JP2016149596A - Differential circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、差動回路に関する。 The present invention relates to a differential circuit.
従来より、2つの入力電圧の差分に応じた電流が出力される差動回路が知られている。従来の差動回路の一例を図7に示す。 Conventionally, a differential circuit that outputs a current corresponding to a difference between two input voltages is known. An example of a conventional differential circuit is shown in FIG.
図7に示す従来の差動回路DF100は、トランジスタ101〜108と、定電流回路109から構成される。差動対をなすpチャネルMOSFET(MOS電界効果トランジスタ)であるトランジスタ101、102の各々のソースは、定電流源109を介して電源電圧の印加端に接続される。トランジスタ101のゲートには入力電圧Vpが、トランジスタ102のゲートには入力電圧Vmがそれぞれ印加される。
The conventional differential circuit DF100 shown in FIG. 7 includes
ドレインとゲートが短絡されたnチャネルMOSFETであるトランジスタ103と、nチャネルMOSFETであるトランジスタ104から第1カレントミラーが構成され、トランジスタ103のドレインにトランジスタ101のドレインが接続される。トランジスタ103、104の各ソースは接地端に接続される。
A first current mirror is composed of the
ドレインとゲートが短絡されたnチャネルMOSFETであるトランジスタ105と、nチャネルMOSFETであるトランジスタ106から第2カレントミラーが構成され、トランジスタ102のドレインにトランジスタ105のドレインが接続される。トランジスタ105、106の各ソースは接地端に接続される。
A
ドレインとゲートが短絡されたpチャネルMOSFETであるトランジスタ107と、pチャネルMOSFETであるトランジスタ108から第3カレントミラーが構成され、トランジスタ107のドレインにトランジスタ106のドレインが接続され、トランジスタ108のドレインにトランジスタ104のドレインが接続される。トランジスタ107、108の各ソースは電源電圧の印加端に接続される。トランジス108のドレインとトランジスタ104のドレインとの接続点は、出力端Toutに接続される。
A third current mirror is composed of the
入力電圧Vp及びVmに応じた配分でトランジスタ101、102各々にドレイン電流がながれる。そして、トランジスタ101に流れるドレイン電流を入力として、第1カレントミラーにより出力電流I101が流れる。また、トランジスタ102に流れるドレイン電流を入力として第2カレントミラー及び第3カレントミラーにより出力電流I102が流れる。
A drain current flows through each of the
本来、入力電圧VpとVmが同じ電圧であれば、出力電流I101とI102は釣り合い、出力端Toutから電流は出力されないはずであるが、実際には差動対をなすトランジスタ101、102の特性バラツキによって出力電流I101とI102のバランスが崩れることが生じうる。即ち、出力端Toutから電流が出力され、オフセットが生じうる。 Originally, if the input voltages Vp and Vm are the same voltage, the output currents I101 and I102 are balanced, and no current should be output from the output terminal Tout. As a result, the balance between the output currents I101 and I102 may be lost. That is, a current is output from the output terminal Tout, and an offset can occur.
そこで、トランジスタVpとVmのゲート幅を大きくする、及び/又はゲート長を短くすることでゲインを大きくし、特性バラツキを抑えることにより、オフセットを抑えることが考えられる。しかしながら、その場合は、ゲインが大きくなることにより、ミラー容量が大きくなり、応答速度が遅くなるという問題点があった。 Accordingly, it is conceivable to suppress the offset by increasing the gain by suppressing the characteristic variation by increasing the gate width of the transistors Vp and Vm and / or shortening the gate length. However, in this case, there is a problem in that the mirror capacity increases and the response speed becomes slow due to an increase in gain.
そこで、例えば図8に示すように、図7に示したトランジスタ101、102の前段側に、定電流回路110、トランジスタ111、112、及び抵抗113、114から成る構成を設け、更に前段側に、定電流回路115、トランジスタ116、117、及び抵抗118、119から成る構成を設け、トランジスタ116のゲートに入力電圧Vp、トランジスタ117のゲートに入力電圧Vmを印加させる多段構成を採ることも考えられる。これにより、各トランジスタのゲインは小さくしてミラー容量は小さくしつつも、全体としてのゲインを大きくすることができる。しかしながら、素子数が増えてしまうという問題点があった。
Therefore, for example, as shown in FIG. 8, a configuration including a constant current circuit 110,
なお、特許文献1には、差動回路を用いた過電流保護回路の従来例が示されており、バイポーラトランジスタを用いた構成が開示されているが、上記のようにMOSFET等でのゲートサイズの設定による特性バラツキの抑制やそれに伴う応答速度の問題点については特許文献1では何ら示唆されていない。
上記状況に鑑み、本発明は、オフセットを抑え、応答速度の低下を抑制しつつも、素子数を抑えることのできる差動回路を提供することを目的とする。 In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a differential circuit capable of suppressing the number of elements while suppressing an offset and suppressing a decrease in response speed.
上記目的を達成するために本発明の一態様に係る差動回路は、
第1定電流回路と、
第1定電流回路と同じ定電流値の第2定電流回路と、
第1定電流回路と接続された電流流入端、第1入力電圧が印加される電流流出端、及び前記電流流入端と短絡されたゲートを有する第1トランジスタと、第1トランジスタの前記電流流入端と接続されたゲート及び第2入力電圧が印加される電流流出端を有する第2トランジスタを含むカレントミラーと、
前記カレントミラーの出力電流に基づく電流が流れる箇所と第2定電流回路との接続点に接続される電流出力端と、を備える構成としている(第1の構成)。
In order to achieve the above object, a differential circuit according to one embodiment of the present invention includes:
A first constant current circuit;
A second constant current circuit having the same constant current value as the first constant current circuit;
A first transistor having a current inflow end connected to the first constant current circuit, a current outflow end to which a first input voltage is applied, and a gate short-circuited to the current inflow end; and the current inflow end of the first transistor A current mirror including a second transistor having a gate connected to and a current outflow end to which a second input voltage is applied;
A configuration is provided that includes a location where a current based on the output current of the current mirror flows and a current output terminal connected to a connection point between the second constant current circuit (first configuration).
このような構成によれば、ゲート幅を大きくする、及び/又はゲート長を短くすることにより第1トランジスタと第2トランジスタのゲインを大きくして特性バラツキを抑えることにより、第1入力電圧と第2入力電圧のバランスが取れているときの電流出力端から出力される電流のオフセットを抑えることができる。また、このようにゲインが大きくなりミラー容量が大きくなったとしても、第1入力電圧又は第2入力電圧の変化は即座にカレントミラーの出力電流の変化に変換されるので、応答速度の低下を抑制できる。更に、差動回路を構成する素子の数を抑えることもできる。 According to such a configuration, the first input voltage and the second input voltage can be reduced by increasing the gain of the first transistor and the second transistor by suppressing the characteristic variation by increasing the gate width and / or shortening the gate length. The offset of the current output from the current output terminal when the two input voltages are balanced can be suppressed. Even if the gain is increased and the mirror capacitance is increased, the change in the first input voltage or the second input voltage is immediately converted into the change in the output current of the current mirror. Can be suppressed. Furthermore, the number of elements constituting the differential circuit can be suppressed.
また、上記第1の構成において、第2トランジスタの電流流入端と入力端が接続されると共に第2定電流回路と出力端が接続される第2カレントミラーを更に備え、第2カレントミラーの前記出力端と第2定電流回路との接続点に前記電流出力端が接続されることとしてもよい(第2の構成)。 The first configuration further includes a second current mirror in which the current inflow end and the input end of the second transistor are connected and the second constant current circuit and the output end are connected, and the second current mirror includes the second current mirror. The current output terminal may be connected to a connection point between the output terminal and the second constant current circuit (second configuration).
また、上記第2の構成において、第2カレントミラーは、ドレインとゲートが短絡されてソースが電源電圧の印加端に接続された第1pチャネルMOSFETと、第1pチャネルMOSFETの前記ゲートとゲートが接続されてソースが前記電源電圧の印加端に接続された第2pチャネルMOSFETを含むこととしてもよい(第3の構成)。 In the second configuration, the second current mirror includes a first p-channel MOSFET in which a drain and a gate are short-circuited and a source is connected to a power supply voltage application terminal, and the gate and the gate of the first p-channel MOSFET are connected. It is also possible to include a second p-channel MOSFET whose source is connected to the application terminal for the power supply voltage (third configuration).
上記第1〜第3のいずれかの構成において、前記電流出力端の後段側に接続される少なくとも一つのインバータを含むインバータ段を更に備えることとしてもよい(第4の構成)。 In any one of the first to third configurations, an inverter stage including at least one inverter connected to a rear stage side of the current output terminal may be further provided (fourth configuration).
また、上記第1〜第4のいずれかの構成において、第1トランジスタは、第1入力電圧がソースに印加されるnチャネルMOSFETであり、第2トランジスタは、第2入力電圧がソースに印加されるnチャネルMOSFETであることとしてもよい(第5の構成)。 In any one of the first to fourth configurations, the first transistor is an n-channel MOSFET in which the first input voltage is applied to the source, and the second transistor is in which the second input voltage is applied to the source. N-channel MOSFETs (fifth configuration).
また、上記第1〜第5のいずれかの構成において、電流検出用の電圧信号及び基準電圧がそれぞれ第1入力電圧と第2入力電圧のいずれかとして印加されることとしてもよい(第6の構成)。 In any of the first to fifth configurations, the voltage signal for current detection and the reference voltage may be applied as either the first input voltage or the second input voltage, respectively (sixth Constitution).
また、上記第6の構成において、前記電流検出用の電圧信号は、同期整流型スイッチング電源装置における同期整流トランジスタに流れる電流に基づく電圧信号であり、前記基準電圧は接地電位であることとしてもよい(第7の構成)。 In the sixth configuration, the voltage signal for current detection may be a voltage signal based on a current flowing through a synchronous rectification transistor in a synchronous rectification switching power supply device, and the reference voltage may be a ground potential. (Seventh configuration).
また、本発明の別態様に係る電源装置は、上記第6又は第7の構成とした差動回路を備える(第8の構成)。 Moreover, the power supply device which concerns on another aspect of this invention is equipped with the differential circuit made into the said 6th or 7th structure (8th structure).
また、本発明の別態様に係る電源装置は、上段側の出力トランジスタと下段側の同期整流トランジスタのオンオフ制御に応じて入力電圧から所望の出力電圧を生成する出力段と、
前記電流検出用の電圧信号は、前記出力トランジスタと前記同期整流トランジスタとの接続点の電圧信号である上記第7の構成の差動回路と、を備えることとしている(第9の構成)。
In addition, a power supply device according to another aspect of the present invention includes an output stage that generates a desired output voltage from an input voltage according to on / off control of an upper-stage output transistor and a lower-stage synchronous rectification transistor;
The voltage signal for current detection includes the differential circuit having the seventh configuration, which is a voltage signal at a connection point between the output transistor and the synchronous rectification transistor (a ninth configuration).
また、本発明の別態様に係る電子機器は、上記第8又は第9の構成とした電源装置を備える。 An electronic apparatus according to another aspect of the present invention includes the power supply device having the eighth or ninth configuration.
本発明の差動回路によると、オフセットを抑え、応答速度の低下を抑制しつつも、素子数を抑えることが可能となる。 According to the differential circuit of the present invention, it is possible to reduce the number of elements while suppressing an offset and suppressing a decrease in response speed.
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る差動回路の回路図を図1に示す。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. A circuit diagram of a differential circuit according to an embodiment of the present invention is shown in FIG.
図1に差動回路DF1は、トランジスタ1〜4と、定電流回路5、6を備えている。ドレインとゲートが短絡されたnチャネルMOSFETであるトランジスタ1と、nチャネルMOSFETであるトランジスタ2から第1カレントミラーが構成される。トランジスタ1のドレインには、定電流回路5を介して電源電圧の印加端が接続される。トランジスタ1のソースに、入力電圧Vmが印加される。
In FIG. 1, the differential circuit DF <b> 1 includes
トランジスタ2のソースに入力電圧Vpが印加される。ドレインとゲートが短絡されたpチャネルMOSFETであるトランジスタ3と、pチャネルMOSFETであるトランジスタ4から第2カレントミラーが構成される。トランジスタ3のドレインには、トランジスタ2のドレインが接続される。トランジスタ3、4の各ソースには電源電圧の印加端が接続される。そして、トランジスタ4のドレインは、定電流回路6を介して接地端に接続される。トランジスタ4のドレインと定電流回路6との接続点は、出力端Toutに接続される。
An input voltage Vp is applied to the source of the
理想的には、入力電圧VmとVpが同じ電圧でバランスが取れている場合は、トランジスタ1を流れる定電流回路5による定電流と同じ値の電流がトランジスタ2に流れる。その流れる電流を入力として第2カレントミラーにより出力電流I2が流れる。定電流回路5、6に流れる定電流は同じ値に設定しているので、出力電流I2と定電流回路6を流れる電流は釣り合い、出力端Toutから電流は出力されない。そして、入力電圧VpとVmのバランスが崩れた場合は、それに応じてトランジスタ2に定電流回路5の定電流とは異なる電流が流れるので、出力電流I2と定電流回路6を流れる電流のバランスが崩れ、出力端Toutから電流が出力される。
Ideally, when the input voltages Vm and Vp are the same voltage and balanced, a current having the same value as the constant current by the constant
しかしながら、実際には、トランジスタ1、2の特性バラツキによって、入力電圧VmとVpのバランスが取れていても、出力電流I2と定電流回路6を流れる電流のバランスは崩れ、出力端Toutから電流が出力されることが起こりうる。即ち、オフセットが生じうる。
However, actually, even if the input voltages Vm and Vp are balanced due to the characteristic variation of the
そこで、トランジスタ1、2のゲート幅を大きくする、及び/又はゲート長を短くすることでゲインを大きくし、特性バラツキを抑えることで、オフセットを抑えることができる。また、このようにゲインが大きくなってミラー容量が大きくなったとしても、本実施形態では、トランジスタ2のゲートではなく、ソースに入力電圧Vpを印加するようにしているので、入力電圧Vpの変化は即座にドレイン電流の変化に変換され、応答速度の低下を招くこともない(なお、入力電圧Vmの変化に対しても同様である)。また、差動回路DF1を構成する素子の数を抑えることもできる。
Therefore, the offset can be suppressed by increasing the gain by increasing the gate width of the
また、図2に示す差動回路DF1’のように、出力端Toutの後段側に少なくとも一つのインバータから成るインバータ段IV11を設けてもよい。このような構成によれば、差動回路DF1’をコンパレータとして機能させることができる。 Further, like the differential circuit DF1 'shown in FIG. 2, an inverter stage IV11 including at least one inverter may be provided on the rear stage side of the output terminal Tout. According to such a configuration, the differential circuit DF1 'can function as a comparator.
<電源装置への適用例>
次に、本実施形態に係る差動回路の好適な適用例として電源装置を挙げて説明する。
<<スイッチング電源装置>>
図3は、スイッチング電源装置の全体構成を示すブロック図である。本構成例のスイッチング電源装置25は、非線形制御方式(ボトム検出オン時間固定方式)によって入力電圧Vinから出力電圧Voutを生成する降圧型DC/DCコンバータである。スイッチング電源装置25は、半導体装置10と、半導体装置10に外付けされた種々のディスクリート部品(nチャネルMOS電界効果トランジスタN1及びN2、コイルL1、コンデンサC1、並びに、抵抗R1及びR2)によって形成されるスイッチ出力段20と、を有する。
<Application example to power supply>
Next, a power supply apparatus will be described as a suitable application example of the differential circuit according to the present embodiment.
<< Switching power supply >>
FIG. 3 is a block diagram showing the overall configuration of the switching power supply apparatus. The switching
半導体装置10は、スイッチング電源装置25の全体動作を統括的に制御する主体(いわゆる電源制御IC)である。半導体装置10は、装置外部との電気的な接続を確立するための手段として、外部端子T1〜T7(上側ゲート端子T1、下側ゲート端子T2、スイッチ端子T3、帰還端子T4、入力電圧端子T5、出力電圧端子T6、及び、接地端子T7)を備えている。
The
外部端子T1は、トランジスタN1のゲートに接続されている。外部端子T2は、トランジスタN2のゲートに接続されている。外部端子T3は、スイッチ電圧Vswの印加端(トランジスタN1のソースとトランジスタN2のドレインとの接続ノード)に接続されている。外部端子T4は、分圧電圧Vdivの印加端(抵抗R1と抵抗R2との接続ノード)に接続されている。外部端子T5は、入力電圧Vinの印加端に接続されている。外部端子T6は、出力電圧Voutの印加端に接続されている。外部端子T7は、接地端に接続されている。 The external terminal T1 is connected to the gate of the transistor N1. The external terminal T2 is connected to the gate of the transistor N2. The external terminal T3 is connected to the application terminal of the switch voltage Vsw (a connection node between the source of the transistor N1 and the drain of the transistor N2). The external terminal T4 is connected to an application end (a connection node between the resistor R1 and the resistor R2) of the divided voltage Vdiv. The external terminal T5 is connected to the application terminal for the input voltage Vin. The external terminal T6 is connected to the application terminal for the output voltage Vout. The external terminal T7 is connected to the ground terminal.
次に、半導体装置10に外付けされるディスクリート部品の接続関係について述べる。トランジスタN1のドレインは、入力電圧Vinの印加端に接続されている。トランジスタN2のソースは、接地端に接続されている。トランジスタN1のソースとトランジスタN2のドレインは、いずれもコイルL1の第1端に接続されている。コイルL1の第2端とコンデンサC1の第1端は、いずれも出力電圧Voutの印加端に接続されている。コンデンサC1の第2端は、接地端に接続されている。抵抗R1と抵抗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。
Next, the connection relationship of discrete components attached to the
トランジスタN1は、外部端子T1から入力されるゲート信号G1に応じてオン/オフ制御される出力トランジスタである。トランジスタN2は、外部端子T2から入力されるゲート信号G2に応じてオン/オフ制御される同期整流トランジスタである。なお、整流素子としては、トランジスタN2に代えてダイオードを用いても構わない。また、トランジスタN1およびN2は、半導体装置10に内蔵することも可能である。コイルL1とコンデンサC1は、外部端子T3に現れる矩形波状のスイッチ電圧Vswを整流平滑して出力電圧Voutを生成する整流平滑部として機能する。抵抗R1及びR2は、出力電圧Voutを分圧して分圧電圧Vdivを生成する分圧電圧生成部として機能する。
The transistor N1 is an output transistor that is on / off controlled according to the gate signal G1 input from the external terminal T1. The transistor N2 is a synchronous rectification transistor that is on / off controlled in accordance with the gate signal G2 input from the external terminal T2. As the rectifying element, a diode may be used instead of the transistor N2. The transistors N1 and N2 can also be built in the
次に、半導体装置10の内部構成について述べる。半導体装置10には、リップルインジェクション回路11と、基準電圧生成回路12と、メインコンパレータ13と、ワンショットパルス生成回路14と、RSフリップフロップ15と、オン時間設定回路16と、ゲートドライバ回路17と、逆流検出回路18と、が集積化されている。
Next, the internal configuration of the
リップルインジェクション回路11は、分圧電圧Vdivにリップル電圧Vrpl(コイルL1に流れるコイル電流ILを模擬した疑似リップル成分)を加算して帰還電圧Vfb(=Vdiv+Vrpl)を生成する。このようなリップルインジェクション技術を導入すれば、出力電圧Vout(延いては分圧電圧Vdiv)のリップル成分がそれほど大きくなくても安定したスイッチング制御を行うことができるので、コンデンサC1としてESRの小さい積層セラミックコンデンサなどを用いることが可能となる。ただし、出力電圧Voutのリップル成分が十分に大きい場合には、リップルインジェクション回路11を省略することも可能である。 The ripple injection circuit 11 adds a ripple voltage Vrpl (a pseudo ripple component simulating a coil current IL flowing through the coil L1) to the divided voltage Vdiv to generate a feedback voltage Vfb (= Vdiv + Vrpl). If such a ripple injection technique is introduced, stable switching control can be performed even if the ripple component of the output voltage Vout (and thus the divided voltage Vdiv) is not so large. A ceramic capacitor or the like can be used. However, when the ripple component of the output voltage Vout is sufficiently large, the ripple injection circuit 11 can be omitted.
基準電圧生成回路12は、所定の基準電圧Vrefを生成する。
The reference
メインコンパレータ13は、反転入力端(−)に入力される帰還電圧Vfbと、非反転入力端(+)に入力される基準電圧Vrefとを比較して比較信号S1を生成する。比較信号S1は、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも高いときにローレベルとなり、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも低いときにハイレベルとなる。
The
ワンショットパルス生成回路14は、比較信号S1の立上りエッジをトリガとしてセット信号S2にワンショットパルスを生成する。
The one-shot
RSフリップフロップ15は、セット端(S)に入力されるセット信号S2の立上りエッジで出力信号S4をハイレベルにセットし、リセット端(R)に入力されるリセット信号S3の立上りエッジで出力信号S4をローレベルにリセットする。
The RS flip-
オン時間設定回路16は、RSフリップフロップ15の反転出力信号S4B(出力信号S4の論理反転信号)がローレベルに立ち下げられてから、所定のオン時間Tonが経過した後、リセット信号S3にワンショットパルスを生成する。
The on-
ゲートドライバ回路17は、RSフリップフロップ15の出力信号S4に応じてゲート信号G1及びG2を生成し、トランジスタN1及びN2を相補的にスイッチングさせる。なお、本明細書中で用いられる「相補的」という文言の意味には、トランジスタN1及びN2のオン/オフ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トランジスタN1及びN2のオン/オフ遷移タイミングに遅延が与えられている場合(同時オフ期間(デッドタイム)が設けられている場合)も含む。
The
逆流検出回路18は、コイル電流ILの逆流(コイルL1からトランジスタN2を介して接地端に流れるコイル電流IL)を監視して逆流検出信号S5を生成する。逆流検出信号S5は、コイル電流ILの逆流が検出された時点でハイレベル(逆流検出時の論理レベル)にラッチされ、次周期におけるゲート信号G1の立上りエッジでローレベル(逆流未検出時の論理レベル)にリセットされる。なお、コイル電流ILの逆流を監視する手法としては、例えば、トランジスタN2のオン期間中にスイッチ電圧Vswが負から正に切り替わるゼロクロスポイントを検出すればよい。ゲートドライバ回路17は、逆流検出信号S5がハイレベルであるときには、出力信号S4に依ることなくトランジスタN2を強制的にオフするようにゲート信号G2を生成する。
The
なお、上記したリップルインジェクション回路11、基準電圧生成回路12、メインコンパレータ13、ワンショットパルス生成回路14、RSフリップフロップ15、オン時間設定回路16、ゲートドライバ回路17、及び、逆流検出回路18は、帰還電圧Vfbと基準電圧Vrefとの比較結果に応じてトランジスタN1及びN2のオン/オフ制御を行うことにより、入力電圧Vinから出力電圧Voutを生成する非線形制御方式(本構成例ではボトム検出オン時間固定方式)のスイッチング制御回路として機能する。
The ripple injection circuit 11, the reference
<<スイッチング動作>>
図4は、重負荷時(電流連続モード時)のスイッチング動作を示すタイミングチャートであり、上から順に、帰還電圧Vfb、セット信号S2、リセット信号S3、及び、出力信号S4が描写されている。
<< Switching operation >>
FIG. 4 is a timing chart showing the switching operation at the time of heavy load (in the current continuous mode), in which the feedback voltage Vfb, the set signal S2, the reset signal S3, and the output signal S4 are depicted in order from the top.
時刻t11において、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefまで低下すると、セット信号S2がハイレベルに立ち上がり、出力信号S4がハイレベルに遷移される。従って、トランジスタN1がオンとなり、帰還電圧Vfbが上昇に転ずる。 When the feedback voltage Vfb decreases to the reference voltage Vref at time t11, the set signal S2 rises to a high level and the output signal S4 changes to a high level. Accordingly, the transistor N1 is turned on, and the feedback voltage Vfb starts to rise.
その後、オン時間Tonの経過により、時刻t12において、リセット信号S3がハイレベルに立ち上がると、出力信号S4がローレベルに遷移される。従って、トランジスタN1がオフとなって、帰還電圧Vfbが再び下降に転ずる。 Thereafter, when the reset signal S3 rises to a high level at time t12 as the on time Ton elapses, the output signal S4 transitions to a low level. Therefore, the transistor N1 is turned off, and the feedback voltage Vfb starts to fall again.
ゲートドライバ回路17は、出力信号S4に応じてゲート信号G1及びG2を生成し、これを用いてトランジスタN1及びN2のオン/オフ制御を行う。具体的に述べると、出力信号S4がハイレベルであるときには、基本的に、ゲート信号G1がハイレベルとされてトランジスタN1がオンされるとともに、ゲート信号G2がローレベルとされてトランジスタN2がオフされる。逆に、出力信号S4がローレベルであるときには、基本的に、ゲート信号G1がローレベルとされてトランジスタN1がオフされるとともに、ゲート信号G2がハイレベルとされてトランジスタN2がオンされる。
The
上記したトランジスタN1及びN2のオン/オフ制御により、外部端子T3には矩形波形状のスイッチ電圧Vswが現れる。スイッチ電圧Vswは、コイルL1とコンデンサC1によって整流平滑され、出力電圧Voutが生成される。なお、出力電圧Voutは、抵抗R1及びR2により分圧され、分圧電圧Vdiv(延いては帰還電圧Vfb)が生成される。このような出力帰還制御により、スイッチング電源装置25では、極めて簡易な構成によって、入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutが生成される。
Due to the on / off control of the transistors N1 and N2, the switch voltage Vsw having a rectangular waveform appears at the external terminal T3. The switch voltage Vsw is rectified and smoothed by the coil L1 and the capacitor C1, and the output voltage Vout is generated. The output voltage Vout is divided by the resistors R1 and R2, and the divided voltage Vdiv (and thus the feedback voltage Vfb) is generated. With such output feedback control, the switching
<<逆流遮断動作>>
図5は、軽負荷時(電流不連続モード時)の逆流遮断動作を示すタイミングチャートであり、上から順に、ゲート信号G1及びG2、逆流検出信号S5、コイル電流IL、並びに、スイッチ電圧Vswが描写されている。
<< Backflow blocking action >>
FIG. 5 is a timing chart showing the reverse current cut-off operation at the time of light load (in the current discontinuous mode). The gate signals G1 and G2, the reverse current detection signal S5, the coil current IL, and the switch voltage Vsw are sequentially shown from the top. It is depicted.
時刻t21〜t22では、ゲート信号G1がハイレベルとされており、ゲート信号G2がローレベルとされているので、トランジスタN1がオンとなり、トランジスタN2がオフとなる。従って、時刻t21〜t22では、スイッチ電圧Vswがほぼ入力電圧Vinまで上昇し、コイル電流ILが増大していく。 At times t21 to t22, since the gate signal G1 is at a high level and the gate signal G2 is at a low level, the transistor N1 is turned on and the transistor N2 is turned off. Accordingly, at times t21 to t22, the switch voltage Vsw rises to substantially the input voltage Vin, and the coil current IL increases.
時刻t22において、ゲート信号G1がローレベルに立ち下げられ、ゲート信号G2がハイレベルに立ち上げられると、トランジスタN1がオフとなり、トランジスタN2がオンとなる。従って、スイッチ電圧Vswが負電圧(=GND−IL×RN2、ただし、RN2はトランジスタN2のオン抵抗値)まで低下し、コイル電流ILが減少に転じる。 At time t22, when the gate signal G1 falls to the low level and the gate signal G2 rises to the high level, the transistor N1 is turned off and the transistor N2 is turned on. Therefore, the switch voltage Vsw decreases to a negative voltage (= GND−IL × RN2, where RN2 is the on-resistance value of the transistor N2), and the coil current IL starts to decrease.
ここで、負荷に流れる出力電流Ioutが十分に大きい重負荷時には、コイルL1に蓄えられているエネルギが大きいので、ゲート信号G1が再びハイレベルに立ち上げられる時刻t24まで、コイル電流ILはゼロ値を下回ることなく負荷に向けて流れ続け、スイッチ電圧Vswは負電圧に維持される。一方、負荷に流れる出力電流Ioutが小さい軽負荷時には、コイルL1に蓄えられているエネルギが少ないので、時刻t23において、コイル電流ILがゼロ値を下回り、コイル電流ILの逆流が発生して、スイッチ電圧Vswの極性が負から正に切り替わる。このような状態では、コンデンサC1に蓄えられた電荷を接地端に捨てていることになるので、軽負荷時における効率が低下する。 Here, when the output current Iout flowing through the load is sufficiently heavy, the energy stored in the coil L1 is large, so that the coil current IL has a zero value until time t24 when the gate signal G1 is raised to the high level again. The switch voltage Vsw is maintained at a negative voltage while continuing to flow toward the load without falling below. On the other hand, at the time of light load when the output current Iout flowing through the load is small, the energy stored in the coil L1 is small. Therefore, at time t23, the coil current IL falls below the zero value, and a reverse flow of the coil current IL occurs. The polarity of the voltage Vsw switches from negative to positive. In such a state, since the electric charge stored in the capacitor C1 is discarded to the ground terminal, the efficiency at the time of light load is lowered.
そこで、スイッチング電源装置25は、逆流検出回路18を用いてコイル電流ILの逆流(スイッチ電圧Vswの極性反転)を検出し、逆流検出信号S5のハイレベル期間(時刻t23〜t24)において、トランジスタN2を強制的にオフさせる構成とされている。このような構成とすることにより、コイル電流ILの逆流を速やかに遮断することができるので、軽負荷時における効率低下を解消することが可能となる。
Therefore, the switching
本実施形態に係る差動回路は、逆流検出回路18に適用することが可能である。例えば、コンパレータとしての差動回路DF1’(図2)における入力電圧Vmの印加端に接地端を接続すると共に、入力電圧Vpの印加端にスイッチ電圧Vswを印加すればよい。なお、例えば通常の電流検出用抵抗を入力電圧Vpの印加端に接続する実施例とすると、抵抗を流れる電流に対してトランジスタ2に流れる電流がバイアス電流として付加されることになるが、逆流検出回路18であれば、トランジスタ2に電流が流れても、トランジスタN2を流れる電流に影響は与えない。
The differential circuit according to the present embodiment can be applied to the
<電子機器の実施例>
本実施形態に係る差動回路を有した電源装置は、各種の電子機器に適用することが可能である。電子機器の一例として、スマートフォンの外観図を図6に示す。
<Example of electronic device>
The power supply device having the differential circuit according to the present embodiment can be applied to various electronic devices. FIG. 6 shows an external view of a smartphone as an example of an electronic device.
図6に示すスマートフォンXは、外観的には、本体の前面や背面に搭載される撮像部X1と、ユーザ操作を受け付ける操作部X2(各種ボタンなど)と、文字や映像を表示する表示部X3を有する。なお、表示部X3には、ユーザのタッチ操作を受け付けるためのタッチパネル機能が搭載されている。 The external appearance of the smartphone X shown in FIG. 6 is an imaging unit X1 mounted on the front and back of the main body, an operation unit X2 (such as various buttons) that accepts user operations, and a display unit X3 that displays characters and video. Have The display unit X3 has a touch panel function for accepting a user's touch operation.
このようなスマートフォン等の各種電子機器に、先述した差動回路を有する電源装置が搭載されることにより、その利点を享受することが可能となる。 By mounting the power supply device having the above-described differential circuit on various electronic devices such as a smartphone, it is possible to enjoy the advantages.
なお、本明細書中に開示された種々の技術的特徴については、上記実施形態の他、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。即ち、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。 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. 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差動回路は、例えば、各種電子機器に搭載される電源装置に利用することができる。 The differential circuit disclosed in the present specification can be used for, for example, a power supply device mounted on various electronic devices.
DF1、DF1’ 差動回路
1、2 トランジスタ(nチャネルMOSFET)
3、4 トランジスタ(pチャネルMOSFET)
5、6 定電流回路
IV11 インバータ段
Tout 出力端
25 スイッチング電源装置
10 半導体装置(電源制御IC)
11 リップルインジェクション回路
12 基準電圧生成回路
13 メインコンパレータ
14 ワンショットパルス生成回路
15 RSフリップフロップ
16 オン時間設定回路
17 ゲートドライバ回路
18 逆流検出回路
20 スイッチ出力段
N1 出力トランジスタ(nチャネルMOSFET)
N2 同期整流トランジスタ(nチャネルMOSFET)
L1 コイル
R1、R2 抵抗
C1 コンデンサ
T1〜T7 外部端子
DF1, DF1 '
3, 4 transistors (p-channel MOSFET)
5, 6 Constant current circuit IV11 Inverter stage
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11
N2 synchronous rectification transistor (n-channel MOSFET)
L1 Coil R1, R2 Resistor C1 Capacitor T1-T7 External terminal
Claims (10)
第1定電流回路と同じ定電流値の第2定電流回路と、
第1定電流回路と接続された電流流入端、第1入力電圧が印加される電流流出端、及び前記電流流入端と短絡されたゲートを有する第1トランジスタと、第1トランジスタの前記電流流入端と接続されたゲート及び第2入力電圧が印加される電流流出端を有する第2トランジスタを含むカレントミラーと、
前記カレントミラーの出力電流に基づく電流が流れる箇所と第2定電流回路との接続点に接続される電流出力端と、を備えることを特徴とする差動回路。 A first constant current circuit;
A second constant current circuit having the same constant current value as the first constant current circuit;
A first transistor having a current inflow end connected to the first constant current circuit, a current outflow end to which a first input voltage is applied, and a gate short-circuited to the current inflow end; and the current inflow end of the first transistor A current mirror including a second transistor having a gate connected to and a current outflow end to which a second input voltage is applied;
A differential circuit comprising: a current output terminal connected to a connection point between a portion where a current based on an output current of the current mirror flows and a second constant current circuit.
前記電流検出用の電圧信号は、前記出力トランジスタと前記同期整流トランジスタとの接続点の電圧信号である請求項7に記載の差動回路と、を備える電源装置。 An output stage that generates a desired output voltage from the input voltage in accordance with on / off control of the upper-stage output transistor and the lower-stage synchronous rectification transistor;
The power supply apparatus comprising: the differential circuit according to claim 7, wherein the voltage signal for current detection is a voltage signal at a connection point between the output transistor and the synchronous rectification transistor.
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