JP6919920B2 - Adaptive controller for voltage converter - Google Patents
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スイッチドモードDC−DCブーストコンバータは、概して、スイッチとして少なくとも2つの半導体デバイス(スイッチとしてのトランジスタ、及び同期スイッチとしてのダイオード又はトランジスタなど)を含む。より一層効率的に半導体スイッチをオン及びオフに切り替えることは、全体としてDC−DCブーストコンバータの効率を有利に増大し得る。 A switched mode DC-DC boost converter generally includes at least two semiconductor devices as switches, such as a transistor as a switch and a diode or transistor as a synchronous switch. Switching the semiconductor switch on and off even more efficiently can advantageously increase the efficiency of the DC-DC boost converter as a whole.
DC−DCブーストコンバータのスイッチをオフにするため時間量の変動を低減させるためのシステム及び方法が本明細書に開示される。一実施例において、DC−DCコンバータが、入力電圧ノード、インダクタ、並びに、インダクタ及び入力電圧ノードに結合されるスイッチを含む。より具体的には、スイッチはオン状態及びオフ状態を有し、オン状態の間、インダクタを介して流れる電流が増大し、オフ状態は、スイッチに結合されるドライバを介するインダクタを介して流れる電流の低減につながる。ドライバは、複数のトランジスタとアダプティブ電圧ノードとを含み、アダプティブ電圧ノードにおける電圧レベルは、スイッチをオフにするための時間量の変動を低減させるようにインダクタを介して流れる電流に従って変動するためのものである。 Systems and methods for reducing time fluctuations to switch off a DC-DC boost converter are disclosed herein. In one embodiment, the DC-DC converter comprises an input voltage node, an inductor, and a switch coupled to the inductor and the input voltage node. More specifically, the switch has an on-state and an off-state, during which the current flowing through the inductor increases, and in the off-state, the current flowing through the inductor through the driver coupled to the switch. Leads to a reduction in The driver includes multiple transistors and an adaptive voltage node so that the voltage level at the adaptive voltage node fluctuates according to the current flowing through the inductor so as to reduce the variation in the amount of time to switch off. Is.
別の実施例において、DC−DCコンバータが、入力電圧ノード及びインダクタに結合される第1のスイッチと、インダクタ及び出力電圧ノードに結合される第2のスイッチと、第1及び第2のスイッチに結合され、第1及び第2のスイッチを交互にオン及びオフするように構成されるドライバとを含む。より具体的には、第1のスイッチがオンである間、第1のスイッチは、インダクタを介して流れる電流を増大させるように構成される。第2のスイッチがオンである間、第2のスイッチは、インダクタを介して流れる電流を低減させるように構成される。第1のスイッチがオフである間、ドライバは、或る電圧レベルをアダプティブ電圧ノードに提供し、この電圧レベルは、第1のスイッチをオフにするための時間の変動を低減させるように、インダクタを介して流れる電流に反比例する。 In another embodiment, the DC-DC converter is attached to the first switch coupled to the input voltage node and the inductor, the second switch coupled to the inductor and the output voltage node, and the first and second switches. Includes a driver that is coupled and configured to alternately turn the first and second switches on and off. More specifically, while the first switch is on, the first switch is configured to increase the current flowing through the inductor. While the second switch is on, the second switch is configured to reduce the current flowing through the inductor. While the first switch is off, the driver provides an adaptive voltage node with a voltage level that reduces the variation in time to turn off the first switch. It is inversely proportional to the current flowing through.
更なる実施例において、或る方法が、インダクタを介して流れる電流に基づいて、入力電圧ノード及びメインスイッチに結合されるインダクタを介して流れる電流を低減するようにDC−DCコンバータのメインスイッチをオフにすること、インダクタを介して流れる電流に反比例する電圧レベルをアダプティブ電圧ノードにおいて提供すること、及びアダプティブ電圧ノードにおける電圧レベルに基づいて、メインスイッチをオフにするための時間の量を決定することを含む。 In a further embodiment, one method uses the main switch of the DC-DC converter to reduce the current flowing through the inductor coupled to the input voltage node and the main switch, based on the current flowing through the inductor. Determining the amount of time to turn off the main switch based on turning it off, providing a voltage level at the adaptive voltage node that is inversely proportional to the current flowing through the inductor, and the voltage level at the adaptive voltage node. Including that.
本発明の例示の実施例の詳細な説明のため、添付の図面を参照する。 References are made to the accompanying drawings for a detailed description of the exemplary embodiments of the invention.
下記記載及び特許請求の範囲の全般にわたって、特定のシステム構成要素を指すために、一定の用語を使用する。当業者には理解されるように、とある企業が、或る構成要素を異なる名称で言及し得る。本明細書は、機能ではなく名称の異なる構成要素同士を区別することを意図していない。これ以降の説明において及び特許請求の範囲において、用語「含む(including)」及び「含む(comprising)」は非限定形式で用いられ、従って、「を含むけれども、・・・に限定されない」ことを意味すると解釈すべきである。また、「結合する(couple or couples)」という用語は、間接的又は直接的接続のいずれかを意味することが意図されている。そのため、第1のデバイスが第2のデバイスに結合する場合、その接続は、直接的接続を介し得、或いは、他のデバイス及び接続を介する間接的接続を介し得る。 Certain terms are used to refer to specific system components throughout the description and claims below. As will be appreciated by those skilled in the art, a company may refer to a component with a different name. The present specification is not intended to distinguish between components with different names rather than functions. In the following description and in the claims, the terms "inclusion" and "comprising" are used in a non-limiting form, and thus "including, but not limited to ...". It should be interpreted as meaning. Also, the term "couple or couples" is intended to mean either indirect or direct connection. Therefore, when the first device is coupled to the second device, the connection may be via a direct connection or through another device and an indirect connection via the connection.
これ以降の説明は本発明の種々の実施例に向けられる。これらの実施例の一つ又は複数が好ましい可能性があるが、開示される実施例は、請求項を含む本開示の範囲を制限するように、解釈又はその他の方式で用いられるべきではない。また、当業者であれば、下記の説明が広範な用途を有し、任意の実施例の説明は、その実施例の例示であることのみを意図し、請求項を含む本開示の範囲がその実施例に限定されることを暗示することは意図されないことが分かるであろう。 Subsequent description is directed to various embodiments of the present invention. One or more of these examples may be preferred, but the disclosed examples should not be used in any interpretation or other manner to limit the scope of the present disclosure, including the claims. Also, those skilled in the art will appreciate that the following description has a wide range of uses, and that the description of any embodiment is intended only to be an example of that embodiment, and the scope of the present disclosure, including the claims, is such. It will be found that it is not intended to imply that it is limited to the examples.
ブーストコンバータは、一層低い入力電圧源に基づいて一層高い出力電圧を生成するために用いられる。そのため、例えばバッテリーからの入力電圧源が、直流・直流(DC・DC)ブーストコンバータにより受信され得、特定のレギュレートされた電圧を要求する種々の電気的構成要素を給電するために必要な所望の電圧までブーストされ得る。 Boost converters are used to generate higher output voltages based on lower input voltage sources. Thus, for example, an input voltage source from a battery can be received by a direct current (DC / DC) boost converter and is required to power various electrical components that require a particular regulated voltage. Can be boosted to the voltage of.
概して、スイッチドモードブーストコンバータが、少なくとも2つの半導体デバイス(ダイオード及び/又はトランジスタなど)、及び少なくとも一つのエネルギー蓄積要素(キャパシタ、インダクタなど)を含む。ブーストコンバータにおいて、半導体デバイスは、入力電圧を所望の出力電圧にレギュレートするように、交互にオン及びオフにするようにスイッチとして構成され得る。より具体的には、スイッチをオン及びオフにすることは、スイッチに結合されるドライバ又はコントローラを介して制御され得る。 Generally, a switched mode boost converter includes at least two semiconductor devices (diodes and / or transistors, etc.) and at least one energy storage element (capacitors, inductors, etc.). In the boost converter, the semiconductor device may be configured as a switch to alternately turn on and off to regulate the input voltage to the desired output voltage. More specifically, turning the switch on and off can be controlled via a driver or controller coupled to the switch.
一例において、ブーストコンバータが、ローサイドスイッチとして機能する第1のトランジスタ(例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)又はバイポーラ接合トランジスタ(BJT)など)、及び、ハイサイドスイッチとして機能する第2のトランジスタを含むことが好ましい。ローサイドスイッチは、インダクタ及び接地に結合され、ハイサイドスイッチは、出力(好ましくは、コンバータの負荷)及びインダクタに結合される。典型的に、ローサイドスイッチ及びハイサイドスイッチは、スイッチに結合されるコントローラにより提供されるパルス幅変調(PWM)信号を介して制御される。PWM信号は、低レベルと高レベルとの間を交互に遷移する時変矩形波である。この交互の遷移の結果、ローサイドスイッチ及びハイサイドスイッチがオン及びオフに交互に切り替えられる。 In one example, the boost converter acts as a low-side switch, a first transistor (eg, a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) or a bipolar junction transistor (BJT), etc.) and a second transistor that functions as a high-side switch. It is preferable to include a transistor. The low-side switch is coupled to the inductor and ground, and the high-side switch is coupled to the output (preferably the load of the converter) and the inductor. Typically, the low-side and high-side switches are controlled via a pulse width modulation (PWM) signal provided by a controller coupled to the switch. The PWM signal is a time-varying square wave that alternates between low and high levels. As a result of this alternating transition, the low-side switch and the high-side switch are switched on and off alternately.
引き続き上記の例において、PWM信号が高レベルにある間、ローサイドスイッチはオンになり得、PWM信号遷移が高レベルを低レベルに形成し、これが、ローサイドスイッチをオフにするまで、オンのままであり得る。同時に、ローサイドスイッチがオフである間、ハイサイドスイッチはオンである。より具体的には、ローサイドスイッチがオンであるとき、入力電圧源が、インダクタ及びローサイドスイッチを用いて接地への短絡回路を形成する。従って、電流がインダクタを介して流れ、これは、磁場を生成することによりインダクタ内に蓄積するエネルギーとなる。ローサイドスイッチがオフであるとき、磁場がなくなり、インダクタにおける蓄積されたエネルギーが、ハイサイドスイッチを介して電圧コンバータの負荷(出力電圧ノードにおいて結合される出力キャパシタなど)に流れる。理想的には、ローサイド及びハイサイドスイッチのスイッチングが充分に速い場合、スイッチング損失は無視することができ、電圧コンバータは出力電圧ノードにおける電圧レベルを一定に維持することができ、出力電圧ノードにおける電圧レベルは入力電圧より高い。 Continuing in the above example, the low-side switch can be on while the PWM signal is at a high level, and the PWM signal transition forms a high level at a low level, which remains on until the low-side switch is turned off. could be. At the same time, the high side switch is on while the low side switch is off. More specifically, when the low-side switch is on, the input voltage source uses an inductor and a low-side switch to form a short circuit to ground. Therefore, a current flows through the inductor, which becomes the energy stored in the inductor by generating a magnetic field. When the low-side switch is off, the magnetic field disappears and the stored energy in the inductor flows through the high-side switch to the load of the voltage converter (such as the output capacitor coupled at the output voltage node). Ideally, if the low-side and high-side switches are switching fast enough, the switching loss can be ignored, the voltage converter can keep the voltage level at the output voltage node constant, and the voltage at the output voltage node. The level is higher than the input voltage.
しかし、実際には、特にローサイドスイッチなどのスイッチがオン及びオフにスイッチされる間、「ミラー(Miller)時間」に起因するスイッチング損失が、不利に電力損失を起こし得、効率など、電圧コンバータの性能に影響し得る。概して、ミラー時間は、スイッチの意図しない放電経路から生じる。例えば、MOSFETがスイッチとして実装される場合、MOSFETは、MOSFETのドレイン及びゲート端子間に寄生容量を含む。そのため、この寄生容量は、漏れ電流又はゲート電流を誘導し、これは、スイッチがオン又はオフにするために必要とする時間の量を増大させ得る。従来、回路が、スイッチに結合され、ミラー時間を調整する(例えば、低減する)ように構成される。しかし、このような従来の回路は概して、MOSFETスイッチのゲート端子に結合される固定電圧ノードを含み、これは、ミラー時間を、変動するインダクタ電流に従って著しく変動させ得る。言い換えると、インダクタ電流によるミラー時間の大きな変動が存在し得る。ハイサイドスイッチがオフにされている間のミラー時間の変動は、特に著しくなり得、望ましくない。 However, in practice, switching loss due to "Miller time" can unfavorably cause power loss, especially while switches such as low-side switches are switched on and off, in terms of efficiency, etc. of voltage converters. It can affect performance. In general, the mirror time results from the unintended discharge path of the switch. For example, when a MOSFET is mounted as a switch, the MOSFET contains a parasitic capacitance between the drain and gate terminals of the MOSFET. As such, this parasitic capacitance induces leakage or gate currents, which can increase the amount of time required for the switch to turn on or off. Traditionally, the circuit is coupled to a switch and configured to adjust (eg, reduce) the mirror time. However, such conventional circuits generally include a fixed voltage node coupled to the gate terminal of the MOSFET switch, which can cause the mirror time to vary significantly according to the fluctuating inductor current. In other words, there can be large fluctuations in the mirror time due to the inductor current. Fluctuations in mirror time while the high side switch is off can be particularly significant and are undesirable.
これ以降に説明するように、本発明の実施例は、DC−DCコンバータのスイッチに結合されるアダプティブコントローラを含むDC−DCコンバータに向けられている。アダプティブコントローラは更に、インダクタ電流の大きさに従って変化するアダプティブ電圧レベルを提供するために使用可能なアダプティブ電圧ノードを含む。アダプティブコントローラを実装することにより、ローサイドスイッチをスイッチングオフする間、インダクタ電流と共に変化するミラー時間の変動が低減され得る。また、ローサイドスイッチをスイッチオフするためのより短い時間量は、有利にも、開示されるアダプティブコントローラをDC−DCコンバータにおいて実装することによって達成され得る。DC−DCコンバータ、好ましくは、本開示に従ったDC−DCブーストコンバータは、図2に関連して図示及び後述するように開示されるアダプティブコントローラを用いて動作する。他のアーキテクチャも可能である。 As described below, embodiments of the present invention are directed to DC-DC converters that include an adaptive controller coupled to a switch in the DC-DC converter. The adaptive controller further includes an adaptive voltage node that can be used to provide an adaptive voltage level that varies with the magnitude of the inductor current. By implementing an adaptive controller, fluctuations in the mirror time that change with the inductor current can be reduced while the low-side switch is switched off. Also, a shorter amount of time to switch off the low-side switch can be advantageously achieved by implementing the disclosed adaptive controller in a DC-DC converter. DC-DC converters, preferably DC-DC boost converters according to the present disclosure, operate with adaptive controllers illustrated and disclosed as described below in connection with FIG. Other architectures are possible.
図1は、種々の実施例に従ったDC−DCブーストコンバータ100を図示する頂部レベルブロック図を示す。ブーストコンバータ100は、入力電圧源Vin、インダクタL1、出力電圧ノードVout、出力キャパシタC1、アダプティブコントローラ102、及び2つのスイッチM1及びM2を含む。より具体的には、アダプティブコントローラ102は、出力電圧ノードVoutからフィードバック信号(Vfbなど)を受信するように構成され、フィードバック信号(電流及び/又は電圧信号など)に基づいて、アダプティブコントローラ102は、スイッチM1及びM2を交互にスイッチオン及びオフするようにPWM信号101を提供する。好ましい一実施例において、スイッチM1は、ローサイドスイッチと称され、スイッチM2は、ローサイドスイッチM1と時間的に排他的に動作するハイサイドスイッチと称される。言い換えると、スイッチM1がオンである間、スイッチM2は概してオフであり、その逆も同様であり、これらのスイッチは同時に両方オンとならない。
FIG. 1 shows a top level block diagram illustrating a DC-
上述したように、ローサイドスイッチM1がオンである間、入力電圧源Vin、インダクタL1、及びスイッチM1は、短絡回路を形成する。そのため、エネルギーが、インダクタL1内部にストアし始め、インダクタL1を介して流れる電流が増大する。スイッチM1がオフである間、インダクタL1内部にストアされたエネルギーは放電し始め、電流は、インダクタL1を介してブーストコンバータ100の負荷に(出力静電容量C1など)流れ、インダクタ電流の低減につながる。 As described above, while the low-side switch M 1 is turned on, the input voltage source V in, the inductor L 1, and the switch M 1 forms a short circuit. Accordingly, energy, the inductor L 1 inside begins to store the current flowing through the inductor L 1 is increased. While the switch M 1 is off, the energy stored inside the inductor L 1 begins to discharge and current flows through the inductor L 1 to the load of the boost converter 100 (output capacitance C 1 etc.) and the inductor. This leads to a reduction in current.
再び図1を参照すると、スイッチM1がPWM信号を介してオフにされている間、インダクタL1を介して流れる電流によっては、スイッチM1は、ミラー時間の影響に起因して直ちにオフにされない可能性がある。この点で、アダプティブコントローラ102は、より短い時間期間にスイッチM1を実際にオフにするように、インダクタL1を介して流れる電流に関してオン及びオフにするための速度を調整する(即ち、ミラー時間を変える)ための回路を含む。一例において、スイッチM1をオフにするための時間量は、負荷電流(即ち、インダクタL1を介して流れる電流)に反比例し得る。即ち、負荷電流が低いほど、スイッチM1をオフにするための時間量が長くなる。また、スイッチM1をオフにするため時間量の大きな変動が存在し得る。このように、これは、低電流状況及び/又は広範囲の負荷電流条件下のブーストコンバータ100にとって望ましくない可能性がある。より具体的には、ブーストコンバータ100を低レベルの電流のみが好ましい状況下で動作させることが意図されている場合、ブーストコンバータは、スイッチM1がオンからオフへ遷移する間、効率の問題を被り得る。
Referring again to FIG. 1, while the switch M 1 is turned off via the PWM signal, depending on the current flowing through the inductor L 1, switch M 1 is immediately turned off due to the influence of the mirror time It may not be done. In this regard,
図2は、種々の実施例に従ったブーストコンバータ100の例示の回路要素200を示す。図2に示すように、アダプティブコントローラ102は更に、2つのブロック202及び204を含む。更に特定して言えば、ブロック202は、出力電圧ノードVoutからフィードバック信号Vfbを受信するように構成され、フィードバック信号に基づいて、スイッチM1及びM2を更に制御するため、及びインダクタ電流に比例するアダプティブ電流iadp203をブロック204に提供するために、PWM信号201を提供する。アダプティブ電流203に基づいて、ブロック202に結合されるブロック204は、アダプティブ電圧ノードVadpを提供するように構成され、アダプティブ電圧ノードVadpは、スイッチM1をオフにするための速度(即ち、ミラー時間)を制御するために有用である。また、回路要素200は更に、ハイサイドスイッチM2に結合される感知コントローラMSを含む。感知コントローラMSは、ハイサイドスイッチM1及びローサイドスイッチM2に接続される共通ノードVSWにおける電圧/電流レベル(Vsnsなど)を感知するように構成される。
FIG. 2 shows an
好ましい一実施例に従って、回路要素200に示すように、ブーストコンバータ100は更に、分圧器(即ち、R0及びR1)を含み、分圧器は、出力電圧ノードVoutにおける電圧レベルを分圧するため、及びフィードバック信号Vfbを分圧された信号と等しくするために用いられる。即ち、Vfbは、出力電圧ノードVoutにおける電圧レベルより小さく、レジスタの分圧器比(R1/(R0+R1など)に基づく。代替の実施例において、ブーストコンバータ200を実装するために分圧器がないことがユーザーにより望まれ得る場合、フィードバック信号Vfbは、出力電圧ノードVoutにおける電圧レベルに等しい。
According to a preferred embodiment, as shown in
図2を更に参照すると、ブロック202は更に、エラー増幅器206、コンパレータ208、及び制御ロジック210を含む。エラー増幅器206は、それぞれVfb及び基準電圧VREFを形成する信号を受信するように構成される、2つの入力端子を含む。エラー増幅器の出力に結合されるキャパシタC0と共に、エラー増幅器206は、インダクタ電流に比例するアダプティブ電流idapを提供するように構成される。図2に示すように、アダプティブ電流は、トランジスタM14及びM13の各々を介して流れることが好ましい。更に、コンパレータ208は、結合された制御ロジック210に、スイッチM1及びM2のスイッチング挙動を同期的に制御するようにデューティサイクルを有する対応するPWM信号を生成させるように、Vout及びVsnsを比較するように構成される。
Further referring to FIG. 2, the
引き続き図2を参照すると、ブロック204は更に、定電圧ノードVx、定電圧ノードVxに結合されるサンプルアンドホールド回路(SW0及びSW1など)、ハイサイドスイッチM2に結合されるハイサイドドライバ204‐HS、及びローサイドスイッチM1に結合されるローサイドドライバ204‐LSを含む。ドライバ204‐LS及び204‐HSは、受信されたPWM信号をバッファするように、及び、それぞれローサイド及びハイサイドスイッチの駆動速度を増大させるように構成される。好ましくは、M4及び直列接続されるM5は、ハイサイドドライバ204‐HSの第1のインバータとして機能し、M3はM6と共に、第1のインバータと直列に接続される第2のインバータとして機能する。同様に、ローサイドドライバ204‐LSでは、M7及びM9は第1のインバータを形成し、M8及びM10は、第1のインバータと直列に接続される第2のインバータを形成する。好ましい実装において、M1〜M10はMOSFETである。更に好ましい一実施例において、ローサイドドライバ204‐LSは更に、M10に結合されるMOSFET M10Aを含み得る。図2に示すように、M10Aのゲート端子が電圧ノードV1に接続され、電圧ノードV1は、ローサイドスイッチM1のゲート端子に接続される。 Continuing to refer to FIG. 2, block 204 further high coupled constant voltage node V x, the sample and hold circuit coupled to the constant voltage node V x (such as SW 0 and SW 1), the high-side switch M 2 including side driver 204-HS, and a low-side driver 204-LS is coupled to the low side switch M 1. The drivers 204-LS and 204-HS are configured to buffer the received PWM signal and increase the drive speed of the low-side and high-side switches, respectively. Preferably, the M 4 and the M 5 connected in series function as the first inverter of the high-side driver 204-HS, and the M 3 together with the M 6 is a second inverter connected in series with the first inverter. Functions as. Similarly, in the low-side driver 204-LS, M 7 and M 9 form a first inverter, and M 8 and M 10 form a second inverter connected in series with the first inverter. In a preferred implementation, M 1 to M 10 are MOSFETs. In a further preferred embodiment, the low-side driver 204-LS may further include a MOSFET M 10A that is coupled to M 10. As shown in FIG. 2, the gate terminal of M 10A is connected to the voltage node V 1, the voltage node V 1 was, is connected to the gate terminal of the low-side switch M 1.
より具体的には、ローサイドドライバ204‐LSは更に、第1及び第2のインバータに結合されるアダプティブ駆動回路を含み、アダプティブ駆動回路は、2つのトランジスタM11及びM12、及びスイッチM1を含む。回路要素200に示すように、トランジスタM11のドレイン端子が、スイッチM1のゲート端子に接続され、トランジスタM11のゲート端子が、トランジスタM8を介して出力電圧ノードVoutに結合される。トランジスタM12は、トランジスタM11のソース端子に直列に接続され、トランジスタM12のゲート端子が、アダプティブ電圧ノードVadpに接続される。
More specifically, the low-side driver 204-LS further includes an adaptive drive circuit coupled to the first and second inverters, which comprises two transistors M 11 and M 12 and a switch M 1 . include. As shown in the
好ましい一実施例に従って、スイッチM1がオフにされている間、インダクタ電流(即ち、200において示されるようなiL)の全てが、スイッチM1を介して接地に流れる。より具体的には、スイッチM1はMOSFETの飽和領域において動作することが好ましいので、わずかに変化するコンダクタンス電流iDが存在する。そのため、電流の法則に基づいて、iL=iD+iGであり、電流がM1を介してどのくらい速くゼロに向かうか(即ち、スイッチM1がオフとされる速度)はiGの変動に大きく依存し得、iGは、スイッチM1の寄生容量Cgdを介して、直列接続されるトランジスタM11及びM12に流れる放電電流である。トランジスタM11及びM12は、好ましくは、MOSFETの線形領域において動作する。更に、放電電流iGは、Vgs_M1/(Ron_M11+Ron_M12)として導出され得、この式において、Vgs_M1、Ron_M11、Ron_M12は、それぞれ、スイッチM1のゲート及びソース端子間の電圧降下、トランジスタM11及びM12に対する導通抵抗を表す。スイッチM1のスイッチングオフの間、Vgs_M1は、
に等しく、この式において、VthはスイッチM1の閾値電圧であり、Kは比例定数である。また、トランジスタM11のゲート端子は、ほぼ一定の出力電圧ノードVoutに結合されるので、ほぼ一定値の導通抵抗Ron_M11となる。一方、トランジスタM12のゲート端子は、インダクタ電流iLに従って変化するアダプティブ電圧ノードVadpに結合されるため、導通抵抗Ron_M12は、
として導出され得る。好ましい一実施例において、アダプティブ電圧ノードVadpは、定電圧ノードVxに接続される抵抗R4の値を選択することを介して制御され得、即ち、Vadp=Vx−KiLR4である。
According to a preferred embodiment, all of the inductor current (ie, i L as shown in 200) flows to ground through the switch M 1 while the switch M 1 is turned off. More specifically, the switch M 1 is because it is preferable to operate in the saturation region of the MOSFET, the conductance current i D that varies slightly exists. Therefore, based on the law of current, i L = i D + i G , and how fast the current goes to zero via M 1 (that is, the speed at which switch M 1 is turned off) fluctuates in i G. largely dependent obtained, i G, via the parasitic capacitance C gd of the switch M 1, a discharge current flowing through the transistor M 11 and M 12 are connected in series. Transistors M 11 and M 12 preferably operate in the linear region of the MOSFET. Further, the discharge current i G can be derived as V gs_M1 / (R on_M11 + R on_M12 ), and in this equation, V gs_M1 , R on_M11 , and R on_M12 are voltage drops between the gate and source terminals of the switch M 1, respectively. , Represents the conduction resistance to the transistors M 11 and M 12. During the switching-off of the switch M 1, V gs_M1 is
In this equation, V th is the threshold voltage of switch M 1 and K is a constant of proportionality. Further, since the gate terminal of the transistor M 11 is coupled to the output voltage node V out which is substantially constant, the conduction resistance R on_M 11 has a substantially constant value. On the other hand, since the gate terminal of the transistor M 12 is coupled to the adaptive voltage node V adp which changes according to the inductor current i L , the conduction resistor R on_M 12 is set.
Can be derived as. In one preferred embodiment, the adaptive voltage node V adp may be controlled through the selection of the value of the resistor R 4 is connected to a constant voltage node V x, i.e., V adp = V x -Ki L R 4 Is.
また、スイッチM1がオフにされている間、特に、スイッチM1を飽和モードで動作させるために、電圧ノードV1における電圧レベルがローサイドスイッチM1のゲート端子における電圧レベルより高い場合、M10及びM10AはiLを放電する速度を増大させ得る。より具体的には、スイッチM1のゲート端子における電圧レベルが低減すると、M1及びM10Aが線形領域から飽和領域にスイッチングし得る一方、M12がインダクタ電流iLを放電する機能を引き継ぎ得る。 Also, while the switch M 1 is turned off, in particular, to operate the switch M 1 in a saturated mode, if the voltage level at the voltage node V 1 higher than the voltage level at the gate terminal of the low-side switch M 1, M 10 and M 10A can increase the rate at which i L is discharged. More specifically, when the voltage level to reduce the gate terminal of the switch M 1, while the M 1 and M 10A can be switched to the saturation region from the linear region, to obtain takes over the function of M 12 discharges the inductor current i L ..
要約すると、ユーザーがブーストコンバータ100を動作させることが意図されているインダクタ電流に従って抵抗R4の値を選択することを介して、インダクタ電流と共に変化する速度の変動が最適化され得る。また、スイッチM1をスイッチオフするための時間の量は、抵抗R4の最適化された値によって低減され得る。R4の値が決定されると、アダプティブ電圧ノードVadpにおける電圧レベルは、インダクタ電流iLに従って決定される。上述の式Vgs_M1/(Ron_M11+Ron_M12)に基づいて、速度及び速度の変動は、適切な用途のためにユーザーにより任意選択で調整され得る。
In summary, via the user to select the value of the resistor R 4 in accordance with the inductor current to operate the
回路要素200を更に参照すると、SW0及びSW1は、電圧レベルをサンプリングし、サンプリングされた電圧レベルをホールドしてアダプティブ電圧Vx−KiLR4を生成するように、同時にスイッチオン及びオフするように構成される。より具体的には、これらのスイッチがオンであるとき、SW0及びSW1は定電圧ノードVxに結合される。これらのスイッチがオフであるとき、SW0及びSW1はアダプティブ電圧ノードVadpに結合される。スイッチSW0及びSW1をキャパシタC1と統合するために、スイッチM1がオフである間の所望とされないDC電流消費が避けられ得る。
With further reference to the
図3は、種々の実施例に従って、ブーストコンバータ100のスイッチM1をスイッチオフするための時間量を決定するためのフローチャート300を示す。フローチャート300は、ブロック302において、ブーストコンバータ100のメインスイッチ(即ち、ローサイドスイッチM1)をオフにすることで開始する。好ましい一実施例において、メインスイッチをオフにすることは、アダプティブコントローラ102により提供されるPWM信号によって制御され得る。スイッチM1がオフにされている間、インダクタ電流が、スイッチM1及び結合されたローサイドドライバ204‐LSを介して接地に流れ、結合されたローサイドドライバ204‐LSは、好ましくは、電流iGのための放電経路として機能する。
3, according to various embodiments, the switch M 1 of the
フローチャート300は、ブロック304において、インダクタ電流に反比例されるべきアダプティブ電圧ノードにおける電圧レベルVadpを提供することで継続する。アダプティブ電圧ノードは、ローサイドドライバ204‐LSのトランジスタのゲートに結合されることが好ましい。このように、メインスイッチM1をスイッチオフするための時間量を決定するためのパラメータの1つであるトランジスタM12の導通抵抗もインダクタ電流と共に変化することが好ましい。
ブロック306において、アダプティブ電圧ノードVadpにおける電圧レベルに基づいて、メインスイッチM1をスイッチオフするための時間量は、トランジスタM11のゲート端子を、出力電圧ノードVoutにおける電圧レベルとして維持することによって決定される。このように、トランジスタM11の導通抵抗は、インダクタ電流と共に変わるとしても、ごくわずかな変化である。好ましい例において、メインスイッチM1をスイッチオフするための時間量は、主に、どのくらい早く電流iGがゼロに向かう(即ち、どのくらい多くの電流iGがトランジスタM11及びM12を含む放電経路を介して通る)かに依存する。より具体的には、トランジスタ(M12など)の特性(導通抵抗など)が、アダプティブ電圧ノードにおける電圧レベルと共に変化する。そのため、インダクタ電流に従ってその電圧レベルが変わるアダプティブ電圧ノードを提供することが、有利にも、メインスイッチM1をスイッチオフするため速度を決定し得る。
In
上述の説明は、本発明の原理及び種々の実施例の例示であることを意味している。上記開示を完全に理解したならば、当業者には多数の変更や変形が明らかになるであろう。後述の特許請求の範囲は、このような変更及び変形を含有するよう解釈されることを意図している。 The above description is meant to illustrate the principles of the invention and various examples. A number of changes and variations will be apparent to those skilled in the art if the above disclosure is fully understood. The claims described below are intended to be construed to include such changes and modifications.
Claims (20)
スイッチノードと、
制御端子と、前記スイッチノードに結合される第1の端子と、グラウンド端子に結合される第2の端子とを有する第1のスイッチと、
制御端子と、前記スイッチノードに結合される第1の端子と、出力電圧ノードに結合される第2の端子とを有する第2のスイッチと、
前記第2のスイッチの制御端子に結合されるハイサイドドライバと、ローサイドドライバとを含む制御回路であって、前記ローサイドドライバが、
アダプティブ電圧を受け取るアダプティブ電圧ノードであって、前記アダプティブ電圧が前記スイッチノードから前記第1のスイッチに流れる電流に従って変化する、前記アダプティブ電圧ノードと、
前記第1のスイッチの制御端子に結合される第1の端子と、第2の端子とを有する第1のトランジスタと、
前記アダプティブ電圧ノードに結合される制御端子と、前記第1のトランジスタの第2の端子に結合される第1の端子と、前記グラウンド端子に結合される第2の端子とを有する第2のトランジスタと、
を含む、前記制御回路と、
を含む、回路。 It ’s a circuit,
With switch nodes
A first switch having a control terminal, a first terminal coupled to the switch node, and a second terminal coupled to a ground terminal.
A second switch having a control terminal, a first terminal coupled to the switch node, and a second terminal coupled to the output voltage node.
A control circuit including a high-side driver coupled to a control terminal of the second switch and a low-side driver, wherein the low-side driver is
An adaptive voltage node that receives an adaptive voltage and whose adaptive voltage changes according to a current flowing from the switch node to the first switch.
A first transistor having a first terminal coupled to a control terminal of the first switch and a second terminal,
A second transistor having a control terminal coupled to the adaptive voltage node, a first terminal coupled to the second terminal of the first transistor, and a second terminal coupled to the ground terminal. When,
With the control circuit including
Including the circuit.
前記第1のトランジスタが、前記第1の端子としてのドレイン端子と前記第2の端子としてのソース端子とを有する第1のNMOSトランジスタを含み、
前記第2のトランジスタが、前記制御端子としてのゲート端子と、前記第1の端子としてのドレイン端子と前記第2の端子としてのソース端子とを有する第2のNMOSトランジスタを含む、回路。 The circuit according to claim 1.
The first transistor includes a first NMOS transistor having a drain terminal as the first terminal and a source terminal as the second terminal.
A circuit in which the second transistor includes a second NMOS transistor having a gate terminal as the control terminal, a drain terminal as the first terminal, and a source terminal as the second terminal.
前記第1のトランジスタが、パルス幅変調(PWM)信号のオフ時間の間に出力電圧を受信するように構成される制御端子を更に有する、回路。 The circuit according to claim 1.
A circuit in which the first transistor further comprises a control terminal configured to receive an output voltage during the off time of a pulse width modulation (PWM) signal.
前記ローサイドドライバが、
PWM信号を受信するように構成される制御端子と、前記出力電圧ノードに結合される第1の端子と、前記第1のトランジスタの制御端子に結合される第2の端子とを有する第3のトランジスタと、
前記第3のトランジスタの第2の端子に結合される制御端子と、前記出力電圧ノードに結合される第1の端子と、前記第1のトランジスタの第1の端子と前記第1のスイッチの制御端子とに結合される第2の端子とを有する第4のトランジスタと、
更に含む、回路。 The circuit according to claim 3.
The low-side driver
A third terminal having a control terminal configured to receive a PWM signal, a first terminal coupled to the output voltage node, and a second terminal coupled to the control terminal of the first transistor. With a transistor
Control of the control terminal coupled to the second terminal of the third transistor, the first terminal coupled to the output voltage node, the first terminal of the first transistor, and the first switch. A fourth transistor having a second terminal coupled to the terminal,
Further included, circuit.
前記ローサイドドライバが、
前記出力電圧ノードに結合される第1の端子と、第2の端子とを有する第5のトランジスタと、
前記第5のトランジスタの第2の端子とディバイダノードとの間に結合される第1の抵抗器と、前記ディバイダノードと前記グラウンド端子との間に結合される第2の抵抗器とを有する電圧ディバイダであって、前記PWM信号に基づいて前記ディバイダノードが選択的に前記アダプティブ電圧ノードに結合される、前記電圧ディバイダと、
を更に含む、回路。 The circuit according to claim 4.
The low-side driver
A fifth transistor having a first terminal coupled to the output voltage node and a second terminal,
A voltage having a first resistor coupled between the second terminal of the fifth transistor and a divider node and a second resistor coupled between the divider node and the ground terminal. A voltage divider that is a divider and whose divider node is selectively coupled to the adaptive voltage node based on the PWM signal.
A circuit that further includes.
前記ローサイドドライバが、前記ディバイダノードと前記アダプティブ電圧ノードとの間に結合される第3のスイッチと、前記ディバイダノードと前記第2の抵抗器との間に結合される第4のスイッチとを更に含み、
前記PWM信号が、前記第3及び第4のスイッチを交互に開及び閉とするように構成される、回路。 The circuit according to claim 5.
The low-side driver further adds a third switch coupled between the divider node and the adaptive voltage node and a fourth switch coupled between the divider node and the second resistor. Including
A circuit in which the PWM signal is configured to alternately open and close the third and fourth switches.
前記スイッチノードに結合され、前記電流に比例するアダプティブ電流を提供するように構成されるアダプティブ電流回路と、
前記アダプティブ電流回路に結合され、前記アダプティブ電流に従って、前記アダプティブ電圧を提供するように構成されるアダプティブ電圧回路と、
を更に含む、回路。 The circuit according to claim 1.
An adaptive current circuit coupled to the switch node and configured to provide an adaptive current proportional to the current.
An adaptive voltage circuit coupled to the adaptive current circuit and configured to provide the adaptive voltage according to the adaptive current.
A circuit that further includes.
前記アダプティブ電流回路が、前記スイッチノードに結合される感知コントローラと、前記感知コントローラに結合されて前記アダプティブ電流を提供する電流回路とを含み、
前記アダプティブ電圧回路が定電圧ノードとサンプル・ホールド回路とを含み、前記サンプル・ホールド回路が、前記アダプティブ電圧ノードと前記グラウンド端子との間に結合されるキャパシタと、前記定電圧ノードと前記キャパシタとの間に結合される第1のMOSスイッチと、前記定電圧ノードと前記電流回路との間に結合される第2のMOSスイッチとを含む、回路。 The circuit according to claim 7.
The adaptive current circuit includes a sensing controller coupled to the switch node and a current circuit coupled to the sensing controller to provide the adaptive current.
Wherein and a adaptive voltage circuit a constant voltage node and the sample-and-hold circuit, the sample-hold circuit, a capacitor coupled between said ground terminal the adaptive voltage node, the said constant voltage node capacitor A circuit comprising a first MOS switch coupled between and a second MOS switch coupled between the constant voltage node and the current circuit.
前記電流回路が、前記感知コントローラと前記グラウンド端子との間に結合される第1のMOSトランジスタと、前記第2のMOSスイッチと前記グラウンド端子との間に結合される第2のMOSトランジスタとを含み、前記第1のMOSトランジスタが前記第2のMOSトランジスタのゲート端子に結合されるゲート端子を有する、回路。 The circuit according to claim 8.
The current circuit has a first MOS transistor coupled between the sensing controller and the ground terminal, and a second MOS transistor coupled between the second MOS switch and the ground terminal. A circuit comprising, wherein the first MOS transistor has a gate terminal coupled to the gate terminal of the second MOS transistor.
入力電圧源に結合されるように構成される入力電圧端子と、
前記入力電圧端子と前記スイッチノードとの間に結合されるインダクタと、
前記ハイサイドドライバと前記ローサイドドライバとにPWM信号を提供するように構成されるPWM信号回路であって、前記PWM信号が出力電圧に基づく、前記PWM信号回路と、
を更に含み、
前記ローサイドドライバが、
前記PWM信号を受け取る制御端子と、前記出力電圧ノードに結合される第1の端子と、前記第1のトランジスタの制御端子に結合される第2の端子とを有する第3のトランジスタと、
前記第3のトランジスタの第2の端子に結合される制御端子と、前記出力電圧ノードに結合される第1の端子と、前記第1のスイッチの制御端子に結合される第2の端子とを有する第4のトランジスタと、
を更に含む、回路。 The circuit according to claim 9.
With input voltage terminals configured to be coupled to the input voltage source,
An inductor coupled between the input voltage terminal and the switch node,
A PWM signal circuit configured to provide a PWM signal to the high-side driver and the low-side driver, wherein the PWM signal is based on an output voltage.
Including
The low-side driver
A third transistor having a control terminal for receiving the PWM signal, a first terminal coupled to the output voltage node, and a second terminal coupled to the control terminal of the first transistor.
A control terminal coupled to the second terminal of the third transistor, a first terminal coupled to the output voltage node, and a second terminal coupled to the control terminal of the first switch. The fourth transistor that has
A circuit that further includes.
前記第1及び第2のMOSスイッチが前記PWM信号に従って同時にONとOFFとを切り替えるように構成される、回路。 The circuit according to claim 10.
A circuit in which the first and second MOS switches are configured to switch ON and OFF at the same time according to the PWM signal.
パルス幅変調(PWM)信号に応答して共通ノードと基準電圧ノードとの間に結合される前記第1のスイッチを駆動する第1のドライバであって、前記第1のスイッチの制御端子と前記基準電圧ノードとの間に結合される適応駆動回路を含み、前記適応駆動回路が適応電圧に基づいて放電回路として機能する、前記第1のドライバと、
前記PWM信号に応答して電圧出力ノードと前記共通ノードとの間に結合される前記第2のスイッチを駆動する第2のドライバと、
前記PWM信号に応答して前記適応電圧を生成して前記適応駆動回路に結合される適応電圧ノードに前記適応電圧を提供する適応電圧生成器であって、前記電圧出力ノードに結合される第1の端子を有する第1の抵抗器と、前記第1の抵抗器の第2の端子と前記適応電圧ノードとの間に結合される第3のスイッチと、前記適応電圧ノードと前記基準電圧ノードとの間に結合されるキャパシタとを含む、前記適応電圧生成器と、
を含む、制御回路。 A control circuit for controlling the first and second switches of a voltage converter.
A first driver that drives the first switch coupled between a common node and a reference voltage node in response to a pulse width modulation (PWM) signal, the control terminal of the first switch and the said. The first driver, which includes an adaptive drive circuit coupled to and from a reference voltage node, wherein the adaptive drive circuit functions as a discharge circuit based on the adaptive voltage.
A second driver that drives the second switch coupled between the voltage output node and the common node in response to the PWM signal.
A first adaptive voltage generator coupled to the voltage output node that generates the adaptive voltage in response to the PWM signal and provides the adaptive voltage to the adaptive voltage node coupled to the adaptive drive circuit. A first resistor having the terminal, a third switch coupled between the second terminal of the first resistor and the adaptive voltage node, the adaptive voltage node and the reference voltage node. With the adaptive voltage generator, including a capacitor coupled between
Including the control circuit.
前記適応駆動回路が、前記第1のスイッチの制御端子に結合される第1の端子を有する第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタの第2の端子と前記基準電圧ノードとの間に結合される第2のトランジスタとを含み、前記第2のトランジスタが前記適応電圧ノードに結合される制御端子を有する、制御回路。 The control circuit according to claim 12.
The adaptive drive circuit is coupled between a first transistor having a first terminal coupled to a control terminal of the first switch, a second terminal of the first transistor, and a reference voltage node. A control circuit comprising a second transistor to be coupled, wherein the second transistor has a control terminal coupled to the adaptive voltage node.
前記第1のトランジスタが前記電圧出力ノードに結合される制御端子を有する、制御回路。 The control circuit according to claim 13.
A control circuit having a control terminal in which the first transistor is coupled to the voltage output node.
前記第1のドライバが、前記PWM信号を前記第1のスイッチの制御端子にバッファするように構成され、
前記第2のドライバが、前記PWM信号を前記第2のスイッチの制御端子にバッファするように構成される、制御回路。 The control circuit according to claim 14.
The first driver is configured to buffer the PWM signal in the control terminal of the first switch.
A control circuit in which the second driver buffers the PWM signal in the control terminal of the second switch.
前記第1のドライバが、前記PWM信号を受け取る入力端子を有する第1のインバータと、前記第1のインバータの出力端子と前記第1のスイッチの制御回路との間に結合される第2のインバータとを更に含む、制御回路。 The control circuit according to claim 14.
A second inverter in which the first driver is coupled between a first inverter having an input terminal for receiving the PWM signal, an output terminal of the first inverter, and a control circuit of the first switch. A control circuit that further includes.
前記第2のインバータが、前記電圧出力ノードと前記第1のスイッチの制御端子との間に結合される第3のトランジスタと、前記第1のスイッチの制御端子に結合される第1の端子を有する第4のトランジスタと、前記第4のトランジスタの第2の端子と前記基準電圧ノードとの間に結合される第5のトランジスタとを含み、前記第5のトランジスタが前記第1のスイッチの制御端子に結合される制御端子を有する、制御回路。 The control circuit according to claim 16.
The second inverter has a third transistor coupled between the voltage output node and the control terminal of the first switch, and a first terminal coupled to the control terminal of the first switch. The fourth transistor includes a fifth transistor coupled between the second terminal of the fourth transistor and the reference voltage node, and the fifth transistor controls the first switch. A control circuit having a control terminal coupled to the terminal.
前記電圧コンバータが電圧源と前記共通ノードとの間に結合されるインダクタを含み、
前記適応電圧が前記第1のスイッチを介して流れるインダクタ電流に比例する、制御回路。 The control circuit according to claim 17.
The voltage converter comprises an inductor coupled between the voltage source and the common node.
A control circuit in which the adaptive voltage is proportional to the inductor current flowing through the first switch.
前記適応電圧生成器が、前記第1の抵抗器の第2の端子に結合される第1の端子を有する第4のスイッチと、前記第4のスイッチの第2の端子と前記基準電圧ノードとの間に結合される第2の抵抗器とを更に含み、
前記第3及び第4のスイッチが前記PWM信号により同時に制御される、制御回路。 The control circuit according to claim 12.
A fourth switch in which the adaptive voltage generator has a first terminal coupled to a second terminal of the first resistor, a second terminal of the fourth switch, and a reference voltage node. Further includes a second resistor coupled between
A control circuit in which the third and fourth switches are simultaneously controlled by the PWM signal.
前記電圧コンバータが電圧源と前記共通ノードとの間に結合されるインダクタを含み、
前記適応電圧が前記第1のスイッチを介して流れるインダクタ電流に比例する、制御回路。 The control circuit according to claim 19.
The voltage converter comprises an inductor coupled between the voltage source and the common node.
A control circuit in which the adaptive voltage is proportional to the inductor current flowing through the first switch.
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