JP6490565B2 - 昇降圧電源および電源回路 - Google Patents
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Description
降圧時 Iin_buck=Io 式(2)
Vin_boost:昇圧時の入力電圧
Vin_buck:降圧時の入力電圧
Vg=Vin・2−Vf 式(3)
式(3)によって、ブートストラップ回路で生成した昇圧と降圧時スイッチング素子3のオン時のゲート電圧Vg_boostとVg_buckは、Vin_boost・2−VfとVin_buck・2−Vfとなる。同じ電源の効率を実現するため、昇圧、降圧時のソースードレーン電圧Vdsが同じであることが要求される。また、昇圧、降圧時のスイッチング素子3のドレーン電圧Vd_boostとVd_buckがVin_boostとVin_buckであるため、ソース電圧Vs_boostとVs_buckが、Vin_boost−VdsとVin_buck−Vdsとなる。これによって、昇圧と降圧時のスイッチング素子3のゲート・ソース間の電圧Vgs_boostとVgs_buckは、(Vin_boost−Vf+Vds)と(Vin_buck−Vf+Vds)になる。MOSのオン抵抗がゲート・ソース間の電圧に比例するため、同じオン抵抗を実現するため、昇降圧電源のスイッチング素子3の面積が降圧電源のみの場合の(Vin_buck−Vf+Vds)/(Vin_boost−Vf+Vds)倍になる必要がある。昇圧時の入力電圧Vin_boostが降圧時の入力電圧Vin_buckより低いため、昇降圧電源のスイッチング素子3の面積が降圧電源のみの場合より大きい。
2)昇降圧判定回路により入力電圧Vinが出力電圧Voより低下することを判定されたら、電源が昇圧モードに入り、スイッチング素子3がずっとオンとなる。このタイミングで電圧切替回路によって、 スイッチング素子3のドライバの電源電圧がブートストラップ回路からチャージポンプ回路に切替。
3)昇降圧判定回路により入力電圧Vinが出力電圧Voより上昇することを判定されたら、電源が降圧モードに入り、スイッチング素子3がスイッチングする。このタイミングで電圧切替回路によって、 スイッチング素子3のドライバの電源電圧がチャージポンプ回路からブートストラップ回路に切替。
図2は、実施の形態1の昇降圧電源の構成を表す図面である。図2及び図1における同一構成部分には同一符号を付している。
以下では、図3〜5を使って、実施の形態1の昇降圧電源の動作状態が降圧から昇圧に切替える時と昇圧から降圧に切替える時、スイッチング素子23をオンさせるゲート電圧Vgの変化を説明する。
図4と図3を参照し、昇降圧電源が降圧から昇圧に切替える動作フローを説明する。昇降圧電源の動作状態301が降圧の時(S401)、スイッチング素子23をオンさせるゲート電圧Vg、すなわち降圧ドライバ24の電源電圧Vdriver310はブートストラップ回路7の出力Vb(=Vin・2−Vf)である(S402)。この時、チャージポンプ(CP)回路21の状態302は停止状態である。また、入力電圧Vin303が昇降圧判定回路14中の閾値Vth3より高いため、昇降圧判定回路14の出力の判定信号Vchange308はローである。
図5と図3を参照し、昇降圧電源が昇圧から降圧に切替える動作フローを説明する。昇降圧電源の動作状態が昇圧の時(S501)、スイッチング素子23をオンさせるゲート電圧Vg、すなわち降圧ドライバ24の電源電圧Vdriver310はチャージポンプ(CP)18の出力電圧Vcp306である(S502)。この時、チャージポンプ(CP)回路21の状態302は動作状態である。
以下では、チャージポンプ(CP)起動判定回路17中の閾値Vth1、チャージポンプ(CP)電圧判定回路20中の閾値Vth2、昇降圧判定回路14中の閾値Vth3の関係とそれぞれの決め方を述べる。
<1>の理由で、スイッチング素子3の面積が降圧電源のみの場合の1.2倍になる必要がある。
降圧時には、降圧スイッチ23(トランジスタ)をスイッチング動作させる必要がある。スイッチング動作では常時オン動作とは異なりインダクタ9で電流を消費するので、チャージポンプ回路では電流駆動能力を大きくする必要がある。そのため、大容量の外付けコンデンサが必要となる。一方、ブートストラップ回路は、出力電圧レベルは低いが、電源(例えばバッテリ)電圧が高い降圧時には問題にならない。さらに、降圧時にトランジスタ(降圧スイッチ23)をスイッチングするために十分な電流駆動能力を有するため、コンデンサを大きくする必要がない。
降圧スイッチ23の他の具体的な構成例として、並列に接続された第1のスイッチング素子とこれより素子の面積が小さい第2のスイッチング素子を用いるように構成してもよい。この場合には、昇圧部が動作する時、チャージポンプ回路18の電圧で第1のスイッチング素子をオンし、降圧部が動作する時、ブートストラップ回路7の電圧で第2のスイッチング素子をオンする。昇圧時と降圧時に適したスイッチング特性が得られる。
2 昇圧部
3、11、23 スイッチング素子
4、24 降圧ドライバ
5、8、10 ダイオード
6、12 コンデンサ
7 ブートストラップ回路
9 インダクタ
13 制御回路
14 昇降圧判定回路
16 電圧切替回路
17 チャージポンプ起動判定回路
18 チャージポンプ
19 発振器
20 チャージポンプ電圧判定回路
21 チャージポンプ回路
22 ゲート電圧生成回路
Vin 昇降圧電源の入力電圧
Vin_boost 昇圧時、昇降圧電源の入力電圧
Vin_buck 降圧時、昇降圧電源の入力電圧
Vo 昇降圧電源の出力電圧
Vst, Vcptest, Vchange 判定信号
Vosc パルス信号
Vdriver 降圧ドライバ24の電源電圧
Vcp チャージポンプ18の出力電圧
Vb ブートストラップ回路7の出力電圧
Vc_buck, Vc_boost 制御回路の出力信号
Vg スイッチング素子3と23のゲート電圧
Vd スイッチング素子3と23のドレイン電圧
Vd_boost 昇圧時、スイッチング素子3と23のドレイン電圧
Vs スイッチング素子3と23のゲート電圧
Vs_boost 昇圧時、スイッチング素子3と23のソース電圧
Iin 昇降圧電源の入力電流
Iin_boost 昇圧時、昇降圧電源の入力電流
Iin_buck 降圧時、昇降圧電源の入力電流
Vf ブートストラップ回路7のダイオード5のフォーワード電圧値
Vgs スイッチング素子3と23のゲートとソース間の電圧
Vgs_boost 昇圧時、スイッチング素子3と23のゲートとソース間の電圧
Vgs_buck 降圧時、スイッチング素子3と23のゲートとソース間の電圧
Vds スイッチング素子3と23のドレインとソース間の電圧
Claims (11)
- 昇降圧電源であって、
前記昇降圧電源の入力電圧が一端に印加される降圧スイッチのオンオフにより、前記入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧部と、
グランドが一端に印加される昇圧スイッチのオンオフにより、前記入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧部と、
前記降圧スイッチのゲート電圧を制御する降圧ゲート電圧制御回路と、を備え、
前記降圧ゲート電圧制御回路は、
前記降圧スイッチをオンするための第1の電圧と第2の電圧を生成するゲート電圧生成回路と、
前記第1の電圧と前記第2の電圧間を切り替えるゲート電圧切替回路を有し、
前記ゲート電圧生成回路は、
前記第1の電圧を生成する第1生成回路と前記第2の電圧を生成する第2生成回路を有し、
前記第2生成回路が駆動できる負荷電流が前記第1生成回路よりも大きく、
前記第1生成回路はチャージポンプ回路から構成され、
前記第2生成回路がブートストラップ回路から構成されることを特徴とする昇降圧電源。 - 前記ゲート電圧切替回路は、前記昇圧部が動作する時、
前記降圧スイッチをオンするための電圧が前記第1の電圧に切替わり、
前記降圧部が動作する時、
前記降圧スイッチをオンするための電圧が前記第2の電圧に切替わることを特徴とする
請求項1記載の昇降圧電源。 - 前記ゲート電圧生成回路は、前記昇圧部が動作する時、
前記第2生成回路から生成した前記第2の電圧の電圧レベルが、
前記第1生成回路が生成した第1の電圧の電圧レベル以下となることを特徴とする
請求項1記載の昇降圧電源。 - 前記入力電圧が前記出力電圧に相当する第一電圧閾値以下のとき、
前記昇圧部が動作し、
前記入力電圧が前記第一電圧閾値よりも大きいとき、
前記降圧部が動作することを特徴とする
請求項1記載の昇降圧電源。 - 前記降圧スイッチとして、
並列に接続された第1のスイッチング素子とこれより素子の面積が小さい第2のスイッチング素子を用い、
前記昇圧部が動作する時、前記第1の電圧で前記第1のスイッチング素子をオンし、
前記降圧部が動作する時、前記第2の電圧で前記第2のスイッチング素子をオンすることを特徴とする
請求項1記載の昇降圧電源。 - 前記入力電圧が第二電圧閾値より低下した時、
前記第1生成回路が動作し、
前記入力電圧が第一電圧閾値より上昇した時、
前記第1生成回路が停止し、
前記第二電圧閾値が前記第一電圧閾値よりも大きいことを特徴とする
請求項1記載の昇降圧電源。 - 前記ゲート電圧切替回路は、
前記入力電圧が前記出力電圧に相当する第一電圧閾値以下になり、前記第1生成回路から生成した電圧が前記第1の電圧になった時、
前記降圧スイッチをオンするための電圧が前記第1の電圧に切替わり、
前記入力電圧が前記第一電圧閾値よりも大きい時、
前記降圧スイッチをオンするための電圧が前記第2の電圧に切替わることを特徴とする
請求項1記載の昇降圧電源。 - 前記ゲート電圧切替回路は、
前記第1生成回路を起動するために、出力がLowからHighに遷移する起動判定回路と、
前記第1生成回路から生成した電圧が前記第1の電圧になった場合に出力がLowからHighに遷移する電圧判定回路と、
前記入力電圧が前記出力電圧に相当する第一電圧閾値以下になり、かつ、前記電圧判定回路の出力がLowからHighになった場合に、出力がLowからHighに遷移する昇降圧判定回路と、
を備え、
前記昇降圧判定回路の出力がHighからLowに切替える動作によって、前記起動判定回路がリセットされ、出力がHighからLowに切替わることにより、前記第1生成回路の状態は動作状態から停止状態になる、
請求項7記載の昇降圧電源。 - 入力電圧から出力電圧を生成する昇降圧電源回路であって、前記入力電圧を昇圧する昇圧部と、前記入力電圧を降圧する降圧部を備え、
前記降圧部は、前記入力電圧が第1の端子に供給される半導体トランジスタからなる降圧スイッチと、
前記降圧スイッチのゲート電圧を、出力電圧レベルの異なる第1の回路と、該第1の回路とは異なる第2の回路を切り替えて供給する降圧ゲート電圧制御回路と、
を備え、
前記入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧動作時において、前記降圧スイッチを常時ONとし、
前記入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧動作時において、前記降圧スイッチをスイッチング動作させ、
前記降圧ゲート電圧制御回路は、
前記昇圧動作時においては、前記第1の回路であるチャージポンプ回路から前記降圧スイッチのゲート電圧を供給し、
前記降圧動作時においては、前記第2の回路であるブートストラップ回路から前記降圧スイッチのゲート電圧を供給する、
電源回路。 - 入力電圧から出力電圧を生成する昇降圧電源回路であって、前記入力電圧を昇圧する昇圧部と、前記入力電圧を降圧する降圧部を備え、
前記降圧部は、前記入力電圧が第1の端子に供給される半導体トランジスタからなる降圧スイッチと、
前記降圧スイッチのゲート電圧を、出力電圧レベルの異なる第1の回路と、該第1の回路とは異なる第2の回路を切り替えて供給する降圧ゲート電圧制御回路と、
を備え、
前記降圧スイッチの第2の端子にインダクタが接続され、
前記昇圧部は昇圧スイッチを備え、
前記昇圧スイッチの第1の端子が接地電位に接続され、第2の端子が前記インダクタに接続され、前記第2の端子と前記インダクタの接続点が前記出力電圧を得る出力端子に接続され、
前記降圧スイッチと前記昇圧スイッチの動作を制御する制御回路を備え、
前記制御回路は、
前記入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧動作時において、
前記降圧スイッチをスイッチング動作させるとともに、前記昇圧スイッチを常時OFFとし、
前記入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧動作時において、
前記昇圧スイッチをスイッチング動作させるとともに、前記降圧スイッチを常時ONとするように制御を行い、
前記降圧ゲート電圧制御回路は、
前記昇圧動作時においては、前記第1の回路であるチャージポンプ回路から前記降圧スイッチのゲート電圧を供給し、
前記降圧動作時においては、前記第2の回路であるブートストラップ回路から前記降圧スイッチのゲート電圧を供給する、
電源回路。 - 前記第2の回路は、前記第1の回路が供給する第1のレベルの電圧より低い第2のレベルの電圧を前記降圧スイッチのゲート電圧として供給し、
前記第2の回路は前記第1の回路よりも、電流駆動能力が高く、かつ、出力電圧レベルが低く、
前記第1の回路と前記第2の回路は、入力と出力がそれぞれ独立している、
請求項9または10記載の電源回路。
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