JP6272442B2 - Switching power supply device, semiconductor device, TV - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチングレギュレータの制御回路に関する。また、本発明は、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 control circuit for a switching regulator. The present invention also relates to a switching power supply device.
<第1の背景技術>
スイッチングレギュレータ、モータドライバ、その他さまざまな電子回路において、パワートランジスタが利用される。図1は、パワートランジスタを有する昇圧型スイッチングレギュレータの構成例を示す回路図である。
<First Background Technology>
Power transistors are used in switching regulators, motor drivers, and various other electronic circuits. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a step-up switching regulator having a power transistor.
スイッチングレギュレータ2rは、制御回路100rと、インダクタL1、整流用のダイオードD1、出力キャパシタC1を含む。
The
制御回路100rは、パワートランジスタであるスイッチングトランジスタM1と、パルス信号生成部10、ドライバ回路20rを備える。スイッチングレギュレータ2rの出力電圧VOUTは、抵抗R1、R2によって分圧される。パルス信号生成部10は、スイッチングレギュレータ2rの出力電圧VOUTに応じたフィードバック電圧VFBを受け、当該フィードバック電圧VFBが目標レベルに近づくようにデューティ比が調節されるパルス信号SPWMを生成する。ドライバ回路20rは、パルス信号SPWMにもとづきスイッチングトランジスタM1をスイッチングする。
The
スイッチングトランジスタM1のオン、オフを切りかえるためには、その制御端子(ゲート)の電圧(ゲート信号VG)のレベルをハイレベル(電源電圧)とローレベル(接地電圧)の2値で切りかえる必要がある。 In order to switch the switching transistor M1 on and off, it is necessary to switch the level of the voltage (gate signal V G ) of the control terminal (gate) between two levels of high level (power supply voltage) and low level (ground voltage). is there.
<第2の背景技術>
従来より、重負荷領域ではPWM[pulse width modulation]方式のスイッチング制御を行い、軽負荷領域ではPFM[pulse frequency modulation]方式のスイッチング制御を行うスイッチング電源装置が開示・提案されている。
<Second Background Technology>
Conventionally, a switching power supply apparatus that performs PWM [pulse width modulation] type switching control in a heavy load region and a PFM [pulse frequency modulation] type switching control in a light load region has been disclosed and proposed.
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1を挙げることができる。
As an example of the related art related to the above,
<第1の課題>
ドライバ回路20rは、ハイサイドトランジスタM2とローサイドトランジスタM3を有するインバータ形式で構成される。この構成では、ゲート信号VGがローレベルからハイレベルに立ち上がるときの遷移時間(ライズタイムTR)は、ハイサイドトランジスタM2の電流能力、すなわちサイズに依存し、ゲート信号VGがハイレベルからローレベルに立ち下がるときの遷移時間(フォールタイムTF)は、ローサイドトランジスタM3の電流能力に依存して決まる。
<First issue>
The
スイッチングレギュレータ2rの効率は、遷移時間TR、TFが短いほど高くなる。一方、遷移時間TR、TFが短くなると、高周波の電磁波ノイズ(EMI:Electro-Magnetic Interference)が問題となる。すなわち、効率と電磁波ノイズはトレードオフの関係にある。
The efficiency of the
一般的に電磁波ノイズは、スイッチングレギュレータ2rをセットに実装した状態でなければ測定できない。そして測定した結果、EMIの規定を満たさない場合、EMI対策として、セットの設計者は、制御回路100r、インダクタL1や周辺のプリント基板を修正するなど、多大な労力を払う必要がある。
Generally, electromagnetic wave noise can be measured only when the
図1の制御回路100rでは、ゲート信号VGの遷移時間TR、TFは、トランジスタM2、M3の能力によって決まってしまう。EMI対策には多大な労力が要求される一方、制御回路100rには、いかなるセットに搭載されても問題なく動作する汎用性が求められる。したがって従来の制御回路100rは、電磁波ノイズが発生しないように、遷移時間TR、TFを長くして設計されるため、効率を犠牲にする必要があった。
In the
本発明は、係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、搭載されるセットごとに効率とEMIのバランスを最適化可能なスイッチングレギュレータの提供にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and one of the exemplary purposes of an aspect thereof is to provide a switching regulator capable of optimizing the balance between efficiency and EMI for each mounted set.
<第2の課題>
上記第2の背景技術によれば、重負荷領域から軽負荷領域に至る幅広い負荷領域でスイッチング電源装置の効率を高めることができる(図11を参照)。
<Second problem>
According to the second background art, the efficiency of the switching power supply device can be increased in a wide load region from the heavy load region to the light load region (see FIG. 11).
しかしながら、PFM方式のスイッチング制御では、スイッチング周波数が変動するので、スイッチング周波数が音声信号や無線信号の周波数帯域と重なった場合には、音声出力や無線通信に支障を生じるなど、スイッチング電源装置を搭載したアプリケーションの性能を損なうおそれがあった。 However, in the switching control of the PFM method, the switching frequency fluctuates, so when the switching frequency overlaps the frequency band of an audio signal or a radio signal, a switching power supply device is installed so that an audio output or radio communication is hindered. There was a risk of damaging the performance of the selected application.
また、スイッチング電源装置を用いて入力電圧から所望の出力電圧を生成する過程で得られる矩形波状のスイッチ電圧を後段回路(例えばチャージポンプ回路)で利用しているアプリケーションでは、スイッチング周波数の変化に伴って後段回路の動作が不安定となるおそれがあり、効率向上のために軽負荷領域でPFM方式のスイッチング制御を行う従来技術は採用しにくかった。 In addition, in an application that uses a rectangular-wave-like switch voltage obtained in the process of generating a desired output voltage from an input voltage using a switching power supply device in a subsequent circuit (for example, a charge pump circuit), the switching frequency changes. As a result, the operation of the subsequent circuit may become unstable, and it has been difficult to adopt the conventional technology that performs the PFM switching control in the light load region in order to improve the efficiency.
本発明は、本願の発明者らにより見出された上記の問題点に鑑み、スイッチング周波数の変動を招くことなく、重負荷領域から軽負荷領域に至る幅広い負荷領域で高い効率を実現することのできるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems found by the inventors of the present application, the present invention realizes high efficiency in a wide load region from a heavy load region to a light load region without causing a change in switching frequency. An object of the present invention is to provide a switching power supply device that can be used.
本発明のある態様は、スイッチングレギュレータの制御回路に関する。制御回路は、スイッチングトランジスタと、スイッチングレギュレータの出力電圧に応じたフィードバック電圧が所定の基準電圧と一致するようにデューティ比が調節されるパルス信号を生成するパルス信号生成部と、パルス信号に応じてスイッチングトランジスタを駆動するドライバ回路と、スイッチングトランジスタのゲート信号の遷移時間を設定するための設定端子と、を備える。ドライバ回路は、制御回路の電源端子とスイッチングトランジスタのゲートとの間に設けられたハイサイドトランジスタと、スイッチングトランジスタのゲートと接地端子の間に設けられたローサイドトランジスタと、電源端子とゲートの間にハイサイドトランジスタと直列に設けられたハイサイド可変電流源、および、ゲートと接地端子の間にローサイドトランジスタと直列に設けられたローサイド可変電流源の少なくとも一方と、設定端子に対する指示に応じて、ハイサイド可変電流源およびローサイド可変電流源の少なくとも一方の電流値を制御するスルーレート制御部と、を含む。制御回路は、ひとつの半導体基板に集積化される。 One embodiment of the present invention relates to a control circuit for a switching regulator. The control circuit includes a switching transistor, a pulse signal generation unit that generates a pulse signal whose duty ratio is adjusted so that a feedback voltage corresponding to the output voltage of the switching regulator matches a predetermined reference voltage, A driver circuit for driving the switching transistor; and a setting terminal for setting a transition time of the gate signal of the switching transistor. The driver circuit includes a high side transistor provided between the power supply terminal of the control circuit and the gate of the switching transistor, a low side transistor provided between the gate of the switching transistor and the ground terminal, and between the power supply terminal and the gate. A high-side variable current source provided in series with the high-side transistor, and at least one of a low-side variable current source provided in series with the low-side transistor between the gate and the ground terminal, and in response to an instruction to the setting terminal A slew rate control unit that controls a current value of at least one of the side variable current source and the low side variable current source. The control circuit is integrated on one semiconductor substrate.
ハイサイドトランジスタまたはローサイドトランジスタに流れる電流は、ハイサイド可変電流源またはローサイド可変電流源が生成する電流によって規定される。そして、ゲート信号のライズタイム、フォールタイムはそれぞれ、ハイサイドトランジスタ、ローサイドトランジスタに流れる電流によって変化する。この態様の制御回路によれば、スイッチングレギュレータをセットに搭載した状態で、ゲート信号の遷移時間を変更できるため、セットごとに、EMIの仕様を満たす範囲で最大の効率を実現できる。 The current flowing through the high-side transistor or the low-side transistor is defined by the current generated by the high-side variable current source or the low-side variable current source. The rise time and fall time of the gate signal change depending on the current flowing through the high side transistor and the low side transistor, respectively. According to the control circuit of this aspect, since the transition time of the gate signal can be changed in a state where the switching regulator is mounted on the set, the maximum efficiency can be realized within a range satisfying the EMI specifications for each set.
スルーレート制御部は、設定端子に接続される回路部品に応じた基準電流を生成する基準電流源を含んでもよい。ハイサイド可変電流源およびローサイド可変電流源の少なくとも一方は、基準電流に比例した電流を生成可能に構成されてもよい。 The slew rate control unit may include a reference current source that generates a reference current according to a circuit component connected to the setting terminal. At least one of the high-side variable current source and the low-side variable current source may be configured to generate a current proportional to the reference current.
スルーレート制御部は、基準電流に応じた電流の経路上に設けられた入力トランジスタを含んでもよい。ハイサイド可変電流源およびローサイド可変電流源の少なくとも一方は、入力トランジスタとカレントミラー回路を形成するように接続された出力トランジスタを含んでもよい。 The slew rate control unit may include an input transistor provided on a current path according to the reference current. At least one of the high-side variable current source and the low-side variable current source may include an output transistor connected to form a current mirror circuit with the input transistor.
設定端子には、調節用抵抗が外付け可能であってもよい。基準電流源は、そのエミッタが設定端子に接続されたNPN型の第1バイポーラトランジスタと、そのエミッタが第1バイポーラトランジスタのベースに接続され、そのベースに所定の基準電圧が入力されたPNP型の第2バイポーラトランジスタと、を含み、第1バイポーラトランジスタに流れる電流を、基準電流として出力してもよい。 An adjustment resistor may be externally attached to the setting terminal. The reference current source includes an NPN-type first bipolar transistor whose emitter is connected to a setting terminal, and a PNP-type transistor whose emitter is connected to the base of the first bipolar transistor and a predetermined reference voltage is input to the base. A current that flows through the first bipolar transistor may be output as a reference current.
設定端子には、スイッチングトランジスタのゲート信号の遷移時間を指示する制御信号が入力可能であり、基準電流源は、制御信号に応じた基準電流を生成してもよい。 A control signal indicating the transition time of the gate signal of the switching transistor can be input to the setting terminal, and the reference current source may generate a reference current corresponding to the control signal.
本発明の別の態様は、スイッチングレギュレータである。このスイッチングレギュレータは、上述の制御回路を備える。 Another aspect of the present invention is a switching regulator. This switching regulator includes the above-described control circuit.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
また、本発明のある態様に係るスイッチング電源装置は、互いに並列に接続された複数の出力トランジスタと、入力電圧から所望の出力電圧を生成して負荷に供給するように所定の周波数で前記複数の出力トランジスタのオン/オフ制御信号を生成する制御部と、を有し、前記制御部は、前記負荷の重さに基づいて駆動対象の出力トランジスタを決定する構成(第1の構成)とされている。 The switching power supply according to an aspect of the present invention includes a plurality of output transistors connected in parallel to each other, and a plurality of the plurality of output transistors at a predetermined frequency so as to generate a desired output voltage from an input voltage and supply the output voltage to a load. A control unit that generates an ON / OFF control signal for the output transistor, and the control unit is configured to determine an output transistor to be driven based on the weight of the load (first configuration). Yes.
なお、上記第1の構成から成るスイッチング電源装置において、前記制御部は、前記負荷が重いほどトランジスタのサイズを大きくし、前記負荷が軽いほどトランジスタのサイズを小さくするように前記駆動対象の出力トランジスタを決定する構成(第2の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the first configuration, the control unit increases the size of the transistor as the load is heavier, and decreases the size of the transistor as the load is lighter. It is good to make it the structure (2nd structure) which determines.
なお、上記第1または第2の構成から成るスイッチング電源装置において、前記複数の出力トランジスタは互いに異なるサイズに設計された構成(第3の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the first or second configuration, the plurality of output transistors may be configured to have different sizes (third configuration).
また、上記第1〜第3いずれかの構成から成るスイッチング電源装置において、前記制御部は、前記駆動対象の出力トランジスタをオン/オフ制御することにより発生する矩形波状のスイッチ電圧を監視し、前記駆動対象の出力トランジスタがオンされているときに検出された前記スイッチ電圧と所定の閾値電圧との比較結果に基づいて、前記駆動対象の出力トランジスタを決定する構成(第4の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply device having any one of the first to third configurations, the control unit monitors a rectangular wave-like switch voltage generated by on / off controlling the output transistor to be driven, and A configuration (fourth configuration) may be adopted in which the output transistor to be driven is determined based on a comparison result between the switch voltage detected when the output transistor to be driven is turned on and a predetermined threshold voltage. .
また、上記第4の構成から成るスイッチング電源装置において、前記制御部は、前記スイッチ電圧と第1閾値電圧とを比較して第1比較信号を生成する第1比較器と、前記スイッチ電圧と前記第1閾値電圧よりも低い第2閾値電圧とを比較して第2比較信号を生成する第2比較器と、前記駆動対象の出力トランジスタがオンされているときに前記第1比較信号をラッチする第1ラッチと、前記駆動対象の出力トランジスタがオンされているときに前記第2比較信号をラッチする第2ラッチと、前記第1ラッチでラッチされた前記第1比較信号と前記第2ラッチでラッチされた前記第2比較信号に基づいて前記駆動対象の出力トランジスタを決定する判定部と、を含む構成(第5の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply device having the fourth configuration, the control unit compares the switch voltage with a first threshold voltage to generate a first comparison signal, the switch voltage, A second comparator for generating a second comparison signal by comparing with a second threshold voltage lower than the first threshold voltage; and latching the first comparison signal when the output transistor to be driven is turned on A first latch, a second latch that latches the second comparison signal when the output transistor to be driven is turned on, the first comparison signal latched by the first latch, and the second latch And a determination unit that determines the output transistor to be driven based on the latched second comparison signal (fifth configuration).
また、上記第5の構成から成るスイッチング電源装置にて、前記判定部は、前記スイッチ電圧が前記第1閾値電圧よりも高いときにはトランジスタのサイズを現状よりも1段階大きくするように、前記スイッチ電圧が前記第1閾値電圧よりも低く前記第2閾値電圧よりも高いときにはトランジスタのサイズを現状に維持するように、前記スイッチ電圧が前記第2閾値電圧よりも低いときにはトランジスタのサイズを現状よりも1段階小さくするように、前記駆動対象の出力トランジスタを決定する構成(第6の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply device having the fifth configuration, when the switch voltage is higher than the first threshold voltage, the determination unit is configured to increase the transistor size by one step from the current level. When the switch voltage is lower than the second threshold voltage, the transistor size is set to 1 from the current state, so that when the switch voltage is lower than the second threshold voltage, the transistor size is maintained as it is. It is preferable to adopt a configuration (sixth configuration) for determining the output transistor to be driven so as to reduce the level.
また、上記第6の構成から成るスイッチング電源装置において、前記制御部は、前記出力電圧に応じた帰還電圧と所定の基準電圧との差分を増幅して誤差信号を生成する誤差増幅器と、前記所定の周波数でクロック信号とスロープ信号を生成する発振器と、前記誤差信号と前記スロープ信号を比較して比較信号を生成する比較器と、前記比較信号と前記クロック信号の入力を受けて前記オン/オフ制御信号を生成するSRフリップフロップと、前記判定部の出力を受けて前記駆動対象の出力トランジスタにのみ前記オン/オフ制御信号を供給する信号ゲート部と、をさらに含む構成(第7の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the sixth configuration, the control unit amplifies a difference between a feedback voltage corresponding to the output voltage and a predetermined reference voltage to generate an error signal, and the predetermined amplifier An oscillator that generates a clock signal and a slope signal at a frequency of, a comparator that generates a comparison signal by comparing the error signal and the slope signal, and an on / off function that receives the comparison signal and the clock signal. An SR flip-flop that generates a control signal, and a signal gate unit that receives the output of the determination unit and supplies the ON / OFF control signal only to the output transistor to be driven (seventh configuration) It is good to.
また、上記第1〜第7いずれかの構成から成るスイッチング電源装置は、前記駆動対象の出力トランジスタをオン/オフ制御することにより発生する矩形波状のスイッチ電圧を用いて前記出力電圧を昇圧するチャージポンプ回路をさらに有する構成(第8の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having any one of the first to seventh configurations, a charge for boosting the output voltage using a rectangular wave switch voltage generated by on / off controlling the output transistor to be driven. A configuration further including a pump circuit (eighth configuration) is preferable.
また、上記第1〜第8いずれかの構成から成るスイッチング電源装置は、前記オン/オフ制御信号の電流能力を高めて前記複数の出力トランジスタに供給する複数のドライバをさらに有する構成(第9の構成)にするとよい。 In addition, the switching power supply device having any one of the first to eighth configurations further includes a plurality of drivers that increase the current capability of the on / off control signal and supply the plurality of output transistors (a ninth configuration). Configuration).
また、上記第9の構成から成るスイッチング電源装置において、前記複数のドライバはそれぞれ、対応する出力トランジスタの制御端に対して並列に接続されて個別に動作可否が制御される複数の単位ドライバを含む構成(第10の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply device having the ninth configuration, each of the plurality of drivers includes a plurality of unit drivers that are connected in parallel to the control terminals of the corresponding output transistors and individually controlled to be operated or not. A configuration (tenth configuration) is preferable.
また、上記第10の構成から成るスイッチング電源装置において、前記複数の単位ドライバは、それぞれ、同一サイズのトランジスタによって形成された構成(第11の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply device having the tenth configuration, each of the plurality of unit drivers may have a configuration (eleventh configuration) formed by transistors of the same size.
また、上記第10または第11の構成から成るスイッチング電源装置は、スルーレート調整信号に応じて前記複数の単位ドライバ毎のイネーブル信号を生成するイネーブルロジック部をさらに有する構成(第12の構成)にするとよい。 The switching power supply device having the tenth or eleventh configuration further includes an enable logic unit (a twelfth configuration) that generates an enable signal for each of the plurality of unit drivers in accordance with a slew rate adjustment signal. Good.
また、上記第9の構成から成るスイッチング電源装置において、前記複数の出力トランジスタは、半導体装置に外付けされたメイントランジスタと、前記半導体装置に内蔵されたサブトランジスタと、を含み、前記メイントランジスタは前記サブトランジスタよりもオン抵抗値が小さく、前記サブトランジスタは前記メイントランジスタよりもゲート容量値が小さい構成(第13の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the ninth configuration, the plurality of output transistors include a main transistor externally attached to the semiconductor device and a sub-transistor built in the semiconductor device, wherein the main transistor is The on-resistance value may be smaller than that of the sub-transistor, and the sub-transistor may have a gate capacitance value smaller than that of the main transistor (a thirteenth configuration).
また、上記第13の構成から成るスイッチング電源装置において、前記制御部は、重負荷領域では前記メイントランジスタを駆動対象とし、軽負荷領域では前記サブトランジスタを駆動対象とする構成(第14の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the thirteenth configuration, the control unit is configured to drive the main transistor in a heavy load region and to drive the sub-transistor in a light load region (fourteenth configuration). It is good to.
また、本発明のある態様に係るテレビは、受信信号から所望チャンネルの放送信号を選局するチューナ部と、前記チューナで選局された放送信号から映像信号と音声信号を生成するデコーダ部と、前記映像信号を映像として出力する表示部と、前記音声信号を音声として出力するスピーカ部と、ユーザ操作を受け付ける操作部と、外部入力信号を受け付けるインタフェイス部と、上記各部の動作を統括的に制御する制御部と、上記各部に電力供給を行う電源部と、を有し、前記電源部は、上記のスイッチングレギュレータ、または、上記第1〜第14いずれかの構成から成るスイッチング電源装置を含む構成(第15の構成)にするとよい。 In addition, a television according to an aspect of the present invention includes a tuner unit that selects a broadcast signal of a desired channel from a received signal, a decoder unit that generates a video signal and an audio signal from the broadcast signal selected by the tuner, Operation of each of the above-described units is comprehensively performed, a display unit that outputs the video signal as video, a speaker unit that outputs the audio signal as audio, an operation unit that receives a user operation, an interface unit that receives an external input signal, and the like. A control unit for controlling, and a power supply unit for supplying power to each of the units, the power supply unit including the switching regulator or a switching power supply device having any one of the first to fourteenth configurations. A configuration (a fifteenth configuration) is preferable.
本発明のある態様によれば、セット毎に効率とEMIのバランスを最適化可能となる。 According to an aspect of the present invention, it is possible to optimize the balance between efficiency and EMI for each set.
また、本発明のある態様によれば、スイッチング周波数の変動を招くことなく、重負荷領域から軽負荷領域に至る幅広い負荷領域で高い効率を実現することのできるスイッチング電源装置を提供することが可能となる。 In addition, according to an aspect of the present invention, it is possible to provide a switching power supply device that can realize high efficiency in a wide load region from a heavy load region to a light load region without causing a change in switching frequency. It becomes.
<スルーレート可変制御>
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
<Variable slew rate control>
The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Further, the embodiments are examples, not limiting the invention, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are electrically connected to each other in addition to the case where the member A and the member B are physically directly connected. It includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not substantially affect the general connection state, or that do not impair the functions and effects achieved by their combination. Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as their electric It includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not substantially affect the general connection state, or that do not impair the functions and effects achieved by their combination.
図2は、実施の形態に係るスイッチングレギュレータ2を搭載する電子機器1の構成を示す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of the
電子機器1は、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどの表示装置、DVDやブルーレイディスク、ハードディスクを有する録画機あるいは再生機など、商用交流電源で動作する機器、もしくは、ノートPC、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話端末、PDA(Personal Digital Assistant)などの電池駆動型の機器であり、高い電源電圧を必要とする回路ブロックを備える。こうした回路ブロックとしては、液晶ドライバやLED(Light Emitting Diode)などが例示され、図1において負荷3として示されている。
The
電子機器1は、負荷3に電源電圧を供給するための昇圧型のスイッチングレギュレータ2を備える。スイッチングレギュレータ2の入力ラインP1には、入力電圧VINが入力される。スイッチングレギュレータ2は入力電圧VINを昇圧して、出力ラインP2に出力電圧VOUTを出力する。
The
スイッチングレギュレータ2は昇圧型のDC/DCコンバータであり、制御IC100および出力回路102を備える。出力回路102は、インダクタL1、整流ダイオードD1、出力キャパシタC1を含む。出力回路102のトポロジーは一般的であるため、説明を省略する。
The
制御回路100は、スイッチングトランジスタM1、パルス信号生成部10およびドライバ回路20を備え、一つの半導体基板に一体集積化されている。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。
The
制御回路100のスイッチング端子(SW端子)は、インダクタL1と接続される。スイッチングトランジスタM1は、SW端子と接地端子の間に設けられる。スイッチングレギュレータ2の出力電圧VOUTは第1抵抗R1及び第2抵抗R2によって分圧され、フィードバック電圧VFBが生成される。制御回路100のフィードバック端子(FB端子)には、出力電圧VOUTに比例したフィードバック電圧VFBが入力される。
A switching terminal (SW terminal) of the
パルス信号生成部10は、フィードバック電圧VFBが、所定の基準電圧VREFと一致するようにデューティ比が調節されるパルス信号SPWMを生成する。パルス信号生成部10は、公知のパルス幅変調器、パルス周波数変調器などを用いて構成すればよく、特に限定されない。
The pulse
ドライバ回路20は、パルス信号SPWMに応じてスイッチングトランジスタM1を駆動する。制御回路100の設定端子ADJは、スイッチングトランジスタM1のゲート信号VGの遷移時間を設定するために設けられる。図2の制御回路100は、ゲート信号VGのライズタイムTR、フォールタイムTFの両方が、外部から設定可能となっている。
The
ドライバ回路20は、ハイサイドトランジスタM2、ローサイドトランジスタM3、ハイサイド可変電流源22、ローサイド可変電流源24、及び、スルーレート制御部30を備える。
The
ハイサイドトランジスタM2は、制御回路100の電源電圧VDDが供給される電源端子PVDDと、スイッチングトランジスタM1のゲートの間に設けられる。ローサイドトランジスタM3は、スイッチングトランジスタM1のゲートと接地端子の間に設けられる。
The high side transistor M2 is provided between the power supply terminal PVDD to which the power supply voltage V DD of the
ハイサイド可変電流源22は、電源端子PVDDとスイッチングトランジスタM1のゲートの間に、ハイサイドトランジスタM2と直列に設けられる。ローサイド可変電流源24は、スイッチングトランジスタM1のゲートと接地端子の間に、ローサイドトランジスタM3と直列に設けられる。ハイサイドトランジスタM2およびローサイドトランジスタM3のゲートには、パルス信号SPWMが入力される。ハイサイドトランジスタM2およびローサイドトランジスタM3は、パルス信号SPWMに応じて相補的にオン、オフが切りかえられる。
The high-side variable
スルーレート制御部30は、設定端子ADJの電気的状態に応じて、ハイサイド可変電流源22の電流量IHおよびローサイド可変電流源24の電流量ILを制御する。
Slew
図3(a)、(b)は、ドライバ回路20の構成例を示す回路図である。図3(a)のスルーレート制御部30は、基準電流源32、トランジスタM11〜M13を含む。
FIGS. 3A and 3B are circuit diagrams illustrating a configuration example of the
基準電流源32は、設定端子ADJの状態に応じた基準電流IREFを生成する。設定端子ADJには、調節用抵抗RADJが外付け可能となっている。基準電流源32は、第1バイポーラトランジスタQ1、第2バイポーラトランジスタQ2、バンドギャップリファレンス回路34、抵抗R11、R12を含む。バンドギャップリファレンス回路34は、所定の基準電圧VBGRを生成する。基準電圧VBGRは、抵抗R11、R12によって分圧される。
The reference
NPN型の第1バイポーラトランジスタQ1のエミッタは、設定端子ADJと接続される。PNP型の第2バイポーラトランジスタQ2のエミッタは、第1バイポーラトランジスタQ1のベースと接続される。第2バイポーラトランジスタQ2のベースには分圧された基準電圧VBGR’が入力される。第2バイポーラトランジスタQ2のエミッタには、第2バイポーラトランジスタQ2のエミッタ電流および第1バイポーラトランジスタQ1のベース電流を供給するための回路が接続されるが、その構成は特に限定されないため図示を省略している。 The emitter of the NPN-type first bipolar transistor Q1 is connected to the setting terminal ADJ. The emitter of the PNP-type second bipolar transistor Q2 is connected to the base of the first bipolar transistor Q1. The divided reference voltage V BGR ′ is input to the base of the second bipolar transistor Q2. A circuit for supplying the emitter current of the second bipolar transistor Q2 and the base current of the first bipolar transistor Q1 is connected to the emitter of the second bipolar transistor Q2, but the configuration is not particularly limited and is not shown in the figure. ing.
第1バイポーラトランジスタQ1および第2バイポーラトランジスタQ2のベースエミッタ間電圧Vbeが等しいと仮定すると、設定端子ADJの電圧は、基準電圧VBGR’と等しくなる。したがって、調節用抵抗RADJには、第1バイポーラトランジスタQ1を経由して以下の式(1)で与えられる基準電流IREFが流れる。
IREF=VBGR’/RADJ …(1)
基準電流源32は、第1バイポーラトランジスタQ1に流れる電流を、基準電流IREFとして出力する。
Assuming that the base-emitter voltage Vbe of the first bipolar transistor Q1 and the second bipolar transistor Q2 is equal, the voltage of the setting terminal ADJ becomes equal to the reference voltage V BGR ′. Therefore, the reference current I REF given by the following formula (1) flows through the adjustment resistor R ADJ via the first bipolar transistor Q1.
I REF = V BGR '/ R ADJ (1)
The reference
ハイサイド可変電流源22は、基準電流IREFに比例した電流IHを生成する。スルーレート制御部30のトランジスタM11は、第1バイポーラトランジスタQ1のコレクタ側の基準電流IREFの経路上に設けられる。ハイサイド可変電流源22は、入力トランジスタM11とともにカレントミラー回路を構成するトランジスタM14を含む。これにより、トランジスタM14には、基準電流IREFに比例した電流IHが流れる。
The high-side variable
同様にローサイド可変電流源24は、基準電流IREFに比例した電流ILを生成する。トランジスタM12は、トランジスタM11とともにカレントミラー回路を構成し、基準電流IREFに応じた電流IREF’を生成する。トランジスタM13は、電流IREF’の経路上に設けられる。ローサイド可変電流源24は、トランジスタM13とともにカレントミラー回路を形成するように接続されたトランジスタM15を含む。これによりトランジスタM15には、基準電流IREF’(延いては基準電流IREF)に比例した電流ILが流れる。
Similarly the low-side variable
図3(b)には、基準電流源32の別の構成例が示される。基準電流源32は、第3トランジスタQ3および演算増幅器36を含む。第3トランジスタQ3は、調節用抵抗RADJの経路上に設けられ、その制御端子(ベース)は、演算増幅器36の出力端子と接続される。演算増幅器36の一方の入力端子(非反転入力端子)には、基準電圧VBGR’が入力され、その他方の入力端子(反転入力端子)には、第3トランジスタQ3と抵抗RADJの接続点の電位がフィードバックされる。この構成によっても、式(1)の基準電流IREFが生成される。
FIG. 3B shows another configuration example of the reference
以上が制御回路100の構成である。続いてその動作を説明する。
The above is the configuration of the
スイッチングトランジスタM1は、ゲート信号VGがローレベル(接地電圧)のときオフ、ハイレベル(電源電圧VDD)のときオンする。ドライバ回路20は、スイッチングトランジスタM1をオフからオンに切りかえるときに、ローサイドトランジスタM3をオフ、ハイサイドトランジスタM2をオンとし、スイッチングトランジスタM1のゲートを充電し、ゲート信号VGを上昇させる。このときの上昇速度(スルーレート)は、ハイサイド可変電流源22の電流値IHが大きいほど速くなり、遷移時間TRは短くなる。
The switching transistor M1, the gate signal V G is turned on when the off high level (power supply voltage V DD) at a low level (ground voltage). The
反対にドライバ回路20は、スイッチングトランジスタM1をオンからオフに切りかえるとき、ローサイドトランジスタM3をオン、ハイサイドトランジスタM2をオフとし、スイッチングトランジスタM1のゲートを放電し、ゲート信号VGを低下させる。このときの低下速度(スルーレート)は、ローサイド可変電流源24の電流値ILが大きいほど速くなり、遷移時間TFは短くなる。
The
上述のように、ハイサイド可変電流源22およびローサイド可変電流源24の電流値IH、ILは、設定端子ADJの電気的状態に応じて変更可能となっている。したがって、図2、図3の制御回路100によれば、ゲート信号VGの遷移時間TR、TFを変化させることができる。
As described above, the current values I H and I L of the high-side variable
スイッチングレギュレータ2を搭載する電子機器1の設計者は、ある値の調節用抵抗RADJを設定端子ADJに接続し、スイッチングレギュレータ2を動作させる。このときにEMIの仕様を満たせば、調節用抵抗RADJをさらに小さい抵抗値のものと交換し、ゲート信号VGの遷移時間TR、TFを短くして効率を高めることができる。反対に、ある抵抗値においてEMIの仕様が満たされなければ、調整用抵抗RADJを大きいものと交換し、ゲート信号VGの遷移時間TR、TFを長くしてEMIを低減できる。
A designer of the
このようにして、制御回路100によれば、制御回路100を製造した後においても、ゲート信号VGの遷移時間TR、TFを変更できるため、セットごとに、EMIの仕様を満たす範囲で最大の効率を実現できる。
In this way, according to the
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. is there. Hereinafter, such modifications will be described.
図4は、変形例に係る制御回路100aの構成を示す回路図である。制御回路100aは、インタフェース回路40、メモリ42、スルーレート制御部30aを備える。設定端子ADJには、たとえばマイコン4から、スイッチングトランジスタM1のゲート信号VGの遷移時間TR、TFを指示する制御信号SADJが入力可能となっている。インタフェース回路40は、受信した制御信号SADJをレジスタや不揮発性メモリなどのメモリ42に書き込む。スルーレート制御部30aは、制御信号SADJに応じて、ハイサイド可変電流源22、ローサイド可変電流源24の電流量IH、ILを設定する。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a
たとえばスルーレート制御部30aは、制御信号SADJに応じた基準電流IREFを生成する基準電流源32aを含む。基準電流源32aの構成は特に限定されない。スルーレート制御部30aの、基準電流源32a以外の構成は、図3(a)と同様であってもよい。
For example, the slew
図4の変形例でも、図3(a)の制御回路100と同様の効果を得ることができる。
Also in the modified example of FIG. 4, the same effect as that of the
設定端子ADJには外部から電流量IH、ILを指示する制御電圧を入力してもよい。この場合、スルーレート制御部は、制御電圧に比例した基準電流を生成すればよい。具体的には、図3(a)、(b)のスルーレート制御部において調節用抵抗RADJを制御回路100に内蔵し、代わりに基準電圧VBGRあるいはVBGR’を、設定端子ADJに外部から入力するようにすればよい。
A control voltage indicating the current amounts I H and I L may be input to the setting terminal ADJ from the outside. In this case, the slew rate control unit may generate a reference current proportional to the control voltage. Specifically, an adjustment resistor R ADJ is built in the
実施の形態では、ライズタイムTRとフォールタイムTFを、共通の単一の設定端子ADJに対する指示に応じて制御する場合を説明したが、これらを独立に設定可能としてもよい。図3(a)の制御回路100においては、設定端子ADJおよび基準電流源32のペアを2個設け、一方を用いてハイサイド可変電流源22の電流値IHを設定し、他方を用いてローサイド可変電流源24の電流値ILを設定すればよい。
In the embodiment, the rise time T R and fall time T F, a case has been described to control in accordance with an instruction for a common single setting terminal ADJ, may be set them independently. In the
図4の制御回路100aにおいては、制御信号SADJに、ライズタイムTRを指定する第1データおよびフォールタイムTFを指定する第2データを含め、基準電流源32aを2個設ければよい。そして第1の基準電流源32aによって、第1データに応じた基準電流を生成し、ハイサイド可変電流源22の電流値IHを設定し、第2の基準電流源32aによって、第2データに応じた基準電流を生成し、ローサイド可変電流源24の電流値ILを設定してもよい。
In the
実施の形態では、ライズタイムTRとフォールタイムTFの両方を変更可能とする場合を説明したが、いずれか一方のみを変更可能としてもよい。ライズタイムTRのみを変更可能とする場合、ローサイド可変電流源24を省略し、あるいはローサイド可変電流源24が生成する電流値ILを固定すればよい。反対に、フォールタイムTFのみを変更可能とする場合、ハイサイド可変電流源22を省略し、あるいはハイサイド可変電流源22が生成する電流値IHを固定すればよい。
In the embodiment, a case has been described that allows changing both the rise time T R and fall time T F, may be changed only one. If the only changeable rise time T R, omit the low-side variable
実施の形態で示す回路図において、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)とバイポーラトランジスタは、適宜置換可能である。また、NPN型とPNP型、NチャンネルとPチャンネルを置換し、天地を反転した構成もまた有効である。 In the circuit diagram shown in the embodiment, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and a bipolar transistor can be appropriately replaced. Further, a configuration in which the NPN type and the PNP type, the N channel and the P channel are replaced, and the top and bottom are reversed is also effective.
実施の形態では、昇圧型のスイッチングレギュレータを例に説明したが、降圧型、あるいは昇降圧型にも本発明は適用可能であり、それらも本発明の範囲に含まれる。 Although the step-up switching regulator has been described as an example in the embodiment, the present invention can be applied to a step-down type or a step-up / step-down type, and these are also included in the scope of the present invention.
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments only illustrate the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many variations and modifications of the arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.
<スイッチング電源装置>
[第1実施形態]
図5は、スイッチング電源装置の第1実施形態を示す図である。第1実施形態のスイッチング電源装置101は、半導体集積回路装置110のほか、これに接続されるディスクリート素子として、コイルL1と、ショットキーバリアダイオードD1と、キャパシタC1と、抵抗R1及びR2と、を有する昇圧型スイッチングレギュレータである。
<Switching power supply>
[First Embodiment]
FIG. 5 is a diagram illustrating a first embodiment of the switching power supply device. In addition to the semiconductor integrated
半導体集積回路装置110の外部において、コイルL1の第1端は、入力電圧Vinの印加端に接続されている。コイルL1の第2端は、半導体集積回路装置110のスイッチ端子T1(スイッチ電圧Vswの印加端)に接続される一方、ショットキーバリアダイオードD1のアノードにも接続されている。ショットキーバリアダイオードD1のカソードは、出力電圧Voutの印加端に接続されている。キャパシタC1は、出力電圧Voutの印加端と接地端との間に接続されている。抵抗R1及びR2は、出力電圧Voutの印加端と接地端との間に直列に接続されている。抵抗R1と抵抗R2との接続ノードは、半導体集積回路装置110の帰還端子T1(帰還電圧Vfbの印加端)に接続されている。負荷Zは、出力電圧Voutの印加端と接地端との間に接続されている。
Outside the semiconductor integrated
半導体集積回路装置110は、いわゆるスイッチング電源ICであり、出力トランジスタ11a〜11cと、ドライバ12a〜12cと、制御部13と、を含む。なお、半導体集積回路装置110には、上記した回路ブロックのほか、保護回路ブロックなどを適宜組み込んでも構わない。
The semiconductor integrated
出力トランジスタ11a〜11cは、いずれもNチャネル型MOS[metal oxide semiconductor]電界効果トランジスタである。出力トランジスタ11a〜11cのドレインは、いずれもスイッチ端子T1に接続されている。出力トランジスタ11a〜11cのソースは、いずれも接地端に接続されている。出力トランジスタ11a〜11cのゲートはそれぞれドライバ12a〜12cの出力端に接続されている。このように、出力トランジスタ11a〜11cは、互いに並列に接続されている。
The
また、出力トランジスタ11a〜11cは、互いに異なるサイズ(半導体チップ上の占有面積)に設計されている。より具体的に述べると、出力トランジスタ11aのサイズを「×1」として定義した場合、出力トランジスタ11bのサイズは「×2」であり、出力トランジスタ11cのサイズは「×4」である。このような構成であれば、出力トランジスタ11a〜11cのうち、いずれを駆動対象(オン/オフ制御対象)とするかを切り替えることにより、出力トランジスタ11a〜11cを一つの出力トランジスタとして見た場合、そのサイズを7通りに切り替えることが可能となる。
The
出力トランジスタ11a〜11cのいずれか一つをオンとし、その他をオフとすれば、全体としてサイズ「×1」、「×2」、及び、「×4」の出力トランジスタを実現することができる。出力トランジスタ11a及び11bを同時にオンとし、出力トランジスタ11cをオフとすれば、全体としてサイズ「×3」の出力トランジスタを実現することができる。出力トランジスタ11a及び11cを同時にオンとし、出力トランジスタ11bをオフとすれば、全体としてサイズ「×5」の出力トランジスタを実現することができる。出力トランジスタ11b及び11cを同時にオンとし、出力トランジスタ11aをオフとすれば、全体としてサイズ「×6」の出力トランジスタを実現することができる。出力トランジスタ11a〜11cを全て同時にオンとすれば、全体としてサイズ「×7」の出力トランジスタを実現することができる。ただし、出力トランジスタ11a〜11cのサイズは上記に限定されるものではなく、互いに同一のサイズに設計しても構わない。
If any one of the
ドライバ12a〜12cは、それぞれ、制御部13から入力されるオン/オフ制御信号Sa〜Scの電流能力を高めたゲート信号Ga〜Gcを生成し、これを出力トランジスタ11a〜11cに各々供給する。
The
制御部13は、入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutを生成して負荷Zに供給するように所定のスイッチング周波数で出力トランジスタ11a〜11cのオン/オフ制御信号Sa〜Scを生成する。また、制御部13は、負荷Zの重さに基づいて駆動対象の出力トランジスタを決定する機能を備えている。なお、制御部13は、負荷Zの重さを知るために、負荷Zに流れる出力電流Iout若しくはこれと等価の電流または電圧(スイッチ端子T1に現れるスイッチ電流Iswやスイッチ電圧Vsw)を監視する構成とすればよい。或いは、制御部13は、負荷Zの重さを知るために、スイッチング電源装置101が搭載されるアプリケーションのメインコントローラ(不図示)から負荷Zの重さに関する情報信号を受け付ける構成としてもよい。
The
まず、上記の構成から成るスイッチング電源装置101の基本動作(直流/直流変換動作)について説明する。なお、以下では便宜上、出力トランジスタ11aのみを駆動対象とした場合を例示して説明を行うが、駆動対象とされた出力トランジスタの組み合わせに応じて文中の符号を「11b」、「11c」、「11a及び11b」、「11a及び11c」、「11b及び11c」、或いは、「11a〜11c」と読み替えることができる。
First, the basic operation (DC / DC conversion operation) of the switching
出力トランジスタ11aがオン状態にされると、コイルL1には出力トランジスタ11aを介して接地端に向けたスイッチ電流Iswが流れ、その電気エネルギが蓄えられる。なお、トランジスタ11aのオン期間において既にキャパシタC1に電荷が蓄積されていた場合、負荷ZにはキャパシタC1から出力電流Ioutが流れることになる。このときスイッチ端子T1の電位はトランジスタ11aを介してほぼ接地電位まで低下するので、ショットキーバリアダイオードD1は逆バイアス状態となり、キャパシタC1からトランジスタ11aに向けて電流が流れ込むことはない。一方、トランジスタ11aがオフ状態にされると、コイルL1に生じた逆起電圧によって、そこに蓄積されていた電気エネルギが放出される。このとき、ショットキーバリアダイオードD1は順バイアス状態となるため、ショットキーバリアダイオードD1を介して流れる電流は、出力電流Ioutとして負荷Zに流れ込むとともに、キャパシタC1を介して接地端にも流れ込み、キャパシタC1を充電することになる。上記の動作が繰り返されることにより、負荷Zには、入力電圧Vinを昇圧した出力電圧Voutが供給される。
When the
このように、半導体集積回路装置110は、トランジスタ11a〜11cのオン/オフ制御によってエネルギ貯蔵素子であるコイルL1を駆動することにより、入力電圧Vinを昇圧して出力電圧Voutを生成する昇圧型スイッチングレギュレータの一構成要素として機能する。
As described above, the semiconductor integrated
次に、制御部13の出力トランジスタ切替制御について説明する。スイッチ電流Iswが小さくなる軽負荷領域では、出力トランジスタのオン抵抗Ronに起因する損失(=Isw2×Ron)よりも、出力トランジスタのゲート・ソース間に付随する寄生容量Cgsの充放電に伴う損失(=f×Cgs×Vgs2)の方が支配的となる(fはスイッチング周波数、Vgsは出力トランジスタのゲート・ソース間電圧)。従って、軽負荷領域では、寄生容量Cgsの小さい小型サイズの出力トランジスタを用いることが望ましい。一方、スイッチ電流Iswが大きくなる重負荷領域では、出力トランジスタのオン抵抗Ronに起因する損失の方が支配的となるので、オン抵抗Ronの小さい大型サイズの出力トランジスタを用いることが望ましい。
Next, output transistor switching control of the
上記の知見に鑑み、制御部13は、負荷Zが重い(スイッチ電流Iswが大きい)ほどトランジスタのサイズを大きくし、負荷Zが軽い(スイッチ電流Iswが小さい)ほどトランジスタのサイズを小さくするように、駆動対象の出力トランジスタを決定する。
In view of the above knowledge, the
図6は、出力トランジスタ切替制御の一例を示す図である。図6の横軸はスイッチ電流Isw(出力電流Ioutと等価)を示しており、縦軸はスイッチング電源装置1の効率ηを示している。なお、第1閾値電流I1〜第6閾値電流I6は、I1<I2<I3<I4<I5<I6となるように設定されている。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of output transistor switching control. The horizontal axis in FIG. 6 represents the switch current Isw (equivalent to the output current Iout), and the vertical axis represents the efficiency η of the switching
図6で示したように、スイッチ電流Iswが第1閾値電流I1よりも小さいときには、出力トランジスタ11aのみが駆動対象とされて、サイズ「×1」の出力トランジスタが実現される。スイッチ電流Iswが第1閾値電流I1よりも大きく第2閾値電流I2よりも小さいときには、出力トランジスタ11bのみが駆動対象とされて、サイズ「×2」の出力トランジスタが実現される。スイッチ電流Iswが第2閾値電流I2よりも大きく第3閾値電流I3よりも小さいときには、出力トランジスタ11a及び11bが駆動対象とされて、サイズ「×3」の出力トランジスタが実現される。スイッチ電流Iswが第3閾値電流I3よりも大きく第4閾値電流I4よりも小さいときには、出力トランジスタ11cのみが駆動対象とされて、サイズ「×4」の出力トランジスタが実現される。スイッチ電流Iswが第4閾値電流I4よりも大きく第5閾値電流I5よりも小さいときには、出力トランジスタ11a及び11cが駆動対象とされて、サイズ「×5」の出力トランジスタが実現される。スイッチ電流Iswが第5閾値電流I5よりも大きく第6閾値電流I6よりも小さいときには、出力トランジスタ11b及び11cが駆動対象とされて、サイズ「×6」の出力トランジスタが実現される。スイッチ電流Iswが第6閾値電流I6よりも大きいときには、出力トランジスタ11a〜11cがいずれも駆動対象とされて、サイズ「×7」の出力トランジスタが実現される。
As shown in FIG. 6, when the switch current Isw is smaller than the first threshold current I1, only the
このように、負荷Zの重さに応じて出力トランジスタのサイズを切り替える構成であれば、スイッチング周波数の変動を招くことなく、重負荷領域から軽負荷領域に至る幅広い負荷領域で高い効率を実現することが可能となる。 Thus, if the configuration is such that the size of the output transistor is switched according to the weight of the load Z, high efficiency is realized in a wide load region from the heavy load region to the light load region without causing fluctuations in the switching frequency. It becomes possible.
なお、上記では、スイッチ電流Iswを監視して出力トランジスタの切替制御を行う構成を例に挙げて説明を行ったが、制御部13では、スイッチ電流Iswではなく、スイッチ電圧Vswを監視対象とすることも可能である。以下では、スイッチ電圧Vswを監視して出力トランジスタの切替制御を行う構成について説明する。
In the above description, the switch current Isw is monitored and the output transistor switching control is described as an example. However, the
図7は、スイッチ電圧Vswを監視して出力トランジスタの切替制御を行う制御部13の一構成例を示す図である。本構成例の制御部13は、誤差増幅器130と、発振器131と、比較器132と、RSフリップフロップ133と、比較器134及び135と、Dフリップフロップ136及び137と、判定部138と、信号ゲート部139とを含む。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of the
誤差増幅器130は、反転入力端(−)に印加される帰還電圧Vfb(出力電圧Voutの分圧電圧)と非反転入力端(+)に印加される所定の基準電圧Vref(出力電圧Voutの目標設定値に相当)との差分を増幅して誤差信号ERRを生成する。誤差信号ERRの電圧値は、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも低いほど大きくなる。
The
発振器131は、所定のスイッチング周波数fで矩形波状のクロック信号CLKと鋸波状(或いは三角波状)のスロープ信号SLPを生成する。 The oscillator 131 generates a rectangular wave clock signal CLK and a sawtooth (or triangular) slope signal SLP at a predetermined switching frequency f.
比較器132は、反転入力端(−)に印加される誤差信号ERRと非反転入力端(+)に印加されるスロープ信号SLPとを比較して比較信号PWM(比較結果に応じたデューティのパルス幅変調信号)を生成する。比較信号PWMは、誤差信号ERRがスロープ信号SLPよりも高ければローレベルとなり、低ければハイレベルとなる。従って、比較信号PWMのオンデューティ(スイッチング周期に対して出力トランジスタのオン期間が占める割合)は、誤差信号ERRの電圧値に応じて変動する。
The
RSフリップフロップ133は、リセット入力端(R)に入力される比較信号PWMとセット入力端(S)に入力されるクロック信号CLKに基づいて出力端(Q)からオン/オフ制御信号SWを出力する。オン/オフ制御信号SWは、クロック信号CLKの立ち上がりエッジでハイレベルにセットされ、比較信号PWMの立ち上がりエッジでローレベルにリセットされる。
The RS flip-
比較器134は、非反転入力端(+)に印加されるスイッチ電圧Vswと、反転入力端(−)に印加される第1閾値電圧Vth1とを比較して第1比較信号S1を生成する。第1比較信号S1は、スイッチ電圧Vswが第1閾値電圧Vth1よりも高ければハイレベルとなり、低ければローレベルとなる。
The
比較器135は、非反転入力端(+)に印加されるスイッチ電圧Vswと、反転入力端(−)に印加される第2閾値電圧Vth2(ただしVth2<Vth1)とを比較して第2比較信号S2を生成する。第2比較信号S2は、スイッチ電圧Vswが第2閾値電圧Vth2よりも高ければハイレベルとなり、低ければローレベルとなる。
The
Dフリップフロップ136は、クロック信号CLK(またはその遅延信号)の立ち上がりエッジでデータ入力端(D)に印加される第1比較信号S1をラッチする。すなわち、Dフリップフロップ136は、駆動対象の出力トランジスタがオンされているときに第1比較信号S1をラッチする第1ラッチとして機能する。すなわち、Dフリップフロップ136でラッチされた第1比較信号S1は、スイッチ電圧Vswのローレベル(=Ron×Isw)と第1閾値電圧Vth1との比較結果に相当する。
The D flip-
Dフリップフロップ137は、クロック信号CLK(またはその遅延信号)の立ち上がりエッジでデータ入力端(D)に印加される第2比較信号S2をラッチする。すなわち、Dフリップフロップ137は、駆動対象の出力トランジスタがオンされているときに第2比較信号S2をラッチする第2ラッチとして機能する。すなわち、Dフリップフロップ137でラッチされた第2比較信号S2は、スイッチ電圧Vswのローレベル(=Ron×Isw)と第2閾値電圧Vth2との比較結果に相当する。
The D flip-
判定部138は、Dフリップフロップ136でラッチされた第1比較信号S1と、Dフリップフロップ137でラッチされた第2比較信号S2に基づいて、駆動対象の出力トランジスタを決定するための切替信号S3を生成して信号ゲート部139に出力する。
Based on the first comparison signal S1 latched by the D flip-
具体的に述べると、スイッチ電圧Vswのローレベルが第1閾値電圧Vth1よりも高いとき、すなわち、第1比較信号S1及び第2比較信号S2がいずれもハイレベルであるときには、トランジスタのサイズを現状よりも1段階大きくするように、UP指示の切替信号S3が生成される(図8の上段、ないしは、図9のタイミング(1)及び(2)を参照)。また、スイッチ電圧Vswのローレベルが第1閾値電圧Vth1よりも低く第2閾値電圧Vth2よりも高いとき、すなわち、第1比較信号S1がローレベルであって第2比較信号S2がハイレベルであるときには、トランジスタのサイズを現状に維持するように、KEEP指示の切替信号S3を生成する(図8の中段、ないしは、図9のタイミング(3)及び(4)を参照)。また、スイッチ電圧Vswのローレベルが第2閾値電圧Vth2よりも低いとき、すなわち、第1比較信号S1及び第2比較信号S2がいずれもローレベルであるときには、トランジスタのサイズを現状よりも1段階小さくするように、DOWN指示の切替信号S3を生成する(図8の下段、ないしは、図9のタイミング(5)及び(6)を参照)。 Specifically, when the low level of the switch voltage Vsw is higher than the first threshold voltage Vth1, that is, when both the first comparison signal S1 and the second comparison signal S2 are at the high level, the size of the transistor is set to the current state. The UP instruction switching signal S3 is generated so as to be larger by one level (see the upper stage in FIG. 8 or the timings (1) and (2) in FIG. 9). Further, when the low level of the switch voltage Vsw is lower than the first threshold voltage Vth1 and higher than the second threshold voltage Vth2, that is, the first comparison signal S1 is at a low level and the second comparison signal S2 is at a high level. In some cases, the KEEP instruction switching signal S3 is generated so as to maintain the transistor size at the current level (see the middle stage of FIG. 8 or timings (3) and (4) of FIG. 9). When the low level of the switch voltage Vsw is lower than the second threshold voltage Vth2, that is, when both the first comparison signal S1 and the second comparison signal S2 are at the low level, the transistor size is set to one level from the current level. A DOWN instruction switching signal S3 is generated so as to be small (see the lower part of FIG. 8 or the timings (5) and (6) of FIG. 9).
信号ゲート部139は、判定部138から入力される切替信号S3に応じてオン/オフ制御信号SWの供給先を切り替える。例えば、サイズ「×3」の出力トランジスタが実現されているときにUP指示の切替信号S3が入力された場合には、サイズ「×4」の出力トランジスタを実現するようにオン/オフ制御信号SWの供給先が変更される。一方、サイズ「×3」の出力トランジスタが実現されているときにDOWN指示の切替信号S3が入力された場合には、サイズ「×2」の出力トランジスタを実現するようにオン/オフ制御信号SWの供給先が変更される。また、サイズ「×3」の出力トランジスタが実現されているときにKEEP指示の切替信号S3が入力された場合には、オン/オフ制御信号SWの供給先が変更されることなく維持される。
The
他のサイズの出力トランジスタが実現されているときに、UP指示、DOWN指示、または、KEEP指示の切替信号S3が入力された場合についても、基本的には上記と同様の考え方に基づいてオン/オフ制御信号SWの供給先が決定される。ただし、サイズ「×7」の出力トランジスタが実現されているときにUP指示の切替信号S3が入力された場合には、これ以上のサイズアップができないので、オン/オフ制御信号SWの供給先が変更されることなく維持される。同様に、サイズ「×1」の出力トランジスタが実現されているときにDOWN指示の切替信号S3が入力された場合には、これ以上のサイズダウンができないので、オン/オフ制御信号SWの供給先が変更されることなく維持される。 Even when the output signal of another size is realized and the switching signal S3 of the UP instruction, the DOWN instruction, or the KEEP instruction is input, the ON / OFF is basically based on the same concept as described above. The supply destination of the off control signal SW is determined. However, if the UP instruction switching signal S3 is input when the output transistor of size “× 7” is realized, the size cannot be further increased, and therefore the supply destination of the on / off control signal SW is Maintained without change. Similarly, when the DOWN instruction switching signal S3 is input when the output transistor of size “× 1” is realized, the size cannot be further reduced, and the supply destination of the on / off control signal SW Is maintained without change.
なお、出力トランジスタ11aのみが駆動対象とされて、サイズ「×1」の出力トランジスタが実現されるときには、オン/オフ制御信号Saとしてオン/オフ制御信号SWが出力され、オン/オフ制御信号Sb及びScがローレベルに固定される。出力トランジスタ11bのみが駆動対象とされて、サイズ「×2」の出力トランジスタが実現されるときには、オン/オフ制御信号Sbとしてオン/オフ制御信号SWが出力され、オン/オフ制御信号Sa及びScがローレベルに固定される。出力トランジスタ11a及び11bが駆動対象とされて、サイズ「×3」の出力トランジスタが実現されるときには、オン/オフ制御信号Sa及びSbとしてオン/オフ制御信号SWが出力され、オン/オフ制御信号Scがローレベルに固定される。出力トランジスタ11cのみが駆動対象とされて、サイズ「×4」の出力トランジスタが実現されるときには、オン/オフ制御信号Scとしてオン/オフ制御信号SWが出力され、オン/オフ制御信号Sa及びSbがローレベルに固定される。出力トランジスタ11a及び11cが駆動対象とされて、サイズ「×5」の出力トランジスタが実現されるときには、オン/オフ制御信号Sa及びScとしてオン/オフ制御信号SWが出力され、オン/オフ制御信号Sbがローレベルに固定される。出力トランジスタ11b及び11cが駆動対象とされて、サイズ「×6」の出力トランジスタが実現されるときには、オン/オフ制御信号Sb及びScとしてオン/オフ制御信号SWが出力され、オン/オフ制御信号Saがローレベルに固定される。出力トランジスタ11a〜11cがいずれも駆動対象とされて、サイズ「×7」の出力トランジスタが実現されるときには、オン/オフ制御信号Sa〜Scとしてオン/オフ制御信号SWが出力される。
When only the
上記したように、本構成例の制御部13は、駆動対象の出力トランジスタをオン/オフ制御することにより発生する矩形波状のスイッチ電圧Vswを監視し、駆動対象の出力トランジスタがオンされているときに検出されたスイッチ電圧Vsw(すなわちスイッチ電圧Vswのローレベル)と、所定の閾値電圧Vth1及びVth2との比較結果に基づいて、駆動対象の出力トランジスタを決定する。このような構成とすることにより、非常に簡易な回路構成でありながら、負荷Zの重さに応じて適切に出力トランジスタのサイズを切り替えることが可能となる。
As described above, the
[第2実施形態]
図10は、スイッチング電源装置の第2実施形態を示す図である。第2実施形態のスイッチング電源装置101は、第1実施形態とほぼ同様の構成であり、チャージポンプ回路120をさらに有する点に特徴を有している。そこで、第1実施形態と同様の構成要素については図5と同一の符号を付すことで重複した説明を割愛し、以下では、第2実施形態の特徴部分について重点的な説明を行う。
[Second Embodiment]
FIG. 10 is a diagram illustrating a second embodiment of the switching power supply device. The switching
チャージポンプ回路120は、スイッチ電圧Vswを用いて出力電圧Voutを昇圧することにより、第2出力電圧Vout2を生成する回路ブロックであり、キャパシタ121及び122と、ダイオード123及び124と、を含む。
The
キャパシタ121の第1端は、スイッチ電圧Vswの印加端に接続されている。キャパシタ121の第2端は、ダイオード123のカソードとダイオード124のアノードに接続されている。ダイオード123のアノードは、出力電圧Voutの印加端に接続されている。ダイオード124のカソードは、第2出力電圧Vout2の印加端に接続されている。キャパシタ122は、第2出力電圧Vout2の印加端と接地端との間に接続されている。
A first end of the
スイッチ電圧Vswのローレベル期間には、出力電圧Voutの印加端からダイオード123とキャパシタ121を介してスイッチ電圧Vswの印加端に向けた充電電流が流れる。このとき、キャパシタ121の両端間電圧はほぼ出力電圧Voutとなる。その後、スイッチ電圧Vswのハイレベル期間において、キャパシタ121の第1端が入力電圧Vinの近傍まで引き上げられると、キャパシタ121の電荷保存則により、キャパシタ121の第2端も(Vout+Vin)まで引き上げられ、ダイオード124を介してキャパシタ122が充電される。上記の動作が繰り返されることにより、出力電圧Voutをさらに昇圧した第2出力電圧Vout2が生成される。
During the low level period of the switch voltage Vsw, a charging current flows from the application terminal of the output voltage Vout to the application terminal of the switch voltage Vsw via the
第2実施形態のスイッチング電源装置101であれば、幅広い負荷領域での高効率化に際して、スイッチング周波数を一定に維持することができるので、スイッチ電圧Vswを利用するチャージポンプ回路120を安定して動作させることが可能となる。
With the switching
[第3実施形態]
次に、スイッチング電源装置の効率に関連する回路特性として、出力トランジスタのスルーレートに着目する。図12は、出力トランジスタのスルーレートを説明するための図である。スイッチング電源装置の効率を高めるためには、出力トランジスタのスルーレートを大きく設定して、スイッチ電圧Vswの立上がり時間tr及び立下り時間tfを短縮する必要がある。ただし、出力トランジスタのスルーレートを大きく設定すると、電磁波ノイズ(EMI[electro-magnetic interference]ノイズ)の発生量が増大する。そのため、スイッチング電源装置の効率と電磁波ノイズの発生量とのトレードオフを考慮して出力トランジスタのスルーレートを最適値に調整することが重要である。
[Third Embodiment]
Next, attention is paid to the slew rate of the output transistor as a circuit characteristic related to the efficiency of the switching power supply device. FIG. 12 is a diagram for explaining the slew rate of the output transistor. In order to increase the efficiency of the switching power supply device, it is necessary to shorten the rise time tr and fall time tf of the switch voltage Vsw by setting the slew rate of the output transistor large. However, when the slew rate of the output transistor is set to be large, the amount of electromagnetic noise (EMI [electro-magnetic interference] noise) generated increases. For this reason, it is important to adjust the slew rate of the output transistor to an optimum value in consideration of the trade-off between the efficiency of the switching power supply device and the amount of electromagnetic noise generated.
図13は、スイッチング電源装置の第3実施形態を示す図である。第3実施形態のスイッチング電源装置101は、半導体集積回路装置110のほか、これに接続されるディスクリート素子として、コイルL1と、ショットキーバリアダイオードD1と、キャパシタC1と、抵抗R1及びR2と、を有する昇圧型スイッチングレギュレータである。なお、ディスクリート素子の接続関係については、第1実施形態や第2実施形態と同様であるため、重複した説明は割愛する。
FIG. 13 is a diagram illustrating a third embodiment of the switching power supply device. In addition to the semiconductor integrated
半導体集積回路装置110は、いわゆるスイッチング電源ICであり、出力トランジスタ11と、ドライバ12と、制御部13と、イネーブルロジック部14とを含む。なお、半導体集積回路装置110には、上記した回路ブロックのほか、保護回路ブロックなどを適宜組み込んでも構わない。
The semiconductor integrated
出力トランジスタ11は、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタである。出力トランジスタ11のドレインは、スイッチ端子T1に接続されている。出力トランジスタ11のソースは、接地端に接続されている。出力トランジスタ11のゲートはドライバ12の出力端に接続されている。
The
ドライバ12は、制御部13から入力されるオン/オフ制御信号Sの電流能力を高めたゲート信号Gを生成し、これを出力トランジスタ11に供給する。ドライバ12は、単位ドライバ12x〜12zを含む。単位ドライバ12x〜12zは、制御部13の信号出力端と出力トランジスタ11のゲートに対してそれぞれ並列に接続されている。単位ドライバ12x〜12zは、イネーブルロジック部14から入力されるイネーブル信号ENx〜Enzに応じて個別に動作可否が制御される。単位ドライバ12x〜12zは、それぞれ同一サイズのトランジスタによって形成されている。このような構成であれば、単位ドライバ12x〜12zのうち、いずれを動作させるかを切り替えることにより、ドライバ12の電流能力(延いては出力トランジスタ11のスルーレート)を3通り(×1、×2、×3)に切り替えることが可能となる(図14を参照)。
The
制御部13は、入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutを生成して負荷Zに供給するように所定のスイッチング周波数で出力トランジスタ11のオン/オフ制御信号Sを生成する。
The
イネーブルロジック部14は、半導体集積回路装置110の外部から入力されるスルーレート調整信号ADJに応じて単位ドライバ12x〜12z毎のイネーブル信号ENx〜ENzを生成する。イネーブル信号ENx〜ENzは、それぞれ、ドライバ12x〜12zの動作を許可する際にハイレベルとされ、ドライバ12x〜12zの動作を禁止する際にローレベルとされる。
The enable
第3実施形態のスイッチング電源装置101であれば、スルーレート調整信号ADJに応じてドライバ12の電流能力(ドライブ能力)を可変制御することができるので、ドライバ12の設計変更(延いては半導体集積回路装置110の作り直し)を行うことなく、スイッチング電源装置101の効率と電磁波ノイズの発生量とのトレードオフを考慮して出力トランジスタ11のスルーレートを最適値に調整することが可能となる。
In the switching
図15は、ドライバ12k(ただしk=x、y、z)の一構成例を示す図である。本構成例のドライバ12kは、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタK1と、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタK2と、ORゲートK3と、ANDゲートK4と、NOTゲートK5及びK6と、を含む。
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of the
トランジスタK1のソースは、電源電圧の印加端に接続されている。トランジスタK1及びK2のドレインは、いずれもゲート信号Gの印加端に接続されている。トランジスタK2のソースは、接地端に接続されている。トランジスタK1のゲートは、ORゲートK3の出力端に接続されている。トランジスタK2のゲートは、ANDゲートK4の出力端に接続されている。ORゲートK3の第1入力端とANDゲートK4の第1入力端は、いずれもNOTゲートK5の出力端に接続されている。NOTゲートK5の入力端は、オン/オフ制御信号Sの印加端に接続されている。ORゲートK3の第2入力端は、NOTゲートK6の出力端に接続されている。ANDゲートK4の第2入力端とNOTゲートK6の入力端は、いずれもイネーブル信号ENkの印加端に接続されている。 The source of the transistor K1 is connected to a power supply voltage application terminal. The drains of the transistors K1 and K2 are both connected to the application terminal for the gate signal G. The source of the transistor K2 is connected to the ground terminal. The gate of the transistor K1 is connected to the output terminal of the OR gate K3. The gate of the transistor K2 is connected to the output terminal of the AND gate K4. The first input terminal of the OR gate K3 and the first input terminal of the AND gate K4 are both connected to the output terminal of the NOT gate K5. The input terminal of the NOT gate K5 is connected to the application terminal of the on / off control signal S. The second input terminal of the OR gate K3 is connected to the output terminal of the NOT gate K6. The second input terminal of the AND gate K4 and the input terminal of the NOT gate K6 are both connected to the application terminal of the enable signal ENk.
ドライバ12kに入力されるイネーブル信号ENkがハイレベル(動作許可時の論理レベル)である場合、ORゲートK3とANDゲートK4は、いずれもNOTゲートK5で論理反転されたオン/オフ制御信号Sをスルー出力する状態となる。従って、オン/オフ制御信号Sがハイレベルであれば、トランジスタK1がオンとなってトランジスタK2がオフとなるので、ゲート信号Gがハイレベルとなる。一方、オン/オフ制御信号Sがローレベルであれば、トランジスタK1がオフとなってトランジスタK2がオンとなるので、ゲート信号Gがローレベルとなる。
When the enable signal ENk input to the
これに対して、ドライバ12kに入力されるイネーブル信号ENkがローレベル(動作禁止時の論理レベル)である場合、オン/オフ制御信号Sに依らず、ORゲートK3はハイレベルを出力し、ANDゲートK4はローレベルを出力する。従って、トランジスタK1及びK2がいずれもオフとなるので、ゲート信号Gがハイインピーダンス状態となる。
On the other hand, when the enable signal ENk input to the
このように、本構成例のドライバ12kであれば、簡易な回路構成でイネーブル制御を実現することが可能となる。
As described above, with the
次に、単位ドライバ12x〜12zを各々形成するトランジスタのサイズを同一とした理由について説明する。図16は、サイズの異なるドライバ間で貫通電流が生じる様子を示す図である。なお、単位ドライバ12mを形成するトランジスタM11及びM12は、単位ドライバ12nを形成するトランジスタN11及びN12よりもサイズが小さく、オン/オフ制御信号Sに応じてより早くオン/オフ状態が切り替わるものとする。また、単位ドライバ12m及び12nは、いずれも動作許可状態であるものとする。
Next, the reason why the sizes of the transistors forming the
例えば、オン/オフ制御信号Sがハイレベルからローレベルに切り替わった場合、単位ドライバ12mを形成するトランジスタM11及びM12は、それぞれ遅滞なく、オフ状態からオン状態及びオン状態からオフ状態に切り替わる。一方、単位ドライバ12nを形成するトランジスタN11及びN12は、それぞれトランジスタM11及びM12よりも遅れて、オフ状態からオン状態及びオン状態からオフ状態に切り替わる。このようなオン/オフ切替タイミングのずれにより、トランジスタM11とトランジスタN12の同時オン期間が生じてしまうと、電源電圧の印加端からトランジスタM11及びN12を介して接地端に至る経路で過大な貫通電流が流れてしまい、素子の破壊や発煙・発火などを招くおそれがある。
For example, when the on / off control signal S is switched from the high level to the low level, the transistors M11 and M12 forming the
これに対して、第3実施形態のスイッチング電源装置101であれば、単位ドライバ12x〜12zを各々形成するトランジスタのサイズが同一とされているので、上記のオン/オフ切替タイミングのずれは生じず、貫通電流の発生を未然に回避することができる。
On the other hand, in the switching
なお、第3実施形態では、出力トランジスタ11とドライバ12を一つずつ有する構成を例に挙げたが、先出の第1実施形態(または第2実施形態)と第3実施形態とを組み合わせて適用する場合には、図5に倣って出力トランジスタとドライバを各々複数組並列に設けた上で、複数のドライバは、それぞれ、対応する出力トランジスタの制御端に対して並列に接続されて個別に動作可否が制御される複数の単位ドライバを含む構成(すなわち複数のドライバ各々について第3実施形態を適用した構成)とすればよい。
In the third embodiment, a configuration having one
[第4実施形態]
図17は、スイッチング電源装置の第4実施形態を示す図である。第4実施形態のスイッチング電源装置201は、半導体集積回路装置210のほか、これに外付けされるディスクリート素子として、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタTr1及びTr2(以下メイントランジスタTr1及びTr2と呼ぶ)と、コイルL2と、キャパシタC2と、抵抗R3及びR4と、を有する降圧型スイッチングレギュレータである。
[Fourth Embodiment]
FIG. 17 is a diagram illustrating a fourth embodiment of the switching power supply device. In addition to the semiconductor integrated
半導体修正回路装置210には、外部との電気的な接続を確立するために、外部端子T11〜T16が設けられている。半導体集積回路装置210の外部において、外部端子T11は、入力電圧Vinの印加端とメイントランジスタTr1のドレインに接続されている。外部端子T12は、メイントランジスタTr1のゲートに接続されている。外部端子T13(スイッチ電圧Vswの印加端)は、メイントランジスタTr1のソースと、メイントランジスタTr2のドレインと、コイルL2の第1端に接続されている。外部端子T14は、メイントランジスタTr2のゲートに接続されている。外部端子T15は、メイントランジスタTr2のソースと接地端に接続されている。コイルL2の第2端は、出力電圧Voutの印加端に接続されている。キャパシタC2は、出力電圧Voutの印加端と接地端との間に接続されている。抵抗R3及びR4は、出力電圧Voutの印加端と接地端との間に直列に接続されている。抵抗R3と抵抗R4との接続ノードは、半導体集積回路装置210の外部端子T16(帰還電圧Vfbの印加端)に接続されている。負荷Zは、出力電圧Voutの印加端と接地端との間に接続されている。
The semiconductor
半導体集積回路装置210は、いわゆるスイッチング電源ICであり、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ211及び212(以下、サブトランジスタ211及び212と呼ぶ)と、メインドライバ213及び214と、サブドライバ215及び216と、メインコントローラ217と、サブコントローラ218と、負荷検出部219と、を含む。なお、半導体集積回路装置210には、上記した回路ブロックのほか、保護回路ブロックなどを適宜組み込んでも構わない。
The semiconductor integrated
サブトランジスタ211のドレインは、外部端子T11に接続されている。サブトランジスタ211のソースは、外部端子T13に接続されている。すなわち、メイントランジスタTr1とサブトランジスタ211は、互いに並列に接続されている。
The drain of the sub-transistor 211 is connected to the external terminal T11. The source of the sub-transistor 211 is connected to the external terminal T13. That is, the main transistor Tr1 and the
サブトランジスタ212のドレインは、外部端子T13に接続されている。サブトランジスタ212のソースは、外部端子T15に接続されている。すなわち、メイントランジスタTr2とサブトランジスタ212は、互いに並列に接続されている。 The drain of the sub-transistor 212 is connected to the external terminal T13. The source of the sub-transistor 212 is connected to the external terminal T15. That is, the main transistor Tr2 and the sub-transistor 212 are connected in parallel with each other.
なお、メイントランジスタTr1及びTr2は、サブトランジスタ211及び212よりもオン抵抗値が小さく、サブトランジスタ211及び212は、メイントランジスタTr1及びTr2よりもゲート容量値が小さいものとする。
It is assumed that the main transistors Tr1 and Tr2 have smaller on-resistance values than the
メインドライバ213及び214は、それぞれ、メインコントローラ217から入力されるメイン制御信号に応じたメインゲート信号を生成してメイントランジスタTr1及びTr2に供給する。
The
サブドライバ215及び216は、それぞれ、サブコントローラ218から入力されるサブ制御信号に応じたサブゲート信号を生成してサブトランジスタ211及び212に供給する。なお、サブドライバ215及び216は、メインドライバ213及び214と比べて駆動能力の小さい小型サイズとされている。
The
メインコントローラ217は、重負荷モード時にメイントランジスタTr1及びTr2を駆動するように所定のスイッチング周波数でメイン制御信号を生成する。
The
サブコントローラ218は、軽負荷モード時にサブトランジスタ211及び212を駆動するように所定のスイッチング周波数でサブ制御信号を生成する。
The
負荷検出部219は、負荷Zの重さを検出して重負荷モードと軽負荷モードを切り替えるようにメインコントローラ217及びサブコントローラ218を制御する。なお、負荷検出部219は、負荷Zの重さを知るために、負荷Zに流れる出力電流Iout若しくはこれと等価の電流または電圧(スイッチ端子T1に現れるスイッチ電流Iswやスイッチ電圧Vsw)を監視する構成とすればよい。或いは、負荷検出部219は、負荷Zの重さを知るために、スイッチング電源装置201が搭載されるアプリケーションのメインコントローラ(不図示)から負荷Zの重さに関する情報信号を受け付ける構成としてもよい。
The
なお、上記のメインコントローラ217、サブコントローラ218、及び、負荷検出部219は、先出の図5や図13で示したように、単一の制御部として形成してもよい。
The
上記構成から成るスイッチング電源装置201において、メイントランジスタTr1及びTr2、若しくは、サブトランジスタ211及び212が相補的(排他的)にオン/オフされると、外部端子T13に矩形波状のパルス電圧Vswが生成される。このパルス電圧Vswを平滑化することにより、負荷Zには、入力電圧Vinを降圧した出力電圧Voutが供給される。なお、本明細書中で用いられている「相補的(排他的)」という文言は、メイントランジスタTr1及びTr2、若しくは、サブトランジスタ211及び212のオン/オフ状態が完全に逆転している場合のほか、貫通電流防止の観点から両トランジスタのオン/オフ遷移タイミングに所定の遅延が与えられている場合(両トランジスタの同時オン防止期間が設けられている場合)も含む。
In the switching
このように、半導体集積回路装置210は、メイントランジスタTr1及びTr2、若しくは、サブトランジスタ211及び212のオン/オフ制御によってエネルギ貯蔵素子であるコイルL2を駆動することにより、入力電圧Vinを降圧して出力電圧Voutを生成する降圧型スイッチングレギュレータの一構成要素として機能する。
As described above, the semiconductor integrated
次に、負荷検出部219の動作モード切替制御(メイン/サブ切替制御)について説明する。先にも述べたように、軽負荷領域では、ゲート容量の小さい小型サイズの出力トランジスタを用いることが望ましく、逆に、重負荷領域では、オン抵抗値の小さい大型サイズの出力トランジスタを用いることが望ましい。
Next, the operation mode switching control (main / sub switching control) of the
上記の知見に鑑み、負荷検出部219は、重負荷領域ではメイントランジスタTr1及びTr2を駆動対象とし、軽負荷領域ではサブトランジスタ211及び212を駆動対象とする。
In view of the above knowledge, the
図18は、メイン/サブ切替制御の一例を示す図であり、上から順に、システムの負荷状態と動作モード(メイン/サブ)が描写されている。 FIG. 18 is a diagram illustrating an example of main / sub switching control, in which the system load state and operation mode (main / sub) are depicted in order from the top.
図18で示したように、重負荷領域(時刻t1〜t2)では、サブトランジスタ211及び212よりもオン抵抗値の小さいメイントランジスタTr1及びTr2が駆動対象とされる一方、軽負荷領域(時刻t1以前、及び、時刻t2以後)では、メイントランジスタTr1及びTr2よりもゲート容量の小さいサブトランジスタ211及び212が駆動対象とされる。
As shown in FIG. 18, in the heavy load region (time t1 to t2), the main transistors Tr1 and Tr2 having smaller on-resistance values than the
このように、負荷Zの重さに応じて出力トランジスタを切り替える構成であれば、先述の第1実施形態(図5)と同様に、スイッチング周波数の変動を招くことなく、重負荷領域から軽負荷領域に至る幅広い負荷領域で高い効率を実現することが可能となる。 As described above, if the output transistor is switched according to the weight of the load Z, the light load can be changed from the heavy load region without causing the change of the switching frequency as in the first embodiment (FIG. 5). It is possible to achieve high efficiency in a wide load range up to the range.
<テレビへの適用>
図19はスイッチング電源装置を搭載したテレビの一構成例を示すブロック図である。また、図20A〜図20Cは、それぞれ、スイッチング電源装置を搭載したテレビの正面図、側面図、及び、背面図である。本構成例のテレビXは、チューナ部X1と、デコーダ部X2と、表示部X3と、スピーカ部X4と、操作部X5と、インタフェイス部X6と、制御部X7と、電源部X8と、を有する。
<Application to TV>
FIG. 19 is a block diagram illustrating a configuration example of a television equipped with a switching power supply device. 20A to 20C are a front view, a side view, and a rear view of a television on which a switching power supply device is mounted, respectively. The television X of this configuration example includes a tuner unit X1, a decoder unit X2, a display unit X3, a speaker unit X4, an operation unit X5, an interface unit X6, a control unit X7, and a power supply unit X8. Have.
チューナ部X1は、テレビXに外部接続されるアンテナX0で受信された受信信号から所望チャンネルの放送信号を選局する。 The tuner unit X1 selects a broadcast signal of a desired channel from a reception signal received by an antenna X0 externally connected to the television X.
デコーダ部X2は、チューナX1で選局された放送信号から映像信号と音声信号を生成する。また、デコーダ部X2は、インタフェイス部X6からの外部入力信号に基づいて、映像信号と音声信号を生成する機能も備えている。 The decoder unit X2 generates a video signal and an audio signal from the broadcast signal selected by the tuner X1. The decoder unit X2 also has a function of generating a video signal and an audio signal based on an external input signal from the interface unit X6.
表示部X3は、デコーダ部X2で生成された映像信号を映像として出力する。 The display unit X3 outputs the video signal generated by the decoder unit X2 as a video.
スピーカ部X4は、デコーダ部で生成された音声信号を音声として出力する。 The speaker unit X4 outputs the audio signal generated by the decoder unit as audio.
操作部X5は、ユーザ操作を受け付けるヒューマンインタフェイスの一つである。操作部X5としては、ボタン、スイッチ、リモートコントローラなどを用いることができる。 The operation unit X5 is one of human interfaces that accept user operations. As the operation unit X5, a button, a switch, a remote controller, or the like can be used.
インタフェイス部X6は、外部デバイス(光ディスクプレーヤやハードディスクドライブなど)から外部入力信号を受け付けるフロントエンドである。 The interface unit X6 is a front end that receives an external input signal from an external device (such as an optical disk player or a hard disk drive).
制御部X7は、上記各部X1〜X6の動作を統括的に制御する。制御部X7としては、CPU[central processing unit]などを用いることができる。 The control unit X7 comprehensively controls the operations of the respective units X1 to X6. As the control unit X7, a CPU [central processing unit] or the like can be used.
電源部X8は、上記各部X1〜X7に電力供給を行う。電源部X8としては、先述のスイッチングレギュレータ2やスイッチング電源装置101及び201を好適に用いることができる。
The power supply unit X8 supplies power to the units X1 to X7. As the power supply unit X8, the
<その他の変形例>
上記の実施形態では、昇圧型や降圧型のスイッチング電源装置を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象は何らこれに限定されるものではなく、昇降圧型のスイッチング電源装置にも広く適用することが可能である。
<Other variations>
In the above embodiment, the step-up and step-down switching power supply devices have been described as examples. However, the application target of the present invention is not limited to this, and the step-up / step-down switching power supply device is also applicable. It can be widely applied.
また、本明細書中に開示された種々の技術的特徴については、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。例えば、バイポーラトランジスタとMOS電界効果トランジスタとの相互置換や、各種信号の論理レベル反転は任意である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 Further, various technical features disclosed in the present specification can be variously modified within the scope of the technical creation in addition to the above-described embodiment. For example, mutual replacement of a bipolar transistor and a MOS field effect transistor and logic level inversion of various signals are arbitrary. That is, the above-described embodiment is an example in all respects and should not be considered as limiting, and the technical scope of the present invention is not the description of the above-described embodiment, but the claims. It should be understood that all modifications that come within the meaning and range of equivalents of the claims are included.
本明細書中に開示されているスイッチング電源装置は、LCD−TV、PDP−TV、DVDレコーダ、BDレコーダなど、様々なアプリケーションの電源として利用することが可能である。 The switching power supply device disclosed in this specification can be used as a power supply for various applications such as LCD-TV, PDP-TV, DVD recorder, and BD recorder.
1…電子機器、Q1…第1バイポーラトランジスタ、M1…スイッチングトランジスタ、2…スイッチングレギュレータ、Q2…第2バイポーラトランジスタ、M2…ハイサイドトランジスタ、3…負荷、M3…ローサイドトランジスタ、10…パルス信号生成部、20…ドライバ回路、22…ハイサイド可変電流源、24…ローサイド可変電流源、30…スルーレート制御部、32…基準電流源、100…制御回路。
DESCRIPTION OF
101、201 スイッチング電源装置
110、210 半導体集積回路装置(スイッチング電源IC)
11、11a、11b、11c 出力トランジスタ(NMOSFET)
12、12a、12b、12c ドライバ
12x、12y、12z、12k 単位ドライバ
13 制御部
130 誤差増幅器
131 比較器
132 発振器
133 RSフリップフロップ
134、135 比較器
136、137 Dフリップフロップ
138 判定部
139 信号ゲート部
14 イネーブルロジック部
120 チャージポンプ回路
121、122 キャパシタ
123、124 ダイオード
211、212 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(サブ)
213、214 メインドライバ(上側/下側)
215、216 サブドライバ(上側/下側)
217 メインコントローラ
218 サブコントローラ
219 負荷検出部
L1、L2 コイル
C1、C2 キャパシタ
R1、R2、R3、R4 抵抗
D1 ショットキーバリアダイオード
Tr1、Tr2 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(メイン)
Z 負荷
T1 スイッチ端子
T2 帰還端子
T3 スルーレート調整端子
T11〜T16 外部端子
K1、M11、N11 Pチャネル型MOS電界効果トランジスタ
K2、M12、N12 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
K3 ORゲート
K4 ANDゲート
K5、K6 NOTゲート
X テレビ
X0 アンテナ
X1 チューナ部
X2 デコーダ部
X3 表示部
X4 スピーカ部
X5 操作部
X6 インタフェイス部
X7 制御部
X8 電源部
101, 201 Switching
11, 11a, 11b, 11c Output transistor (NMOSFET)
12, 12a, 12b,
213, 214 Main driver (upper / lower)
215, 216 Sub-driver (upper / lower)
217
Z load T1 switch terminal T2 feedback terminal T3 slew rate adjustment terminal T11 to T16 external terminals K1, M11, N11 P-channel MOS field effect transistors K2, M12, N12 N-channel MOS field effect transistors K3 OR gate K4 AND gate K5, K6 NOT gate X TV X0 antenna X1 tuner unit X2 decoder unit X3 display unit X4 speaker unit X5 operation unit X6 interface unit X7 control unit X8 power supply unit
Claims (7)
互いに並列に接続された複数の第2トランジスタと、
半導体装置に内蔵され、入力電圧から所望の出力電圧を生成して負荷に供給するように所定の周波数で前記複数の第1トランジスタ及び前記複数の第2トランジスタそれぞれのオン/オフ制御信号を生成する制御部と、
前記半導体装置に内蔵され、前記複数の第1トランジスタと前記複数の第2トランジスタとの接続ノードに現れるスイッチ電圧を監視することにより前記負荷の重さを検出する負荷検出部と、
を有し、
前記制御部は、前記複数の第1トランジスタと前記複数の第2トランジスタとを相補的にオン/オフする際、前記負荷検出部で検出された前記負荷の重さに基づいて駆動対象の第1トランジスタ及び第2トランジスタを決定するものであり、
前記複数の第1トランジスタは、前記半導体装置に外付けされた第1メイントランジスタと、前記半導体装置に内蔵された第1サブトランジスタと、を含み、
前記第1メイントランジスタは前記第1サブトランジスタよりもオン抵抗値が小さく、前記第1サブトランジスタは前記第1メイントランジスタよりもゲート容量値が小さく、
前記スイッチ電圧は、前記半導体装置の内部において、前記第1サブトランジスタの一端から前記負荷検出部に入力されていることを特徴とするスイッチング電源装置。 A plurality of first transistors connected in parallel to each other;
A plurality of second transistors connected in parallel to each other;
An on / off control signal for each of the plurality of first transistors and the plurality of second transistors is generated at a predetermined frequency so as to generate a desired output voltage from an input voltage and supply it to a load. A control unit;
A load detector that is built in the semiconductor device and detects the weight of the load by monitoring a switch voltage appearing at a connection node between the plurality of first transistors and the plurality of second transistors;
Have
The controller is configured to turn on / off the plurality of first transistors and the plurality of second transistors in a complementary manner based on the weight of the load detected by the load detector . Determining a transistor and a second transistor ;
Wherein the plurality of first transistor includes a first main transistor which is external to said semiconductor device, a first sub-transistor incorporated in the semiconductor device, and
The first main transistor has a smaller on-resistance than the first sub-transistor, the first sub-transistor is minor gate capacitance value than the first main transistor,
The switching power supply device , wherein the switch voltage is input to the load detector from one end of the first sub-transistor inside the semiconductor device.
前記第2メイントランジスタは前記第2サブトランジスタよりもオン抵抗値が小さく、前記第2サブトランジスタは前記第2メイントランジスタよりもゲート容量値が小さいことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 The plurality of second transistors include a second main transistor externally attached to the semiconductor device, and a second sub-transistor built in the semiconductor device,
2. The switching power supply according to claim 1 , wherein the second main transistor has a smaller on-resistance value than the second sub-transistor, and the second sub-transistor has a smaller gate capacitance value than the second main transistor. apparatus.
前記第1メイントランジスタを駆動する第1メインドライバと、
前記第1サブトランジスタを駆動する第1サブドライバと、
前記第2メイントランジスタを駆動する第2メインドライバと、
前記第2サブトランジスタを駆動する第2サブドライバと、
をさらに有することを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。 Built in the semiconductor device,
A first main driver for driving the first main transistor;
A first sub-driver for driving the first sub-transistor;
A second main driver for driving the second main transistor;
A second sub-driver for driving the second sub-transistor;
The switching power supply device according to any one of claims 2 to 4 , further comprising:
前記第1外部端子と前記第3外部端子との間に接続された第1サブトランジスタと、
前記第3外部端子と前記第5外部端子との間に接続された第2サブトランジスタと、
第1サブ制御信号に応じた第1サブ駆動信号を生成して前記第1サブトランジスタに供給する第1サブドライバと、
第2サブ制御信号に応じた第2サブ駆動信号を生成して前記第2サブトランジスタに供給する第2サブドライバと、
第1メイン制御信号に応じた第1メイン駆動信号を生成して前記第2外部端子から前記第1サブトランジスタと並列に接続された外付けの第1メイントランジスタに供給する第1メインドライバと、
第2メイン制御信号に応じた第2メイン駆動信号を生成して前記第4外部端子から前記第2サブトランジスタと並列に接続された外付けの第2メイントランジスタに供給する第2メインドライバと、
重負荷モード時に前記第1メイントランジスタと前記第2メイントランジスタとを相補的にオン/オフするように前記第1メイン制御信号及び前記第2メイン制御信号を生成するメインコントローラと、
軽負荷モード時に前記第1サブトランジスタと前記第2サブトランジスタとを相補的にオン/オフするように前記第1サブ制御信号及び前記第2サブ制御信号を生成するサブコントローラと、
前記第1サブトランジスタと前記第2サブトランジスタとの接続ノードに現れるスイッチ電圧を監視することにより負荷の重さを検出して前記重負荷モードと前記軽負荷モードを切り替えるように前記メインコントローラ及び前記サブコントローラを制御する負荷検出部と、
を有する半導体装置であって、
前記スイッチ電圧は、前記半導体装置の内部において、前記第1サブトランジスタと前記第2サブトランジスタとの接続ノードから前記負荷検出部に入力されていることを特徴とする半導体装置。 A first external terminal to a fifth external terminal;
A first sub-transistor connected between the first external terminal and the third external terminal;
A second sub-transistor connected between the third external terminal and the fifth external terminal;
A first sub-driver that generates a first sub-drive signal corresponding to the first sub-control signal and supplies the first sub-drive signal to the first sub-transistor;
A second sub-driver that generates a second sub-drive signal according to a second sub-control signal and supplies the second sub-drive signal to the second sub-transistor;
A first main driver that generates a first main drive signal according to a first main control signal and supplies the first main drive signal to the external first main transistor connected in parallel with the first sub-transistor from the second external terminal;
A second main driver that generates a second main drive signal corresponding to the second main control signal and supplies the second main drive signal to the external second main transistor connected in parallel with the second sub-transistor from the fourth external terminal;
A main controller for generating the first main control signal and the second main control signal so that the first main transistor and the second main transistor are complementarily turned on / off in the heavy load mode;
A sub-controller that generates the first sub-control signal and the second sub-control signal so as to complementarily turn on / off the first sub-transistor and the second sub-transistor in the light load mode;
Monitoring the switch voltage appearing at a connection node between the first sub-transistor and the second sub-transistor to detect the weight of the load and to switch between the heavy load mode and the light load mode; A load detector that controls the sub-controller;
A semiconductor device comprising:
The semiconductor device, wherein the switch voltage is input to the load detection unit from a connection node between the first sub-transistor and the second sub-transistor inside the semiconductor device.
前記チューナ部で選局された放送信号から映像信号と音声信号を生成するデコーダ部と、
前記映像信号を映像として出力する表示部と、
前記音声信号を音声として出力するスピーカ部と、
ユーザ操作を受け付ける操作部と、
外部入力信号を受け付けるインタフェイス部と、
上記各部の動作を統括的に制御する制御部と、
上記各部に電力供給を行う電源部と、
を有し、
前記電源部は、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置、または、請求項6に記載の半導体装置を含むことを特徴とするテレビ。 A tuner unit that selects a broadcast signal of a desired channel from a received signal;
A decoder unit that generates a video signal and an audio signal from the broadcast signal selected by the tuner unit;
A display unit for outputting the video signal as a video;
A speaker unit for outputting the audio signal as audio;
An operation unit for accepting user operations;
An interface for receiving external input signals;
A control unit that comprehensively controls the operation of each of the above units;
A power supply unit for supplying power to each of the above-mentioned units;
Have
The power supply unit includes a switching power supply device according to any one of claims 1 to 5 or a semiconductor device according to claim 6 .
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