JP5690545B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
<<電源装置Aの全体概略構成>>
図1は、本発明の実施の形態1による電源装置において、その概略構成例を示すブロック図である。図1に示す電源装置は、電源制御ユニットPCTLIC1と、複数(ここでは5個)のPWM搭載型駆動ユニットPSIP11〜PSIP14,PSIP21と、複数(ここでは5個)のインダクタL11〜L14,L21と、2個の容量Cld1,Cld2を含んで構成される。PCTLIC1は、マイクロコントローラユニット(デジタルコントローラユニット)MCUと、アナログコントローラユニットACUと、メモリユニットMEMUを備えている。
図2は、図1の電源装置において、その電源生成動作に関連する主要部の構成例を示す回路ブロック図である。図2には、図1における電源制御ユニットPCTLIC1、PWM搭載型駆動ユニットPSIP11〜PSIP13、インダクタL11〜L13、容量Cld1ならびに負荷LODが抽出して示されている。PCTLIC1において、マイクロコントローラユニットMCUは、外部端子P2a〜P5aに接続される。P5aからは、モード設定信号SMOD1が出力され、SMOD1は外部に設けたモード設定バスMBSを介して伝送される。P2a〜P4aからは、同一周波数で、それぞれ位相が異なるクロック信号CLK12〜CLK14が出力される。また、MCUは、図1で述べたように、電源電圧の設定値を示すVIDコード(VID1)をLODから取得し、これをアナログコントローラユニットACUに送信する。更に、MCUは、ACUに向けて、CLK12〜CLK14とは位相が異なるクロック信号CLK11と、フェーズ設定信号PHと、VS値設定信号VSSET1を出力する。PHは、フェーズ数を定めるものであり、例えばSVID_IFを用いた通信を介してLODから取得したり、あるいはMCU自身がLODの消費電流を判別して生成することも可能である。
図3は、図2の電源装置において、モード設定信号SMOD1が‘L’レベル時の動作例を示す波形図であり、(a)は3フェーズ動作時、(b)は2フェーズ動作時、(c)は1フェーズ動作時を示すものである。SMOD1が‘L’レベル時には、電流連続モード(CCM)での動作が行われる。まず、図3(a)に示す3フェーズ動作は、負荷LODの消費電流Ioが大きい場合(例えばIo>50A等)で用いられる。この場合、マイクロコントローラユニットMCUは、モード設定信号SMOD1を非活性状態(‘L’レベル)とし、0度位相のCLK11と、120度位相のCLK12と、240度位相のCLK13を出力する。アナログコントローラユニットACUは、CLK11を受け、SMOD1が‘L’レベルであるため、AD11、OR11、およびTSW12を介してCLK11と同様なCLKO11を出力する。PSIP11、PSIP12、PSIP13は、それぞれ、CLKO11、CLK12、CLK13を受けて動作を行う。
図4は、図2の電源装置において、1フェーズ動作かつモード設定信号SMOD1が‘H’レベル時の動作例を示す波形図である。図4に示す動作(軽負荷モードと呼ぶ)は、LODの消費電流Ioが非常に小さい軽負荷時(例えばIoが数A以下等)で用いられる。この場合、MCUは、SMOD1を活性状態(‘H’レベル)とする。また、MCUは、TSW12をオン状態に制御し、CLK12,CLK13を共にハイインピーダンス状態に設定する。ACUは、SMOD1が‘H’レベルであるため、CMP11、AD12、OSPGm1、OR11、およびTSW12を介してCLKO11を出力する。
図5は、図1の電源装置における電源制御ユニットPCTLIC1の全体構成例を示す概略図である。図5では、電源制御ユニットPCTLIC1におけるマイクロコントローラユニットMCUの外部信号と、アナログコントローラユニットACUの外部信号と、MCUとACUの間の内部信号が示されている。なお、図5では、便宜上、メモリユニットMEMUの記載は省略している。図5のPCTLIC1は、2系統(チャネル1、2)の制御機構を備え、それぞれ任意の電圧値を持つ2種類の電源を制御可能な構成となっている。例えば、図1の例では、チャネル1によってVO1の電源が制御され、チャネル2によってVO2の電源が制御される。
図6は、図5の電源制御ユニットにおいて、そのマイクロコントローラユニットMCU周りの詳細な構成例を示すブロック図である。図6に示すマイクロコントローラユニット(デジタルコントローラユニット)MCUは、所謂マイコンと呼ばれるものであり、メモリユニットMEMU上のプログラムを実行可能なマイクロプロセッサコア(MPUコアあるいはCPUコア)MPU_CRに加えて各種周辺回路ブロックを備えた構成となっている。図6のMCUには、3本の周辺バスRERI_BUS1〜RERI_BUS3とフロントバスF_BUSが備わっている。F_BUSには、MPU_CRと、メモリインタフェース回路MEMIFと周辺バス用インタフェース回路PERI_BUS_IFが接続されている。
図7 は、図6のマイクロコントローラユニットMCUにおけるPWMタイマ回路の詳細を示すものであり、図7(a)はその概略構成例を示す回路ブロック図、図7(b)は図7(a)の動作例を示す波形図である。図7(a)に示すPWMタイマ回路PWM_TIM(PWM_TIM1,2)は、発振回路OSC、カウンタ回路CUNT、デジタルコンパレータ回路DCMPs,DCMPr、セットリセットラッチ回路SRLT、スイッチ回路TSWck、レジスタ回路REGs,REGr,REGfを備えている。OSCは、所定の周波数の基準クロック信号CKoscを生成し、CUNTは、CKoscを用いてカウントアップ動作を行う。この際にCUNTの最大値は、REGfの設定値によって定められ、CUNTの値がこの最大値に達した際にはゼロに戻って再びカウントアップ動作を行う。DCMPsは、CUNTの値がREGsの設定値に達した際にSRLTのセット入力(S)に向けてパルス信号を出力し、DCMPrは、CUNTの値がREGrの設定値に達した際にSRLTのリセット入力(R)に向けてパルス信号を出力する。TSWckは、オンに制御された際に、クロック信号CLKとしてSRLTの出力信号を伝送し、オフに制御された際に、CLKをハイインピーダンス状態に設定する。
図10は、図5の電源制御ユニットにおいて、そのアナログコントローラユニットACUの詳細な構成例を示すブロック図である。図10における基準電圧生成回路VREFGおよびバイアス電流生成回路IBSGは、外部端子P18abから電源電圧VCCを受け、温度に依存しない基準電圧VREFを生成すると共に、複数個のバイアス電流Ibiasを生成する。このIbiasは、ACU内の各アンプ回路等で使用される。VREFは、外部端子P12abを介して出力される。図10におけるロウパスフィルタ回路部LPFBKは、図5に示した複数のロウパスフィルタ回路LPF11,LPF12,LPF21,LPF22を備える。
図11は、図1の電源装置において、そのPWM搭載型駆動ユニットPSIPの詳細な構成例を示すブロック図である。図11に示すPWM搭載型駆動ユニットPSIPは、大別すると、ハイサイドのトランジスタ(パワートランジスタ)QH,QH’と、ロウサイドのトランジスタ(パワートランジスタ)QLと、これら以外の回路群となり、各トランジスタを制御する各種制御回路から構成される。QH,QH’,QLは、例えばnチャネル型MOSFETである。QH,QH’は、ハイサイド用の半導体チップHSCP内に形成され、QLは、ロウサイド用の半導体チップLSCP内に形成され、それ以外の各種制御回路は、制御用の半導体チップCTLCP内に形成される。これらの各半導体チップは、後述するように、例えば1個の半導体パッケージに搭載される。QHのソース・ドレイン間にはダイオードD1が形成され、QLのソース・ドレイン間にはショットキーダイオードSBD1が形成される。このSBD1により、特にQHをオフした後にQLをオンするまでのデットタイムの間、QL側の電流経路に伴う電圧降下を低減することができる。
図12は、図11のPWM搭載型駆動ユニットPSIPにおける模式的な外形例を示す平面図である。図12に示すPSIPは、例えば40本の外部端子を持ち、内部に3個のダイパッドを備えている。第1ダイパッドには、前述したハイサイドの半導体チップHSCPが搭載され、第2ダイパッドには、前述したロウサイドの半導体チップLSCPが搭載され、第3ダイパッドには、前述した各種制御回路が形成される半導体チップCTLCPが搭載される。また、40本の外部端子は、前述したCLK用(1本)、EO用(1本)、CS用(1本)、SGND用(2本)、TMP/OCP用(1本)、SW用(9本)、PGND用(13本)、VIN用(7本)、BOOT用(1本)、VCIN用(1本)、SS用(1本)、IREF用(1本)、MODE用(1本)から構成される。
図13は、図11および図12において、ハイサイドのトランジスタが形成された半導体チップHSCPのデバイス構造例を示す断面図である。ここでは、ハイサイドのトランジスタ(パワートランジスタ)QH,QH’を例とするが、ロウサイドのトランジスタQLも同様の構造となる。トランジスタQH,QH’は、n+型の単結晶シリコンなどからなる基板本体21aとn−型のシリコン単結晶からなるエピタキシャル層21bとを有した半導体基板21の主面に形成される。このエピタキシャル層21bの主面には、例えば酸化シリコンなどからなるフィールド絶縁膜(素子分離領域)22が形成されている。
本実施の形態2では、前述した実施の形態1と異なり、電源制御ユニットをマイクロコントローラユニットMCUとメモリユニットMEMUのみで構成した電源装置について説明する。
図14は、本発明の実施の形態2による電源装置において、その概略構成例を示すブロック図である。ここでは、図14の電源装置と図1の電源装置の相違点に着目して説明を行う。第1の相違点は、図14の電源制御ユニットPCTLIC2がマイクロコントローラユニットMCUとメモリユニットMEMUのみで構成された点にある。第2の相違点は、チャネル1上の1フェーズ目のPWM搭載型駆動ユニットPSIPM11が2〜4フェーズ目のPWM搭載型駆動ユニットPSIP12〜PSIP14とは内部構成例が異なり、チャネル2上の1フェーズ目のPWM搭載型駆動ユニットPSIPM21もPSIPM11と同様の内部構成例を備える点にある。
図15 は、図14の電源装置において、その電源生成動作に関連する主要部の構成例を示す回路ブロック図である。図15には、図14におけるPSIPM11とPSIP12が抽出して示されている。図15において、PSIP12の内部回路構成は、前述した図2のPSIP12の内部回路構成(PSIP11と同様)と同様である。PSIPM11は、図2のPSIP11と同様に、トランジスタQH[1],QL[1]、ドライバ回路DRVh[1],DRVl[1]、制御論理回路LGC[1]、PWM制御回路PWM_CTL[1]、活性電流検出回路ACS[1]、逆電流検出回路RIDET[1]、および3値情報検出回路TSDET1[1]を備えている。PSIPM11は、これらに加えて更に、クロック制御回路部CKCBKM1とフィードバック回路部FBBKM1を備えた点が図2のPSIP11とは異なっている。
22 フィールド絶縁膜
23,24,31 半導体領域
25 溝
26 ゲート絶縁膜
27 ゲート電極
28 絶縁膜
29 コンタクトホール
30G ゲート配線
30S ソース配線
32 保護膜
33 開口部
34 金属層
9 メッキ層
ACS 活性電流検出回路
ACU アナログコントローラユニット
ACU_IF ACUインタフェース回路
AD アンド演算回路
ADC アナログ・デジタル変換回路
AMP アンプ回路
BK ブランキング回路
C 容量
CKCBK,CKCBKP,CKCBKM クロック制御回路部
CMP コンパレータ回路
CSIO 同期シリアルインタフェース回路
CUNT カウンタ回路
D ダイオード
DAC デジタル・アナログ変換回路
DBGCTL デバッグコントローラ部
DCMP デジタルコンパレータ回路
DRV ドライバ回路
EA エラーアンプ回路
EBS エラーバス
F_BUS フロントバス
F_BUS_IF フロントバスインタフェース部
FBBK,FBBKP,FBBKM フィードバック回路部
FDETLGC 異常判定論理回路
FF フリップフロップ回路
FLT フィルタ回路
FMEM 不揮発性メモリ
FMEM_CTL フラッシュメモリ制御回路
FMEM_IF フラッシュインタフェース部
GPIO 汎用入出力インタフェース回路
HSCP,LSCP,CTLCP 半導体チップ
IB バイアス電流源
IBSG バイアス電流生成回路
ICUINT 割り込みコントローラ部
IREFG 基準電流生成回路
ITIM インターバルタイマ回路
IV インバータ回路
KRNL カーネル部
L インダクタ
LGC 制御論理回路
LOD 負荷
LPF ロウパスフィルタ回路
LPFBK ロウパスフィルタ回路部
MBS モード設定バス
MCU マイクロコントローラユニット
MEMIF メモリインタフェース回路
MEMU メモリユニット
MN NMOSトランジスタ
MP PMOSトランジスタ
MPU_CR マイクロプロセッサコア
MSBK 動作モード切り替え回路部
NR ノア演算回路
OCPBK 過電流検出回路部
OCPLGC 過電流判定論理回路
OR オア演算回路
OSC 発振回路
OSPG ワンショットパルス生成回路
OVPBK 過電圧検出回路部
OVPLT OVPラッチ回路
P 外部端子
PCTLIC 電源制御ユニット
PERI_BUS_IF 周辺バス用インタフェース回路
PHDEC フェーズデコーダ回路
PMBUS_IFC PMBUSインタフェース回路
PSIP,PSIPM PWM搭載型駆動ユニット
PSW 電源スイッチ
PWM_CTL PWM制御回路
PWM_TIM PWMタイマ回路
Q トランジスタ
QH,QH’,QL パワートランジスタ
R 抵抗
RAM 揮発性メモリ
RAM_IF RAMインタフェース部
REG レジスタ回路
RERI_BUS 周辺バス
RIDET 逆電流検出回路
SBD ショットキーダイオード
SRLT セットリセットラッチ回路
SSBK ソフトスタート制御回路
SVID_IF,PMBUS_IF シリアルインタフェース
SVID_IFC SVIDインタフェース回路
TMP_DET 温度検出回路
TSBUF 3値バッファ回路部
TSDET 3値情報検出回路
TSW スイッチ回路
UART 非同期シリアルインタフェース回路
UVLOBK 入力電圧検出回路部
UVLOC 入力電圧検出回路
UVLOLGC 入力電圧判定論理回路
VO 出力電源ノード
VOF オフセット電圧源
VREFG 基準電圧生成回路
WDT ウォッチドッグタイマ回路
Claims (13)
- アナログ回路ユニット、デジタル回路ユニット、及びメモリ回路ユニットを含んだ制御装置と、
一端が共通に接続され、外部負荷に第1電源を供給する第1〜第N(N≧2)インダクタと、
前記第1〜第Nインダクタをそれぞれ駆動する第1〜第N駆動ユニットと、
第1バスとを備え、
前記メモリ回路ユニットには、プログラムが保存され、
前記デジタル回路ユニットは、
前記プログラムを実行するプロセッサコアと、
第1〜第Nクロック信号を生成し、前記第1〜第Nクロック信号を前記第1〜第N駆動ユニットにそれぞれ出力するクロック生成回路とを備え、
前記アナログ回路ユニットは、前記外部負荷に供給された前記第1電源の電源電圧と、予め設定された第1目標電源電圧とを比較し、その差分を増幅することで生成した第1エラーアンプ信号を前記第1バスに出力する第1エラーアンプ回路を備え、
前記第1駆動ユニットは、前記第1クロック信号の位相と、前記第1バスからの前記第1エラーアンプ信号とを用いたピーク電流制御方式により第1パルス幅変調信号を生成し、前記第1パルス幅変調信号に基づいて前記第1インダクタを駆動し、
前記第N駆動ユニットは、前記第Nクロック信号の位相と、前記第1バスからの前記第1エラーアンプ信号とを用いたピーク電流制御方式により第Nパルス幅変調信号を生成し、前記第Nパルス幅変調信号に基づいて前記第Nインダクタを駆動し、
前記制御装置は、一つの半導体チップならびに半導体パッケージで構成され、
前記プロセッサコアは、前記クロック生成回路における前記第1〜第Nクロック信号のそれぞれの周波数と位相を、前記プログラムに基づいて設定し、前記クロック生成回路における前記第1〜第Nクロック信号のいずれかを、前記プログラムに基づいてハイインピーダンス状態に設定し、
前記第1駆動ユニットは、更に、前記第1クロック信号がハイインピーダンス状態であるか否かを検出する第1検出回路を備え、前記第1検出回路が検出信号を出力した際には前記第1インダクタの駆動動作を停止し、
前記第N駆動ユニットは、更に、前記第Nクロック信号がハイインピーダンス状態であるか否かを検出する第N検出回路を備え、前記第N検出回路が検出信号を出力した際には前記第Nインダクタの駆動動作を停止する、ことを特徴とする電源装置。 - 請求項1記載の電源装置において、
前記メモリ回路ユニットは、前記プログラムを保存するフラッシュメモリを備え、
前記プログラムは書き換えが可能となっていることを特徴とする電源装置。 - 請求項1記載の電源装置において、
前記第1〜第N駆動ユニットは、それぞれ異なる半導体パッケージで構成されることを特徴とする電源装置。 - 請求項1記載の電源装置において、
前記デジタル回路ユニットは、更に、前記外部負荷との間でシリアル通信を行う第1シリアルインタフェース回路を備え、
前記アナログ回路ユニットは、更に、デジタル・アナログ変換回路を備え、
前記第1シリアルインタフェース回路は、前記外部負荷から第1デジタル電源情報を取得し、
前記デジタル・アナログ変換回路は、前記第1デジタル電源情報をアナログ変換することで前記第1目標電源電圧を生成することを特徴とする電源装置。 - 請求項4記載の電源装置において、
前記デジタル回路ユニットは、更に、任意の外部装置との間でシリアル通信を行う第2シリアルインタフェース回路を備えることを特徴とする電源装置。 - 請求項1記載の電源装置において、
前記電源装置は、更に、
前記外部負荷に第2電源を供給する第M(M=N+1)インダクタと、
前記第Mインダクタを駆動する第M駆動ユニットとを備え、
前記クロック生成回路は、更に、第Mクロック信号を生成し、前記第Mクロック信号を前記第M駆動ユニットに出力し、
前記アナログ回路ユニットは、更に、前記外部負荷に供給された前記第2電源の電源電圧と、予め設定された第2目標電源電圧とを比較し、その差分を増幅することで第2エラーアンプ信号を生成する第2エラーアンプ回路を備え、
前記第M駆動ユニットは、前記第Mクロック信号の位相と前記第2エラーアンプ信号を用いたピーク電流制御方式により第Mパルス幅変調信号を生成し、前記第Mパルス幅変調信号に基づいて前記第Mインダクタを駆動し、
前記プロセッサコアは、更に、前記クロック生成回路における前記第Mクロック信号の周波数と位相を、前記プログラムに基づいて設定することを特徴とする電源装置。 - 請求項1記載の電源装置において、
前記デジタル回路ユニットは、更に、アナログ・デジタル変換回路を備え、
前記アナログ・デジタル変換回路は、前記第1電源の電源電圧をデジタル信号に変換することを特徴とする電源装置。 - 請求項7記載の電源装置において、
前記アナログ・デジタル変換回路は、更に、前記第1エラーアンプ信号あるいはそれを補正することで生成した信号をデジタル信号に変換することを特徴とする電源装置。 - 請求項1記載の電源装置において、
前記電源装置は、更に、第2バスを備え、
前記第1駆動ユニットは、更に、
温度検出用の第1検出ダイオードと、
前記第1検出ダイオードの順方向電圧を反映した電圧がカソードに入力され、アノードが前記第2バスに接続され、前記第2バスの最小値を保持する第1ダイオードとを備え、
前記第N駆動ユニットは、更に、
温度検出用の第N検出ダイオードと、
前記第N検出ダイオードの順方向電圧を反映した電圧がカソードに入力され、アノードが前記第2バスに接続され、前記第2バスの最小値を保持する第Nダイオードとを備え、
前記デジタル回路ユニットは、更に、アナログ・デジタル変換回路を備え、
前記アナログ・デジタル変換回路は、前記第2バスの電圧をデジタル信号に変換することを特徴とする電源装置。 - デジタル回路ユニット、及びメモリ回路ユニットを含んだ制御装置と、
一端が共通に接続され、外部負荷に第1電源を供給する第1〜第N(N≧2)インダクタと、
前記第1インダクタを駆動する第1駆動ユニットと、
前記第2〜第Nインダクタをそれぞれ駆動する第2〜第N駆動ユニットと、
第1バスとを備え、
前記メモリ回路ユニットには、プログラムが保存され、
前記デジタル回路ユニットは、
前記プログラムを実行するプロセッサコアと、
第1〜第Nクロック信号を生成し、前記第1〜第Nクロック信号を前記第1〜第N駆動ユニットにそれぞれ出力するクロック生成回路とを備え、
前記第1駆動ユニットは、前記外部負荷に供給された前記第1電源の電源電圧と、予め設定された第1目標電源電圧とを比較し、その差分を増幅することで生成した第1エラーアンプ信号を前記第1バスに出力する第1エラーアンプ回路を含み、前記第1クロック信号の位相と前記第1エラーアンプ信号を用いたピーク電流制御方式により第1パルス幅変調信号を生成し、前記第1パルス幅変調信号に基づいて前記第1インダクタを駆動し、
前記第N駆動ユニットは、前記第Nクロック信号の位相と、前記第1バスからの前記第1エラーアンプ信号を用いたピーク電流制御方式により第Nパルス幅変調信号を生成し、前記第Nパルス幅変調信号に基づいて前記第Nインダクタを駆動し、
前記制御装置は、一つの半導体チップならびに半導体パッケージで構成され、
前記プロセッサコアは、前記クロック生成回路における前記第1〜第Nクロック信号のそれぞれの周波数と位相を、前記プログラムに基づいて設定し、前記クロック生成回路における前記第1〜第Nクロック信号のいずれかを、前記プログラムに基づいてハイインピーダンス状態に設定し、
前記第1駆動ユニットは、更に、前記第1クロック信号がハイインピーダンス状態であるか否かを検出する第1検出回路を備え、前記第1検出回路が検出信号を出力した際には前記第1インダクタの駆動動作を停止し、
前記第N駆動ユニットは、更に、前記第Nクロック信号がハイインピーダンス状態であるか否かを検出する第N検出回路を備え、前記第N検出回路が検出信号を出力した際には前記第Nインダクタの駆動動作を停止する、ことを特徴とする電源装置。 - 請求項10記載の電源装置において、
前記メモリ回路ユニットは、前記プログラムを保存するフラッシュメモリを備え、
前記プログラムは書き換えが可能となっていることを特徴とする電源装置。 - 請求項10記載の電源装置において、
前記第1〜第N駆動ユニットは、それぞれ異なる半導体パッケージで構成されることを特徴とする電源装置。 - 請求項10記載の電源装置において、
前記制御装置は、更に、前記外部負荷との間でシリアル通信を行う第1シリアルインタフェース回路を備え、
前記第1駆動ユニットは、更に、デジタル・アナログ変換回路を備え、
前記第1シリアルインタフェース回路は、前記外部負荷から第1デジタル電源情報を取得し、
前記制御装置は、前記第1デジタル電源情報を前記第1駆動ユニットに出力し、
前記第1駆動ユニットの前記デジタル・アナログ変換回路は、前記第1デジタル電源情報をアナログ変換することで前記第1目標電源電圧を生成することを特徴とする電源装置。
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