング素子の制御を行う同期整流型DC−DCコンバータを提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a simple configuration with low current consumption without detecting the current flowing through the switching element on the low side or the current flowing through the inductor. It is to provide a synchronous rectification type DC-DC converter which controls a switching element.
本発明は、このような目的を達成するために、直流電源(1)に接続された第1のスイッチング素子(2)およびグラウンド端子(GND)に接続された第2のスイッチング素子(3)により構成されたハーフブリッジと、該ハーフブリッジの出力に一方の端子が接続されたインダクタ(5)とを有する同期整流型DC−DCコンバータにおいて、前記インダクタの放電を行うための整流素子(4)と、前記第1のスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路(20)と、前記インダクタの他方の端子の出力電圧を検出する電圧検出回路(8)と、前記電流検出回路と前記電圧検出回路の検出結果に基づいて、前記第1および第2のスイッチング素子を制御する制御回路(30)とを備え、該制御回路は、前記出力電圧が所定の基準電圧を下回るのに応じて、前記第1および第2のスイッチング素子を相補的に駆動する第1の動作状態を開始し、前記出力電圧が前記所定の基準電圧を上回るのに応じて、前記第1および第2のスイッチング素子をオフする第2の動作状態を開始し、前記第1の動作状態において、前記制御回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が所定の基準電流値に満たないとき(t1-t2,t3-t4,t5-t6)には、前記第1のスイッチング素子をオンに、前記第2のスイッチング素子をオフにし、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達したとき(t2-t3,t4-t5)には、一定時間(T)の間、前記第1のスイッチング素子をオフに、前記第2のスイッチング素子をオンにすることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention includes a first switching element (2) connected to a DC power source (1) and a second switching element (3) connected to a ground terminal (GND). In a synchronous rectification type DC-DC converter having a configured half bridge and an inductor (5) having one terminal connected to the output of the half bridge, a rectifying element (4) for discharging the inductor; A current detection circuit (20) for detecting a current flowing through the first switching element, a voltage detection circuit (8) for detecting an output voltage of the other terminal of the inductor, the current detection circuit and the voltage detection circuit And a control circuit (30) for controlling the first and second switching elements based on the detection result of the first and second switching elements, wherein the control circuit has a predetermined reference voltage for the output voltage. In response to a drop in voltage, a first operation state is started in which the first and second switching elements are complementarily driven, and in response to the output voltage exceeding the predetermined reference voltage, A second operation state in which the first and second switching elements are turned off is started, and in the first operation state, the control circuit has a current flowing through the first switching element less than a predetermined reference current value; When (t1-t2, t3-t4, t5-t6), the first switching element is turned on, the second switching element is turned off, and the current flowing through the first switching element is When the reference current value is reached (t2-t3, t4-t5), the first switching element is turned off and the second switching element is turned on for a predetermined time (T). And
なお、前記第1の動作状態において、前記制御回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が所定の基準電流値に満たないとき(t1-t2,t3-t4,t5-t6)には、前記第1のスイッチング素子をオンに、前記第2のスイッチング素子をオフにし、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達したとき(t2-t3,t4-t5)には、前記出力電圧に応じた所定時間の間(Tx,Ty)、前記第1のスイッチング素子をオフに、前記第2のスイッチング素子をオンにすることができる。 In the first operating state, when the current flowing through the first switching element is less than a predetermined reference current value (t1-t2, t3-t4, t5-t6), the control circuit When the first switching element is turned on and the second switching element is turned off, and the current flowing through the first switching element reaches the predetermined reference current value (t2-t3, t4-t5) Can turn off the first switching element and turn on the second switching element for a predetermined time according to the output voltage (Tx, Ty).
また、前記電流検出回路(21)を、前記第1および第2のスイッチング素子をオフする期間において、動作を停止させてもよい。 Further, the operation of the current detection circuit (21) may be stopped during a period in which the first and second switching elements are turned off.
以上説明したように、本発明によれば、ローサイド側のスイッチング素子に流れる電流、またはインダクタに流れる電流を検出することなく、応答速度が高速で消費電流の多い回路素子を使用することなく、消費電流の少ない簡素な構成によりスイッチング素子の制御を行うことが可能となる。 As described above, according to the present invention, without detecting the current flowing through the switching element on the low side or the current flowing through the inductor, it is possible to consume without using a circuit element with a high response speed and high current consumption. The switching element can be controlled with a simple configuration with little current.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図2に、本発明の第1の実施形態にかかる同期整流型DC−DCコンバータの構成を示す。同期整流型DC−DCコンバータは、ソース端子が直流電源1に接続されたハイサイドMOSFET2と、ソース端子がグラウンド端子(GND)に接続されたローサイドMOSFET3とにより、ハーフブリッジを構成する。ハイサイドMOSFET2はPチャネル型、ローサイドMOSFET3はNチャネル型のMOSFETであり、それぞれスイッチング素子として機能する。ハイサイドMOSFET2のドレイン端子とローサイドMOSFET3のドレイン端子との接続点がハーフブリッジの出力となる。
(First embodiment)
FIG. 2 shows a configuration of the synchronous rectification type DC-DC converter according to the first embodiment of the present invention. The synchronous rectification type DC-DC converter forms a half bridge by a
ハーフブリッジの出力には、インダクタ5の一方の端子と、ダイオード4(整流素子)のカソード端子が接続されている。ダイオード4のアノード端子はGNDに接続されている。インダクタ5の他方の端子は、平滑用の出力コンデンサ6を介してGNDに接続され、さらに出力端子7を介して負荷が接続される。また、インダクタ5の他方の端子には、出力端子7の出力電圧Voを検出する電圧検出回路8が接続されている。
One terminal of the
電流検出回路20は、ハイサイドMOSFET2のソース−ドレイン端子間の電圧を監視する。電流検出回路20は、ハイサイドMOSFET2に流れる電流が所定の基準電流値Ipに達するのを検出して、トリガ信号Idetを生成する。電流検出回路20の具体例については、後述する。
The
2つのMOSFETを駆動する制御回路30は、ワンショットパルス回路31、比較器32、論理回路33および遅延回路36より構成されている。図3のタイミングチャートを参照しながら、制御回路30の構成と動作について説明する。なお、図3において、縦軸は電圧もしくは電流、横軸は時間を示している。
The
ワンショットパルス回路31は、電流検出回路20より供給されるトリガ信号Idetに基づいて、所定のパルス幅を有するワンショット信号Vpを生成する。具体的には、ワンショット信号Vpは次のように生成される。電流検出回路20よりトリガ信号Idetが供給されると、ワンショットパルス回路31内のMOSFET41がオンとなり、コンデンサ43に蓄積されたエネルギーが放電される。コンデンサの端子電圧Vcがインバータ44の閾値電圧Vop2より低くなると、ワンショット信号Vpはローからハイに切り替わる。トリガ信号Idetの供給がオフになると、MOSFET41がオフに切り替わり、直流電源より抵抗42を介してコンデンサ43への充電が開始される。コンデンサの端子電圧Vcがインバータ44の閾値電圧Vop2を超えると、ワンショット信号Vpはハイからローに切り替わる。コンデンサの端子電圧Vcが所定の値を超えるまでの時間は、コンデンサ43への充電時定数すなわち抵抗42とコンデンサ43の定数により決定される。このようにして、ワンショットパルス回路31は、一定のパルス幅を有するワンショット信号Vpを生成する。
The one-
電圧検出回路8は、出力端子7の出力電圧Voに基づく電圧帰還信号Vfbを生成する。生成された電圧帰還信号Vfbは、制御回路30内の比較器32に供給される。比較器32は、電圧帰還信号Vfbと基準電圧信号Vrefとを比較して誤差信号Veを生成する。比較器32は、電圧帰還信号Vfbが基準電圧信号Vrefより低いとハイ、電圧帰還信号Vfbが基準電圧信号Vrefより高いとローとなる誤差信号Veを生成する。誤差信号Veは、遅延回路36に供給され、遅延回路36は誤差信号Veを遅延させた遅延信号Vedを生成する。
The
論理回路33には、ワンショット信号Vpおよび遅延信号Vedが供給される。論理回路33は、ワンショット信号Vpおよび遅延信号Vedに基づいて、ハイサイドMOSFET2の駆動信号VhおよびローサイドMOSFET3の駆動信号Vlを生成する。論理回路33は、NANDゲート51、52、インバータ53、54より構成されている。NANDゲート51には、遅延信号Vedとワンショット信号Vpをインバータ53で反転した信号が供給される。NANDゲート51の出力信号は、駆動信号VhとしてハイサイドMOSFET2のゲートに供給される。一方、NANDゲート52には、遅延信号Vedとワンショット信号Vpが供給される。NANDゲート52の出力信号をインバータ54により反転した信号が、駆動信号VlとしてローサイドMOSFET3のゲートに供給される。
The
論理回路33に供給される遅延信号VedがNANDゲート51、52の閾値電圧Vop1に満たないとき、ワンショット信号Vpの状態によらずNANDゲート51および52の出力はハイとなる。よって、駆動信号Vhはハイ、駆動信号Vlはローとなるため、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3はオフとなる。遅延信号Vedが閾値電圧Vop1より大きく、ワンショット信号Vpがローのとき、NANDゲート51の出力はロー、NANDゲート52の出力はハイとなる。よって、駆動信号VhおよびVlはローとなるため、ハイサイドMOSFET2がオンとなり、ローサイドMOSFET3はオフとなる。遅延信号Vedが閾値電圧Vop1より大きく、ワンショット信号Vpがハイのとき、NANDゲート51の出力はハイ、NANDゲート52の出力はローとなる。よって、駆動信号VhおよびVlはハイとなるため、ローサイドMOSFET3がオンとなり、ハイサイドMOSFET2はオフとなる。
When the delay signal Ved supplied to the
次に、図3のタイミングチャートを参照しながら、制御回路30の動作を時系列に説明する。時刻taにおいて、電圧帰還信号Vfbが基準電圧信号Vrefより低くなり、誤差信号Veがローからハイに切り替わる。すると、誤差信号Veを遅延させた遅延信号Vedは徐々に増加していく。時刻taから遅延時間Td1が経過した時刻t1になると、遅延信号Vedが閾値電圧Vop1より大きくなる。このとき、ハイサイドMOSFET2を流れる電流は所定の基準電流値Ip以下であり、ワンショット信号Vpはローのままである。よって、論理回路33により生成される駆動信号VhおよびVlはローとなる。すなわち、ハイサイドMOSFET2はオン、ローサイドMOSFET3はオフとなり、インダクタ電流ILは徐々に上昇していく。
Next, the operation of the
時刻t2において、ハイサイドMOSFET2に流れる電流が所定の基準電流値Ipに達する。電流検出回路20は、制御回路30内のワンショットパルス回路31にトリガ信号Idetを供給する。論理回路33に供給されるワンショット信号Vpは、ローからハイに切り替わる。よって、論理回路33により生成される駆動信号VhおよびVlはハイとなる。すなわち、ハイサイドMOSFET2はオフ、ローサイドMOSFET3はオンとなり、インダクタ電流ILは、ローサイドMOSFET3を通って放電される。
At time t2, the current flowing through the high-
時刻t2から一定時間Tが経過した時刻t3になると、ワンショット信号Vpはハイからローへと切り替わる。遅延信号Vedは閾値電圧Vop1より大きい状態を維持しているため、再びハイサイドMOSFET2はオン、ローサイドMOSFET3はオフとなり、インダクタ電流ILが上昇していく。一定時間Tは上述したように、コンデンサ43への充電時定数で決定される。時刻tbにおいて、電圧帰還信号Vfbが基準電圧信号Vrefより大きくなり、誤差信号Veがハイからローに切り替わる。すると、誤差信号Veを遅延させた遅延信号Vedは徐々に減少していく。時刻t4になると、再びハイサイドMOSFET2に流れる電流が所定の基準電流値Ipに達する。遅延信号Vedは閾値電圧Vop1より大きい状態を維持しており、時刻t2のとき同様に動作し、ハイサイドMOSFET2はオフ、ローサイドMOSFET3はオンとなる。時刻t4から一定時間Tが経過した時刻t5になると、ワンショット信号Vpはハイからローへと切り替わる。遅延信号Vedは閾値電圧Vop1より大きい状態を維持しており、時刻t3のとき同様に動作し、ハイサイドMOSFET2はオン、ローサイドMOSFET3はオフとなる。
At time t3 when a certain time T has elapsed from time t2, the one-shot signal Vp switches from high to low. Since the delay signal Ved maintains a state larger than the threshold voltage Vop1, the high-
時刻t1からt6間においては、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3を相補的に制御している。また、ワンショット信号Vpに基づいて、ローサイドMOSFET3のオン時間、すなわちハイサイドMOSFET2のオフ時間を一定になるように制御している。この期間中、出力電圧Voは徐々に増加していく。このように、ハイサイドMOSFET2のオフ時間一定制御は、遅延信号Vedが閾値電圧Vop1より大きい状態において行われる。
Between the time t1 and t6, the
時刻tbから遅延時間Td2が経過した時刻t6になると、遅延信号Vedは閾値電圧Vop1より小さくなる。すると、論理回路33により生成される駆動信号Vhはハイ、駆動信号Vlはローとなる。すなわち、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3のいずれもオフとなり、ダイオード4によって、インダクタ電流ILの放電がなされ、徐々にインダクタ電流ILが減少する。
At time t6 when the delay time Td2 has elapsed from time tb, the delay signal Ved becomes smaller than the threshold voltage Vop1. Then, the drive signal Vh generated by the
時刻t7において、インダクタ電流ILが0となる。ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3のいずれもオフ状態を維持しており、出力電流が逆流するのを防止している。出力電圧Voは徐々に減少し、Vfb<Vrefとなった後、再び遅延信号Vedが閾値電圧Vop1より大きくなるまで、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3はオフ状態を保持する。このような動作を繰り返すことで、負荷に安定した電圧を供給することができる。
At time t7, the inductor current IL becomes zero. Both the high-
遅延回路36は、電圧検出回路8の検出結果を立上りの遅延時間Td1、立下りの遅延時間Td2だけ遅延しており、ハイサイドおよびローサイドMOSFET2,3で発生するスイッチングノイズによって比較器32の出力が変化するのを防止している。このように、遅延回路36はスイッチングノイズの影響を低減し、ハイサイドおよびローサイドMOSFETがスイッチングノイズによって誤動作することを防いでいる。
The
遅延回路36の遅延時間の設定について、最短時間と最長時間に分けて説明する。最初に、上述のスイッチングノイズをより詳細に説明する。同期整流DCDCコンバータは、スイッチング時に貫通電流を防ぐため、ハイサイドおよびローサイドMOSFET2,3のオン/オフが切り替わる際、瞬間的に両方のMOSFETともオフの期間が生じるようにしている。この期間は、出力段のインダクタ5、出力コンデンサ6、ハイサイドおよびローサイドMOSFET2,3の寄生素子が原因となるノイズを発生する。このノイズは、電圧帰還信号Vfbに重畳されるので、比較器32がノイズに反応しないようにするために、遅延を与える必要がある。
The setting of the delay time of the
ハイサイドMOSFET2がオンした後、オフしてから再びオンするまでの期間を1サイクルとした場合、ハイサイドおよびローサイドMOSFET2,3が相補動作する状態(第1の動作状態)が、すくなくとも1サイクル以上続くように、電圧帰還信号Vfbを遅延させることが望ましい。これは、ハイサイドおよびローサイドMOSFET2,3のいずれもがオフの状態(第2の動作状態)の時間を短くすることを目的としている。具体的には、図3のt1からt7の期間に対するt6からt7の期間を短くすることに相当する。第2の動作状態に入ると、インダクタ5に蓄えられた電力は、ダイオード4を経由して放出される。ダイオード4を経路とする場合の損失は、ローサイドMOSFET3を経路とする場合と比べて大きいため、効率改善のためには、ダイオード4を経由してインダクタ5の電力が放出される状態の単位時間当たりの発生回数を減らす必要がある。従って、遅延時間の最短時間は、第1の動作状態が、すくなくとも1サイクル以上続くように、電圧帰還信号Vfbを遅延させるだけの時間である。
When the period from when the high-
一方、比較器32の応答遅延による電圧降下は、出力電圧振幅変動(リップル)の原因となる。そこで、遅延時間の最長時間は、少なくとも設計仕様で規定されたリップルより小さくするだけの応答時間にする必要がある。
On the other hand, the voltage drop due to the response delay of the
上述したように、遅延信号Vedが閾値電圧Vop1より大きいときには、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3は相補的に動作する。このとき、各スイッチング素子の制御はハイサイドMOSFET2に流れる電流に応じて制御される。具体的には、ハイサイドMOSFET2を流れる電流が所定の基準電流値Ipに達したのを検出すると、ハイサイドMOSFET2を一定期間オフとする。よって、ハイサイドMOSFET2のオン期間を可変にした制御が行われる。この期間中、出力電圧Voは徐々に増加していく。
As described above, when the delay signal Ved is larger than the threshold voltage Vop1, the
電圧帰還信号Vfb>基準電圧信号Vrefとなった後、遅延信号Vedが閾値電圧Vop1より小さくなると、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3のいずれもオフとする。このとき、ダイオード4を通してインダクタ電流ILが放電され、インダクタ電流ILが逆流するのを防止することができる。このように、帰還電圧信号Vfbが基準電圧信号refを下回るのに応じて、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3を相補動作させる動作状態(第1の動作状態)となる。また、帰還電圧信号Vfbが基準電圧信号refを上回るのに応じて、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3のいずれもオフとする動作状態(第2の動作状態)となる。本実施形態によれば、インダクタ5に流れる電流の極性反転を検出する必要がなく、応答速度が高速な回路素子を使用する必要もない。
After the voltage feedback signal Vfb> reference voltage signal Vref, when the delay signal Ved becomes smaller than the threshold voltage Vop1, both the high-
図4に、本発明の第1の実施形態にかかる電流検出回路の構成を示す。電流検出回路20は、ハイサイドMOSFET2のドレイン電圧とローサイドMOSFET3のドレイン電圧を比較して、ハイサイドMOSFET2のドレイン電圧がローサイドMOSFET3のドレイン電圧を下回ったとき、ピーク検出のトリガ信号Idetを出力する。電流検出回路20は、ハイサイドMOSFET2に対してある比率をもったMOSFET62を備え、MOSFET62に定電流源64から定電流Irefを流すことにより基準電圧を発生させる。この基準電圧とハイサイドMOSFET2のドレイン電圧とを、比較器61により比較して、トリガ信号Idetを生成する。
FIG. 4 shows the configuration of the current detection circuit according to the first embodiment of the present invention. The
ハイサイドMOSFET2がオフの間は、ローサイドMOSFET3がオンするため、図4の端子LXの電位は、ほぼGNDに等しくなる。このとき、比較器61の入力を端子LXに接続したままであると、比較器61は、大電流が流れていると誤認して、トリガ信号Idetを生成する。そこで、MOSFET62と定電流源64に並行に、ダミーのMOSFET63と定電流源65を接続し、ダミーのMOSFET63のドレインとハイサイドMOSFET2のドレインとの間に切り離し用のMOSFET66を挿入する。これにより、ハイサイドMOSFET2がオフのとき、ハイサイドMOSFET2のドレイン端子と比較器61の入力端子を切り離す。ハイサイドMOSFET2がオフの間は、切り離し用のMOSFET66もオフにして、比較器61の入力端子には、ダミーのMOSFET63で決まる電圧に固定する。
Since the low-
(第2の実施形態)
図5に、本発明の第2の実施形態にかかる同期整流型DC−DCコンバータの構成を示す。第2の実施形態は、第1の実施形態と比較すると、電流検出回路21および制御回路60の構成が異なる。第1の実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。第2の実施形態は、ワンショットパルス回路34により生成されるワンショット信号Vp’のパルス幅を、出力電圧Voに応じて可変させる構成とした。
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows a configuration of a synchronous rectification type DC-DC converter according to a second embodiment of the present invention. The second embodiment differs from the first embodiment in the configurations of the
電流検出回路21は、ハイサイドMOSFET2のソース−ドレイン端子間の電圧を監視する。電流検出回路21は、ハイサイドMOSFET2に流れる電流が所定のピーク値Ipに達するのを検出して、トリガ信号Idetを生成するものである。電流検出の方法は、第1の実施形態と同じである。電流検出回路21には、イネーブル端子を設けてあり、誤差信号Veを遅延回路36で遅延した遅延信号Vedがイネーブル信号として供給される。これにより、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3のいずれもオフとなる期間に電流検出回路21の動作を停止させ、消費電力の低減を図る。また、電流検出回路21は、遅延信号Vedに応じて作動信号Vactを生成する。作動信号Vactは、電流検出回路21が動作していることを表す信号であり、制御回路60に出力される。
The
2つのMOSFETを駆動する制御回路60は、ワンショットパルス回路34、比較器32、ANDゲート35、論理回路33および遅延回路36より構成されている。図6のタイミングチャートを参照しながら、制御回路60の構成と動作について説明する。なお、図6において、縦軸は電圧もしくは電流、横軸は時間を示している。
The
ワンショットパルス回路34は、電流検出回路21より供給されるトリガ信号Idetおよび出力電圧Voが供給される。ワンショットパルス回路34は、トリガ信号Idetに基づいて、出力電圧Voに応じてパルス幅が可変するワンショット信号Vp’を生成する。ワンショット信号Vp’は、出力電圧Voが大きいほど、パルス幅が短くなる信号であり、ワンショット信号Vp’のパルス幅は、出力電圧Voの大きさに反比例する。なお、ワンショットパルス回路34には、出力電圧Voを入力してもよいし、電圧帰還信号Vfbを入力してもよい。
The one-
制御回路60には、ANDゲート35が追加されている。ANDゲート35には、遅延回路36により生成される遅延信号Vedと作動信号Vactが供給される。論理回路33には、ANDゲート35より供給される遅延信号Ved’およびワンショット信号Vp’が供給され、遅延信号Ved’およびワンショット信号Vp’に応じて駆動信号VhおよびVlが生成される。
An AND
次に、図6のタイミングチャートを参照しながら、制御回路60の動作を時系列に説明する。時刻taにおいて、電圧帰還信号Vfbが基準電圧信号Vrefより低くなり、誤差信号Veがローからハイに切り替わる。すると、誤差信号Veを遅延させた遅延信号Vedは徐々に増加していく。時刻taから遅延時間Td1が経過した時刻t1になると、遅延信号VedがANDゲート35の閾値電圧Vop3より大きくなる。また、電流検出回路21は遅延信号Vedが閾値電圧Vop3を越えるのを感知して起動し、電流検出回路21が動作していることを表す作動信号Vactはローからハイに切り替わり、ANDゲート35の出力である誤差信号Ved’はローからハイに切り替わる。このとき、ハイサイドMOSFET2を流れる電流は所定の基準電流値Ip以下であり、ワンショット信号Vp’はローのままである。よって、論理回路33により生成される駆動信号VhおよびVlはローとなる。すなわち、ハイサイドMOSFET2はオン、ローサイドMOSFET3はオフとなり、インダクタ電流ILは徐々に上昇していく。
Next, the operation of the
時刻t2において、ハイサイドMOSFET2に流れる電流が所定の基準電流値Ipに達する。電流検出回路21は、制御回路60内のワンショットパルス回路34にトリガ信号Idetを供給する。ワンショットパルス回路34は、トリガ信号Idetが供給された時点における出力電圧Voに応じた所定のパルス幅Txを有するワンショット信号Vp’を生成する。よって、論理回路33により生成される駆動信号VhおよびVlはハイとなる。すなわち、ハイサイドMOSFET2はオフ、ローサイドMOSFET3はオンとなり、インダクタ電流ILは、ローサイドMOSFET3を通って放電される。
At time t2, the current flowing through the high-
時刻t2から所定時間Txが経過した時刻t3になると、ワンショット信号Vp’はハイからローへと切り替わる。遅延信号Ved’はハイの状態を維持しているため、再びハイサイドMOSFET2はオン、ローサイドMOSFET3はオフとなり、インダクタ電流ILが上昇していく。時刻tbにおいて、電圧帰還信号Vfbが基準電圧信号Vrefより大きくなり、誤差信号Veがハイからローに切り替わる。すると、誤差信号Veを遅延させた遅延信号Vedは徐々に減少していく。時刻t4になると、再びハイサイドMOSFET2に流れる電流が所定の基準電流値Ipに達する。ワンショットパルス回路34は、トリガ信号Idetが供給された時点における出力電圧Voに応じた所定のパルス幅Tyを有するワンショット信号Vp’を生成する。遅延信号Vedは閾値電圧Vop3より大きく、遅延信号Ved’はハイの状態を維持しており、時刻t2のとき同様に動作し、ハイサイドMOSFET2はオフ、ローサイドMOSFET3はオンとなる。
At time t3 when a predetermined time Tx has elapsed from time t2, the one-shot signal Vp ′ is switched from high to low. Since the delay signal Ved 'maintains the high state, the high-
時刻t4から所定時間Tyが経過した時刻t5になると、ワンショット信号Vp’はハイからローへと切り替わる。遅延信号Ved’はハイの状態を維持しており、時刻t3のとき同様に動作し、ハイサイドMOSFET2はオン、ローサイドMOSFET3はオフとなる。
At time t5 when a predetermined time Ty has elapsed from time t4, the one-shot signal Vp ′ is switched from high to low. The delay signal Ved 'maintains a high state and operates in the same manner at time t3, and the high-
時刻tbから遅延時間Td2が経過した時刻t6になると、遅延信号Vedは閾値電圧Vop3より小さくなり、遅延信号Ved’がハイからローに切り替わる。電流検出回路21は、遅延信号Vedが閾値電圧Vop3を下回ると動作停止し、作動信号Vactはハイからローに切り替わる。よって、論理回路33により生成される駆動信号Vhはハイとなり、駆動信号Vlはローとなる。すなわち、ハイサイドMOSFET2はオフおよびローサイドMOSFET3のいずれもオフとなり、ダイオード4によって、インダクタ電流ILの放電がなされ、徐々にインダクタ電流ILが減少する。
At time t6 when the delay time Td2 has elapsed from time tb, the delay signal Ved becomes smaller than the threshold voltage Vop3, and the delay signal Ved 'is switched from high to low. The
時刻t7において、インダクタ電流ILが0となる。ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3のいずれもオフ状態を維持しており、出力電流が逆流するのを防止している。出力電圧Voは徐々に減少し、Vfb<Vrefとなった後、再び遅延信号Vedが閾値電圧Vop3より大きくなり、作動信号Vactがローからハイに切り替わるまで、ハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3はオフ状態を保持する。このような動作を繰り返すことで、負荷に安定した電圧を供給することができる。また、ハイサイドおよびローサイドMOSFETをいずれもオフする動作状態、すなわち電流検出を行う必要のない期間において、電流検出回路21には動作を停止させ、消費電力の低減を図っている。
At time t7, the inductor current IL becomes zero. Both the high-
上述したように、出力電圧Voに応じた所定のパルス幅を有するワンショット信号Vp’を生成するので、ハイサイドMOSFET2をオンにし、ローサイドMOSFET3をオフにするタイミングを精度よく制御することができる。第1の実施形態では、インダクタ電流ILが所定の基準電流値Ipに達すると、ローサイドMOSFET3が一定時間オンする。このとき、インダクタ5に流れる電流の変化分は、出力電圧Voが大きいほど大きくなる(ΔIL/Δt=Vo/L)。このため、ローサイドMOSFET3のオン時間が一定の場合、出力電圧Voの大きさによって、インダクタ電流ILの下限値がばらついてしまう。第2の実施形態では、出力電圧Voに応じてローサイドMOSFET3のオン時間を変化させることにより、インダクタ電流ILの下限値のばらつきを抑えることができる。これにより、インダクタ電流ILのリプルの変動を抑制し、より効率よく動作させることができる。
As described above, since the one-shot signal Vp ′ having a predetermined pulse width corresponding to the output voltage Vo is generated, the timing at which the high-
また、電流検出回路21を起動させている必要のない期間、すなわちハイサイドMOSFET2およびローサイドMOSFET3がいずれもオフとなる期間、電流検出回路21の動作を停止させるので、電流検出回路21と制御回路60とを含むスイッチング素子制御回路全体の消費電流を低減することができる。
Further, since the operation of the
本実施形態によれば、出力側から入力側へ電流が逆流するのを防止するために、応答速度が高速で消費電流の多い回路素子を使用する必要はなくなり、消費電流の少ない簡素な構成により、同期整流型DC−DCコンバータのスイッチング素子の制御を行うことができる。 According to this embodiment, in order to prevent the current from flowing back from the output side to the input side, it is not necessary to use a circuit element with a high response speed and a large current consumption, and a simple configuration with a small current consumption. The switching element of the synchronous rectification type DC-DC converter can be controlled.
なお、第1および第2の実施形態において、誤差信号Veを遅延させるために遅延回路36を用いたが、遅延回路36を用いずに比較器32自体の動作遅延を利用してもよい。また、遅延回路36を用いずに比較器32に位相補償を行う構成としても良い。また、遅延回路36を用いずに、比較器32をヒステリシスコンパレータとしてもよい。
In the first and second embodiments, the
1 直流電源
2 ハイサイドMOSFET
3 ローサイドMOSFET
4 ダイオード
5 インダクタ
6 出力コンデンサ
7 出力端子
8 電圧検出回路
9,20,21 電流検出回路
10,30,60 制御回路
11 相互コンダクタンス増幅器
12,14 電流比較器
13,31,34 ワンショットパルス回路
15,35 ANDゲート
32 比較器
33 論理回路
36 遅延回路
1
3 Low-side MOSFET
4
Claims (9)
前記インダクタの放電を行うための整流素子と、
前記第1のスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記インダクタの他方の端子の出力電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電流検出回路と前記電圧検出回路の検出結果に基づいて、前記第1および第2のスイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
該制御回路は、前記出力電圧が所定の基準電圧を下回るのに応じて、前記第1および第2のスイッチング素子を相補的に駆動する第1の動作状態を開始し、前記出力電圧が前記所定の基準電圧を上回るのに応じて、前記第1および第2のスイッチング素子をオフする第2の動作状態を開始し、
前記第1の動作状態において、前記制御回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が所定の基準電流値に満たないときには、前記第1のスイッチング素子をオンに、前記第2のスイッチング素子をオフにし、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達したときには、一定時間の間、前記第1のスイッチング素子をオフに、前記第2のスイッチング素子をオンにすることを特徴とする同期整流型DC−DCコンバータ。 Synchronous rectification having a half bridge composed of a first switching element connected to a DC power source and a second switching element connected to a ground terminal, and an inductor having one terminal connected to the output of the half bridge Type DC-DC converter
A rectifying element for discharging the inductor;
A current detection circuit for detecting a current flowing through the first switching element;
A voltage detection circuit for detecting an output voltage of the other terminal of the inductor;
A control circuit for controlling the first and second switching elements based on a detection result of the current detection circuit and the voltage detection circuit;
The control circuit starts a first operation state in which the first and second switching elements are complementarily driven in response to the output voltage falling below a predetermined reference voltage, and the output voltage is set to the predetermined voltage. A second operating state for turning off the first and second switching elements in response to exceeding a reference voltage of
In the first operation state, when the current flowing through the first switching element is less than a predetermined reference current value, the control circuit turns on the first switching element and turns on the second switching element. When the current flowing through the first switching element reaches the predetermined reference current value, the first switching element is turned off and the second switching element is turned on for a certain period of time. The synchronous rectification type DC-DC converter characterized by this.
前記電流検出回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達すると、トリガ信号を前記ワンショットパルス回路に供給し、
前記ワンショットパルス回路は、前記トリガ信号に応じて前記一定時間のワンショット信号を生成し、
前記比較器は、前記電圧検出回路の検出結果と前記所定の基準電圧とに基づいて誤差信号を生成し、
前記遅延回路は、前記誤差信号を遅延させた遅延信号を生成し、
前記論理回路は、前記ワンショット信号と前記遅延信号とに基づいて前記第1および第2のスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項1に記載の同期整流型DC−DCコンバータ。 The control circuit includes a one-shot pulse circuit, a comparator, a logic circuit, and a delay circuit,
When the current flowing through the first switching element reaches the predetermined reference current value, the current detection circuit supplies a trigger signal to the one-shot pulse circuit,
The one-shot pulse circuit generates the one-shot signal for the predetermined time according to the trigger signal,
The comparator generates an error signal based on a detection result of the voltage detection circuit and the predetermined reference voltage;
The delay circuit generates a delayed signal obtained by delaying the error signal;
2. The synchronous rectification type DC-DC converter according to claim 1, wherein the logic circuit controls the first and second switching elements based on the one-shot signal and the delay signal.
前記電流検出回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達すると、トリガ信号を前記ワンショットパルス回路に供給し、
前記ワンショットパルス回路は、前記トリガ信号に応じて前記一定時間のワンショット信号を生成し、
前記比較器は、位相補償がなされており、前記電圧検出回路の検出結果と前記所定の基準電圧とに基づいて誤差信号を生成し、
前記論理回路は、前記ワンショット信号と前記誤差信号とに基づいて前記第1および第2のスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項1に記載の同期整流型DC−DCコンバータ。 The control circuit includes a one-shot pulse circuit, a comparator, and a logic circuit.
When the current flowing through the first switching element reaches the predetermined reference current value, the current detection circuit supplies a trigger signal to the one-shot pulse circuit,
The one-shot pulse circuit generates the one-shot signal for the predetermined time according to the trigger signal,
The comparator is phase-compensated and generates an error signal based on the detection result of the voltage detection circuit and the predetermined reference voltage,
2. The synchronous rectification type DC-DC converter according to claim 1, wherein the logic circuit controls the first and second switching elements based on the one-shot signal and the error signal.
前記電流検出回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達すると、トリガ信号を前記ワンショットパルス回路に供給し、
前記ワンショットパルス回路は、前記トリガ信号に応じて前記一定時間のワンショット信号を生成し、
前記ヒステリシスコンパレータは、前記電圧検出回路の検出結果と前記所定の基準電圧に基づいて誤差信号を生成し、
前記論理回路は、前記ワンショット信号と前記誤差信号に基づいて前記第1および第2のスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項1に記載の同期整流型DC−DCコンバータ。 The control circuit is composed of a one-shot pulse circuit, a hysteresis comparator, and a logic circuit,
When the current flowing through the first switching element reaches the predetermined reference current value, the current detection circuit supplies a trigger signal to the one-shot pulse circuit,
The one-shot pulse circuit generates the one-shot signal for the predetermined time according to the trigger signal,
The hysteresis comparator generates an error signal based on the detection result of the voltage detection circuit and the predetermined reference voltage,
2. The synchronous rectification type DC-DC converter according to claim 1, wherein the logic circuit controls the first and second switching elements based on the one-shot signal and the error signal.
前記インダクタの放電を行うための整流素子と、
前記第1のスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記インダクタの他方の端子の出力電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電流検出回路と前記電圧検出回路の検出結果に基づいて、前記第1および第2のスイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
該制御回路は、前記出力電圧が所定の基準電圧を下回るのに応じて、前記第1および第2のスイッチング素子を相補的に駆動する第1の動作状態を開始し、前記出力電圧が前記所定の基準電圧を上回るのに応じて、前記第1および第2のスイッチング素子をオフする第2の動作状態を開始し、
前記第1の動作状態において、前記制御回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が所定の基準電流値に満たないときには、前記第1のスイッチング素子をオンに、前記第2のスイッチング素子をオフにし、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達したときには、前記出力電圧に応じた所定時間の間、前記第1のスイッチング素子をオフに、前記第2のスイッチング素子をオンにすることを特徴とする同期整流型DC−DCコンバータ。 Synchronous rectification having a half bridge composed of a first switching element connected to a DC power source and a second switching element connected to a ground terminal, and an inductor having one terminal connected to the output of the half bridge Type DC-DC converter
A rectifying element for discharging the inductor;
A current detection circuit for detecting a current flowing through the first switching element;
A voltage detection circuit for detecting an output voltage of the other terminal of the inductor;
A control circuit for controlling the first and second switching elements based on a detection result of the current detection circuit and the voltage detection circuit;
The control circuit starts a first operation state in which the first and second switching elements are complementarily driven in response to the output voltage falling below a predetermined reference voltage, and the output voltage is set to the predetermined voltage. A second operating state for turning off the first and second switching elements in response to exceeding a reference voltage of
In the first operation state, when the current flowing through the first switching element is less than a predetermined reference current value, the control circuit turns on the first switching element and turns on the second switching element. When the current flowing through the first switching element reaches the predetermined reference current value, the first switching element is turned off for a predetermined time according to the output voltage, and the second switching element is turned off. A synchronous rectification type DC-DC converter characterized by turning on an element.
前記電流検出回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達すると、トリガ信号を前記ワンショットパルス回路に供給し、
前記ワンショットパルス回路は、前記トリガ信号に応じて前記出力電圧に応じた所定時間のワンショット信号を生成し、
前記比較器は、前記電圧検出回路の検出結果と前記所定の基準電圧とに基づいて誤差信号を生成し、
前記遅延回路は、前記誤差信号を遅延させた遅延信号を生成し、
前記論理回路は、前記ワンショット信号と前記遅延信号とに基づいて前記第1および第2のスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項5に記載の同期整流型DC−DCコンバータ。 The control circuit includes a one-shot pulse circuit, a comparator, a logic circuit, and a delay circuit,
When the current flowing through the first switching element reaches the predetermined reference current value, the current detection circuit supplies a trigger signal to the one-shot pulse circuit,
The one-shot pulse circuit generates a one-shot signal for a predetermined time according to the output voltage according to the trigger signal,
The comparator generates an error signal based on a detection result of the voltage detection circuit and the predetermined reference voltage;
The delay circuit generates a delayed signal obtained by delaying the error signal;
6. The synchronous rectification type DC-DC converter according to claim 5, wherein the logic circuit controls the first and second switching elements based on the one-shot signal and the delay signal.
前記電流検出回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達すると、トリガ信号を前記ワンショットパルス回路に供給し、
前記ワンショットパルス回路は、前記トリガ信号に応じて前記出力電圧に応じた所定時間のワンショット信号を生成し、
前記比較器は、位相補償がなされており、前記電圧検出回路の検出結果と前記所定の基準電圧とに基づいて誤差信号を生成し、
前記論理回路は、前記ワンショット信号と前記誤差信号とに基づいて前記第1および第2のスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項5に記載の同期整流型DC−DCコンバータ。 The control circuit includes a one-shot pulse circuit, a comparator, and a logic circuit.
When the current flowing through the first switching element reaches the predetermined reference current value, the current detection circuit supplies a trigger signal to the one-shot pulse circuit,
The one-shot pulse circuit generates a one-shot signal for a predetermined time according to the output voltage according to the trigger signal,
The comparator is phase-compensated and generates an error signal based on the detection result of the voltage detection circuit and the predetermined reference voltage,
6. The synchronous rectification type DC-DC converter according to claim 5, wherein the logic circuit controls the first and second switching elements based on the one-shot signal and the error signal.
前記電流検出回路は、前記第1のスイッチング素子に流れる電流が前記所定の基準電流値に達すると、トリガ信号を前記ワンショットパルス回路に供給し、
前記ワンショットパルス回路は、前記トリガ信号に応じて前記出力電圧に応じた所定時間のワンショット信号を生成し、
前記ヒステリシスコンパレータは、前記電圧検出回路の検出結果と前記所定の基準電圧に基づいて誤差信号を生成し、
前記論理回路は、前記ワンショット信号と前記誤差信号に基づいて前記第1および第2のスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項5に記載の同期整流型DC−DCコンバータ。 The control circuit is composed of a one-shot pulse circuit, a hysteresis comparator, and a logic circuit,
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The one-shot pulse circuit generates a one-shot signal for a predetermined time according to the output voltage according to the trigger signal,
The hysteresis comparator generates an error signal based on the detection result of the voltage detection circuit and the predetermined reference voltage,
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