JP5344502B2 - Power supply - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、スイッチング電源装置と半導体集積回路装置及び電源装置に関し、例えば、高電圧を低電圧に変換するスイッチング電源装置に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a switching power supply device, a semiconductor integrated circuit device, and a power supply device. For example, the present invention relates to a technique effective when applied to a switching power supply device that converts a high voltage into a low voltage.
スイッチング電源装置として米国特許第6,559,684号がある。スイッチング電源装置に関する技術文献として、米国KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS出版「Fundamentals of Power Electoronics Second Edition 」pp.439-449がある。 US Pat. No. 6,559,684 is a switching power supply device. As technical literature on switching power supplies, there is "Fundamentals of Power Electricals Second Edition" pp.439-449 published by KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS.
近年のPC(パーソナルコンピュータ)、サーバに搭載されるシステム制御ユニット(メモリ、CPU、GPU)などは処理能力向上のため動作周波数が年々高速化しており、その電源電圧は低電圧化が進んでいる。高周波動作させる事で増加する消費電流と、低電圧化にしたため発生するリーク電流は共に増加傾向にある。そのため電源回路は電源電圧の高精度化と、負荷急変時における電源電圧の低下を防ぐための高速応答や、安定動作が求められている。これら要求に応えるために電源回路の設計は非常に困難になってきている。 In recent years, PCs (personal computers) and system control units (memory, CPU, GPU) mounted on servers have increased their operating frequencies year by year in order to improve their processing capabilities, and their power supply voltages are becoming lower. . Both current consumption, which increases due to high-frequency operation, and leakage current, which is generated due to lower voltage, tend to increase. For this reason, the power supply circuit is required to have a high-accuracy power supply voltage, a high-speed response to prevent a drop in the power supply voltage when the load suddenly changes, and a stable operation. In order to meet these demands, the design of power supply circuits has become very difficult.
図10に、本願発明に先立って検討された電源制御方式の降圧型スイッチング電源装置の概略構成が示され、図11にその動作波形図が示されている。電圧制御方式では、出力電圧Vout のみを帰還回路CPSを通してモニタしているため帰還ループFBが1つであり回路設計が容易でエラーアンプEAの比較対象が振幅レベルの大きいランプ(RAMP)波形なので良好なノイズマージンがとれるという利点がある。しかしフィードバックループの系を安定させる事が困難であるのと同時にループゲインを落とす必要があるため高速応答ができないという問題がある。 FIG. 10 shows a schematic configuration of a step-down switching power supply device of a power supply control system examined prior to the present invention, and FIG. 11 shows an operation waveform diagram thereof. In the voltage control method, since only the output voltage Vout is monitored through the feedback circuit CPS, the feedback loop FB is one, the circuit design is easy, and the error amplifier EA is compared with the ramp (RAMP) waveform having a large amplitude level, which is good. There is an advantage that a sufficient noise margin can be taken. However, there is a problem that it is difficult to stabilize the feedback loop system, and at the same time, it is necessary to reduce the loop gain, so that high-speed response cannot be performed.
図12に、本願発明に先立って検討されたピーク電流制御方式の概略構成図が示されて、図13にその動作波形図が示されている。このピーク電流制御方式では出力電圧Vout と入力電流IL/Nをモニタすることにより帰還ループがFB1とFB2のように2つある事によりフィードバックループの系の不安定要素を打ち消す事ができ、位相補償が容易になる。そのためループゲインを必要以上に落とす必要がないため、電源の高速負荷応答に適した回路といえる。しかし入力電流をモニタするため高精度の電流検出が必要となるため回路構成が電圧制御方式と比較すると複雑化する。さらに出力電流ILを電源回路のスイッチノードから検出するためスパイクノイズ等不必要な電流情報を打ち消す必要がある。 FIG. 12 shows a schematic configuration diagram of a peak current control method studied prior to the present invention, and FIG. 13 shows an operation waveform diagram thereof. In this peak current control method, by monitoring the output voltage Vout and the input current IL / N, there are two feedback loops, such as FB1 and FB2, so that unstable elements of the feedback loop system can be canceled and phase compensation is performed. Becomes easier. For this reason, it is not necessary to drop the loop gain more than necessary, so it can be said that the circuit is suitable for the high-speed load response of the power source. However, since the input current is monitored, highly accurate current detection is required, so that the circuit configuration becomes complicated as compared with the voltage control method. Furthermore, since the output current IL is detected from the switch node of the power supply circuit, it is necessary to cancel unnecessary current information such as spike noise.
図14には、本願発明に先立って検討されたピーク電流制御方式のスイッチング電源装置の構成図が示されている。ハイサイドパワーMOSFETQMに対して面積が1/NのMOSFETQS(以下センスMOSFETと呼ぶ)を設けることで、メインMOSFETQMに流れる電流の1/N倍の電流をセンスMOSFETQSに流す。例えば、メインMOSFETQMとセンスMOSFETQSの比率が5000:1の場合、メイン電流が25A時にセンス電流は5mAとなる。これをセンス抵抗Rs の両端電圧Vs で検知する。この場合、前記非特許文献においては、図15に示したようなソース入力のオペアンプを使用してセンスMOSFETのソース電位とメインMOSFETのソースを同電位にして精度の良いセンス電流を得ている。 FIG. 14 shows a block diagram of a switching power supply device of a peak current control system studied prior to the present invention. By providing the high-side power MOSFET QM with a MOSFET QS having an area of 1 / N (hereinafter referred to as a sense MOSFET), a current 1 / N times the current flowing through the main MOSFET QM is caused to flow through the sense MOSFET QS. For example, when the ratio between the main MOSFET QM and the sense MOSFET QS is 5000: 1, the sense current is 5 mA when the main current is 25 A. This is detected by the voltage Vs across the sense resistor Rs. In this case, in the non-patent document, a source current operational amplifier as shown in FIG. 15 is used to obtain the sense current with high accuracy by making the source potential of the sense MOSFET and the source of the main MOSFET the same potential.
上記センス電流を得るためにメインMOSFETQMとセンスMOSFETQSのソース電位を同電位になるように、図15に示したようなオペアンプでネガティブフィードバック制御をするが、高精度の電流検出するためにはオペアンプのオフセットは最小限に抑える必要がある。通常、製造ばらつきを抑え、高速動作させるため差動部分のMOSFETであるQ1、Q2はCMOSプロセスが使用される。また、OUT端子に接続されるMOSFETQ3はドレイン−ソーソース間に高電圧(例えば0−16V)が印加されるため高耐圧プロセスであるLD−MOSFETが用いられる。このMOSFETQ3は前述の通り高耐圧プロセスであるためCMOSプロセスよりVthが高くなってしまうのと、センス電流値によってゲート−ソース間電圧が変動する。 In order to obtain the sense current, negative feedback control is performed with an operational amplifier as shown in FIG. 15 so that the source potentials of the main MOSFET QM and the sense MOSFET QS become the same potential. Offset needs to be kept to a minimum. Usually, a CMOS process is used for Q1 and Q2 which are MOSFETs in the differential portion in order to suppress manufacturing variation and to operate at high speed. The MOSFET Q3 connected to the OUT terminal is an LD-MOSFET which is a high breakdown voltage process because a high voltage (for example, 0-16V) is applied between the drain and the source. Since the MOSFET Q3 is a high breakdown voltage process as described above, the Vth becomes higher than that of the CMOS process, and the gate-source voltage varies depending on the sense current value.
上記のようなオフセットは、図16に示したようにシステマチックオフセットが生じてしまう。さらに、このオペアンプは入力がソース端子で入力インピーダンスが低いため、センス電流よりバイアス電流が供給されなければ正常動作できない。このバイアス電流により更なるオフセットを生じてしまう。例えば、オペアンプのバイアス電流が150uA、メインMOSFETQMとセンスMOSFETQSの比が5000:1の時、メインMOSFETQMに0Aの電流が流れている時にセンスMOSFETQSにはアンプへのバイアス電流である150uAが既に流れているのでメインMOSFETには150uA×5000=750mAの電流が流れていることになり、定常的に750mAのオフセットを持ったアンプになってしまう。 The above offset causes a systematic offset as shown in FIG. Further, since this operational amplifier has a source terminal and a low input impedance, it cannot operate normally unless a bias current is supplied from the sense current. This bias current causes further offset. For example, when the bias current of the operational amplifier is 150 uA and the ratio of the main MOSFET QM and the sense MOSFET QS is 5000: 1, when the current of 0 A flows through the main MOSFET QM, 150 uA that is the bias current to the amplifier already flows through the sense MOSFET QS. Therefore, a current of 150 uA × 5000 = 750 mA flows through the main MOSFET, and the amplifier has a constant offset of 750 mA.
よって、上記アンプではシステマチックオフセットとバイアス電流によるオフセットにより検出電流が、図17の特性図に示したように約1A程度ずれてしまい、出力電流の精度が求められるピーク電流制御にはこのアンプでは利用できない。また、無負荷など軽負荷時にはメイン電流ILは電源側に逆流をするためセンス電流も同様に逆流を行おうとする。しかし、逆流電流の供給源がないためこの期間はアンプが非アクティブになってしまうため、軽負荷時の応答が遅くなってしまう問題もある。 Therefore, in the above amplifier, the detected current is shifted by about 1 A as shown in the characteristic diagram of FIG. 17 due to the systematic offset and the offset due to the bias current, and this amplifier is required for peak current control in which the accuracy of the output current is required. Not available. Further, since the main current IL flows backward to the power source side at a light load such as no load, the sense current also tries to flow backward. However, since there is no supply source of the reverse current, the amplifier is inactive during this period, so that there is a problem that the response at a light load is delayed.
また、前記のような高周波動作させる事で増加する消費電流と、低電圧化にしたため発生するリーク電流は共に増加傾向にある。そのため電源回路は電源電圧の高精度化と、負荷急変時における電源電圧の低下を防ぐための高速応答や、安定動作の要求に応えた電源回路の設計が非常に困難になってきているので、負荷電流に対応して複数の電源装置を並列運転させるようにすることを検討した。このような電源装置では、並列運転に向けた新たな機能を設けるようにすることが必要となる。 Further, both the consumption current that increases due to the high-frequency operation as described above and the leakage current that occurs due to the low voltage tend to increase. For this reason, it has become very difficult to design power supply circuits that meet the requirements for high-accuracy power supply voltage, high-speed response to prevent power supply voltage drop during sudden load changes, and stable operation. We examined the parallel operation of multiple power supply units corresponding to the load current. In such a power supply device, it is necessary to provide a new function for parallel operation.
本発明の目的は、高速応答で安定動作を行うスイッチング電源装置とそれに好適な半導体集積回路装置を提供することにある。本発明の他の目的は、並列運転に好適な電源装置を提供することにある。本発明の他の目的は、電流供給能力の変更及び増大が可能な電源装置を提供することにある。本発明の更に他の目的は、高速応答で効率向上を図った電源装置を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 An object of the present invention is to provide a switching power supply device that performs stable operation with high-speed response and a semiconductor integrated circuit device suitable for the switching power supply device. Another object of the present invention is to provide a power supply device suitable for parallel operation. Another object of the present invention is to provide a power supply device capable of changing and increasing current supply capability. It is still another object of the present invention to provide a power supply device that achieves high speed response and improved efficiency. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、出力電圧が形成されるインダクタの出力側と接地電位との間にキャパシタを設ける。第1パワーMOSFETにより入力電圧から上記インダクタの入力側に電流を供給し、上記第1パワーMOSFETがオフ状態のときにオン状態となる第2パワーMOSFETにより上記インダクタの入力側を所定電位にする。上記インダクタの出力側から得られる出力電圧に対応した第1帰還信号と、上記第1パワーMOSFETに流れる電流に対応した第2帰還信号とを用いて制御回路によりPWM信号を形成する。上記第1パワーMOSFETを縦型MOS構造のセルの複数個で構成し、セル数が1/Nにされ、ゲート及びドレイン又はソースがそれぞれ同一半導体基板で共通にされた検出MOSFETを設けて上記第2帰還信号を形成する。 The outline of a typical invention among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. That is, a capacitor is provided between the output side of the inductor where the output voltage is formed and the ground potential. A current is supplied from the input voltage to the input side of the inductor by the first power MOSFET, and the input side of the inductor is set to a predetermined potential by the second power MOSFET that is turned on when the first power MOSFET is turned off. A PWM signal is formed by the control circuit using the first feedback signal corresponding to the output voltage obtained from the output side of the inductor and the second feedback signal corresponding to the current flowing through the first power MOSFET. The first power MOSFET is composed of a plurality of vertical MOS structure cells, the number of cells is reduced to 1 / N, and a detection MOSFET having a common gate and drain or source on the same semiconductor substrate is provided. Two feedback signals are formed.
本願において開示される発明のうち他の代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、発振回路の出力信号に対応した周期的信号を第1信号伝達経路によりパルス発生回路に伝え、第2信号伝達経路により第1外部端子に伝える。上記第1外部端子から入力された周期的信号を第3信号伝達経路により上記パルス発生回路に伝える。上記パルス発生回路で形成されたタイミング信号でスイッチング電源回路のPWM周期を設定する。上記第1信号伝達経路と第2信号伝達経路とを通して上記発振回路の出力信号に対応した周期的信号を伝える第1モードと、上記第3信号伝達経路を通して上記第1外部端子から入力された周期的信号を伝える第2モードとを設ける。 The outline of other representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. That is, a periodic signal corresponding to the output signal of the oscillation circuit is transmitted to the pulse generation circuit through the first signal transmission path, and is transmitted to the first external terminal through the second signal transmission path. A periodic signal input from the first external terminal is transmitted to the pulse generation circuit through a third signal transmission path. The PWM cycle of the switching power supply circuit is set by the timing signal formed by the pulse generation circuit. A first mode for transmitting a periodic signal corresponding to the output signal of the oscillation circuit through the first signal transmission path and the second signal transmission path, and a period input from the first external terminal through the third signal transmission path And a second mode for transmitting a target signal.
本願において開示される発明のうち更に他の代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、発振回路の出力信号に対応した周期的信号を第1モードのときに第1信号伝達経路によりパルス発生回路に伝え、第2信号伝達経路により第1外部端子に伝える。上記第1外部端子から入力された周期的信号を第2モードのときに第3信号伝達経路により上記パルス発生回路に伝える。上記パルス発生回路で形成されたタイミング信号でスイッチング電源回路のPWM周期が設定される第1電源装置と第2電源装置との上記第1外部端子同士を接続する。上記第1電源装置は第1モードで動作させ、上記第2電源装置は第2モードで動作させる。 The outline of still another representative one of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. That is, a periodic signal corresponding to the output signal of the oscillation circuit is transmitted to the pulse generation circuit through the first signal transmission path in the first mode, and is transmitted to the first external terminal through the second signal transmission path. The periodic signal input from the first external terminal is transmitted to the pulse generation circuit through the third signal transmission path in the second mode. The first external terminals of the first power supply device and the second power supply device in which the PWM cycle of the switching power supply circuit is set by the timing signal formed by the pulse generation circuit are connected. The first power supply device is operated in a first mode, and the second power supply device is operated in a second mode.
スイッチング電源装置の高速応答で安定動作が可能になる。 Stable operation is possible with the high-speed response of the switching power supply.
複数の電源装置の並列運転が簡単にできる。並列運転により電流供給能力の変更及び増大が可能になる。ノイズ低減が容易になる。高速応答と効率向上が可能となる。 Parallel operation of multiple power supply devices can be easily performed. The parallel operation allows the current supply capacity to be changed and increased. Noise reduction is easy. Fast response and improved efficiency are possible.
この発明をより詳細に説明するために、添付の図面に従ってこれを説明する。In order to explain the present invention in more detail, it will be described with reference to the accompanying drawings.
図1には、この発明に係るスイッチング電源装置の一実施例の要部概略回路図が示されている。この実施例は、入力電圧Vinを降圧した出力電圧Vout を形成する、いわゆる降圧型スイッチング電源装置に向けられている。特に制限されないが、入力電圧Vinは、例えば7Vから16Vのような比較的高い電圧とされ、出力電圧Vout は約1.2V程度の低い電圧とされる。同図では、入力電圧Vinが12Vの例が示されている。 FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a main part of an embodiment of a switching power supply device according to the present invention. This embodiment is directed to a so-called step-down switching power supply device that forms an output voltage Vout obtained by stepping down an input voltage Vin. Although not particularly limited, the input voltage Vin is a relatively high voltage such as 7V to 16V, and the output voltage Vout is a low voltage of about 1.2V. In the figure, an example in which the input voltage Vin is 12V is shown.
上記入力電圧Vinは、高電位側スイッチMOSFETGHを介してインダクタLの入力側から電流ILの供給を行う。インダクタLの出力側と回路の接地電位GNDとの間にはキャパシタCが設けられ、かかるキャパシタCにより平滑されて出力電圧Vout が形成される。この出力電圧Vout は、マイクロプロセッサCPU等のような負荷回路RLの動作電圧とされる。上記インダクタLの入力側と回路の接地電位GNDとの間には、スイッチMOSFETGLが設けられる。このMOSFETGLは、上記高電位側スイッチMOSFETGHがオフ状態のときにオン状態となって中点電圧VSWHを回路の接地電位にして上記インダクタLに発生する逆起電圧をクランプする。上記スイッチMOSFETGHとGLは、特に制限されないが、Nチャネル型の縦型パワーMOSFETにより構成される。上記のようにスイッチMOSFETGHとGLとの接続点は、上記インダクタLの入力側に接続される。 The input voltage Vin supplies the current IL from the input side of the inductor L via the high potential side switch MOSFETGH. A capacitor C is provided between the output side of the inductor L and the circuit ground potential GND, and the output voltage Vout is formed by being smoothed by the capacitor C. This output voltage Vout is an operating voltage of a load circuit RL such as a microprocessor CPU. A switch MOSFETGL is provided between the input side of the inductor L and the circuit ground potential GND. The MOSFET GL is turned on when the high potential side switch MOSFET GH is turned off to clamp the counter electromotive voltage generated in the inductor L by setting the midpoint voltage VSWH to the ground potential of the circuit. The switch MOSFETs GH and GL are not particularly limited, but are constituted by N-channel vertical power MOSFETs. As described above, the connection point between the switch MOSFETs GH and GL is connected to the input side of the inductor L.
この実施例では、高電位側スイッチMOSFETGHは、2つのMOSFETQMとQSから構成される。これらの2つのMOSFETQMとQSは、1つの半導体チップCP1に形成される。MOSFETQMは、高電位側スイッチMOSFETGHとしての電流ILを形成するメインMOSFETである。これに対して、MOSFETQSは、上記MOSFETQMに流れる電流ILをモニタするセンスMOSFETである。これらは、後述するように1つの半導体基板上に形成される縦型MOSFETとされる。その面積比が例えばN:1(例えば5000:1)のように形成される。これにより、MOSFETQSによりIL/N(IL/5000)のような電流が流れるようにする。また、低電位側スイッチMOSFETGLも1つの半導体チップCP2により形成される。 In this embodiment, the high potential side switch MOSFETGH is composed of two MOSFETs QM and QS. These two MOSFETs QM and QS are formed in one semiconductor chip CP1. The MOSFET QM is a main MOSFET that forms a current IL as the high potential side switch MOSFET GH. On the other hand, the MOSFET QS is a sense MOSFET that monitors the current IL flowing through the MOSFET QM. These are vertical MOSFETs formed on one semiconductor substrate as will be described later. The area ratio is, for example, N: 1 (for example, 5000: 1). Thus, a current such as IL / N (IL / 5000) is caused to flow by the MOSFETQS. Further, the low potential side switch MOSFET GL is also formed by one semiconductor chip CP2.
上記MOSFETQMとQSは、ドレインとゲートは半導体基板上において一体的に形成されることにより、それぞれが同じ電圧にされる。これらのMOSFETQMとQSは、ソースフォロワ出力MOSFETとして動作するので、上記のような面積比に対応した電流IL/Nを得るためには、上記両MOSFETQMとQSのソース電位も等しくする必要がある。差動増幅回路AMPの正相入力(+)と負相入力(−)には、上記両MOSFETQMとQSのソース電位がそれぞれ供給される。この差動増幅回路AMPの出力電圧Voは、PチャネルMOSFETQ3のゲートに供給される。このMOSFETQ3のソースは、上記MOSFETQSのソースに接続される。上記MOSFETQ3のドレインには、特に制限されないが、ダイオードDと抵抗Rsが設けられる。抵抗Rsは、上記MOSFETQSのセンス電流IL/Nに対応した電圧信号を形成し、PWM信号を形成するための1つの帰還ループ信号とされる。 In the MOSFETs QM and QS, the drain and the gate are integrally formed on the semiconductor substrate, so that each has the same voltage. Since these MOSFETs QM and QS operate as source follower output MOSFETs, the source potentials of both MOSFETs QM and QS need to be equal in order to obtain current IL / N corresponding to the above area ratio. The source potentials of the MOSFETs QM and QS are respectively supplied to the positive phase input (+) and the negative phase input (−) of the differential amplifier circuit AMP. The output voltage Vo of the differential amplifier circuit AMP is supplied to the gate of the P-channel MOSFET Q3. The source of the MOSFET Q3 is connected to the source of the MOSFET QS. Although not particularly limited, a diode D and a resistor Rs are provided at the drain of the MOSFET Q3. The resistor Rs forms a voltage signal corresponding to the sense current IL / N of the MOSFET QS and serves as one feedback loop signal for forming a PWM signal.
この実施例では、特に制限されないが、上記MOSFETQ3のソース側とドレイン側にバイアス電流源Ib1とIb2が設けられる。これらのバイアス電流源Ib1とIb2は、特に制限されないが、共通の電流により動作する電流ミラーMOSFETにより構成されて、同じバイアス電流を流すようにされる。このようなバイアス電流源Ib1とIb2を設けることにより、センス電流が殆ど零のような無負荷時でも正常にメインMOSFETQMとセンスMOSFETQSのドレイン電圧を等しくして精度よくセンス電流を流すような状態に維持しつつ、抵抗Rsに上記MOSFETQ3に流すバイアス電流が流れ込むことによる発生するオフセットを回避することができる。 In this embodiment, although not particularly limited, bias current sources Ib1 and Ib2 are provided on the source side and the drain side of the MOSFET Q3. These bias current sources Ib1 and Ib2 are not particularly limited, but are constituted by current mirror MOSFETs that operate with a common current so that the same bias current flows. By providing such bias current sources Ib1 and Ib2, the drain voltages of the main MOSFET QM and the sense MOSFET QS can be made equal to flow the sense current accurately even when there is no load where the sense current is almost zero. While maintaining, it is possible to avoid an offset caused by the bias current flowing through the MOSFET Q3 flowing into the resistor Rs.
同図では、省略されているが、前記図12に示したような2つの帰還ループFB1とFB2を用いたピーク電流制御方式が適用される。かかるピーク電流制御方式のPWM生成回路により、上記出力電圧Vout を約1.2Vのような電圧に制御するPWM信号が形成される。つまり、上記抵抗Rsにより、前記図13に示したようなセンス電流に対応した電圧IL/Nのピーク値(FB2)と、出力電圧Vout を図示しない分圧回路により分圧し、その分圧電圧を補償回路CMSに入力し、補償回路CMSの出力である高周波数成分を除去した電圧信号EO(FB1)との比較信号によりPWM信号が形成される。このPWM信号が制御回路に入力され、かかる制御回路によりドライバDV1、DV2を介して上記スイッチMOSFETGHとGLのスイッチ制御が行われる。 Although omitted in the figure, a peak current control method using two feedback loops FB1 and FB2 as shown in FIG. 12 is applied. A PWM signal for controlling the output voltage Vout to a voltage of about 1.2V is formed by the peak current control type PWM generation circuit. That is, the resistor Rs divides the peak value (FB2) of the voltage IL / N corresponding to the sense current as shown in FIG. 13 and the output voltage Vout by a voltage dividing circuit (not shown), and the divided voltage is divided. A PWM signal is formed by a comparison signal with the voltage signal EO (FB1) that is input to the compensation circuit CMS and from which the high-frequency component that is the output of the compensation circuit CMS is removed. The PWM signal is input to the control circuit, and the control of the switch MOSFETs GH and GL is performed by the control circuit via the drivers DV1 and DV2.
この実施例では、高電位側スイッチ素子として、低オン抵抗・低QgdのNチャネル型のパワーMOSFETGH(QM)を用いてソースフォロワ出力回路として動作させる。上記中点の電位を上記入力電圧Vinに対応した高電圧BOOTを得るようにするために、言い換えるならば、MOSFETGH(QM)のしきい値電圧分だけ中点電位VSWHが低下して損失が生じてしまうのを防ぐために昇圧回路が設けられる。 In this embodiment, an N-channel power MOSFET GH (QM) having a low on-resistance and a low Qgd is used as the high potential side switching element to operate as a source follower output circuit. In order to obtain the high voltage BOOT corresponding to the input voltage Vin from the midpoint potential, in other words, the midpoint potential VSWH is lowered by the threshold voltage of the MOSFET GH (QM) to cause loss. In order to prevent this, a booster circuit is provided.
上記昇圧回路は、上記MOSFETGHがオン状態のときのゲート電圧を上記入力電圧Vinに対してそのしきい値電圧分以上の高電圧にするという動作を行う。つまり、上記中点は、図示のようなブートストラップ容量CBの一端に接続される。このブートストラップ容量CBの他端は、ショットキーダイオードSBD等のようなスイッチ素子を介して5Vのような電源端子Vccに接続される。上記低電位側スイッチMOSFETGLがオン状態で、上記高電位側スイッチMOSFETMOSFETGHがオフ状態のとき、上記ブートストラップ容量CBに上記電源端子Vccからチャージアップが行われる。そして、MOSFETGLがオフ状態となり、MOSFETGH(QM)がオン状態に切り替わるときには、MOSFETGHのソース側電位に対してゲート電圧が上記ブートストラップ容量CBに対する前記チャージアップ電圧分(Vin+Vcc)だけ昇圧される。この例では、上記ショットキーダイオードSBDによる電圧損失は無視するものとする。この昇圧電圧BOOTは、上記ドライバDV1、上記バイアス電流源Ib1及び差動増幅回路AMPの動作電圧として用いられる。 The booster circuit performs an operation of setting the gate voltage when the MOSFETGH is in an on state to a voltage higher than the threshold voltage with respect to the input voltage Vin. That is, the midpoint is connected to one end of a bootstrap capacitor CB as shown. The other end of the bootstrap capacitor CB is connected to a power supply terminal Vcc such as 5V via a switching element such as a Schottky diode SBD. When the low potential side switch MOSFET GL is in an on state and the high potential side switch MOSFET MOSFET GH is in an off state, the bootstrap capacitor CB is charged up from the power supply terminal Vcc. When the MOSFET GL is turned off and the MOSFET GH (QM) is turned on, the gate voltage is boosted by the charge-up voltage (Vin + Vcc) for the bootstrap capacitor CB with respect to the source side potential of the MOSFET GH. In this example, voltage loss due to the Schottky diode SBD is ignored. The boosted voltage BOOT is used as an operating voltage for the driver DV1, the bias current source Ib1, and the differential amplifier circuit AMP.
図2には、図1の差動増幅回路の一実施例の回路図が示されている。PチャネルMOSFETQ1とQ2とが差動形態に接続される。これらMOSFETQ1とQ2のソースと前記昇圧電圧BOOTとの間には、バイアス電流源Ib3が設けられる。上記MOSFETQ1のゲートは、正相入力端子(+)に接続される。上記MOSFETQ2のゲートは、負相入力端子(−)に接続される。上記MOSFETQ1、Q2のドレインには、電流ミラー形態にされたNチャネルMOSFETQ7とQ8が負荷回路として設けられる。MOSFETQ7は、ゲートとドレインとが接続されてダイオード形態とされる。このMOSFETQ7のゲート,ドレインは上記MOSFETQ1のドレインに接続されている。MOSFETQ8は、上記MOSFETQ7とゲート及びソースが共通接続されることにより、前記のように電流ミラー形態にされる。MOSFETQ8のドレインと上記MOSFETQ2のドレインとは出力端子OUTに接続されて、出力電圧Voが形成される。 FIG. 2 shows a circuit diagram of an embodiment of the differential amplifier circuit of FIG. P-channel MOSFETs Q1 and Q2 are connected in a differential form. A bias current source Ib3 is provided between the sources of the MOSFETs Q1 and Q2 and the boosted voltage BOOT. The gate of the MOSFET Q1 is connected to the positive phase input terminal (+). The gate of the MOSFET Q2 is connected to the negative phase input terminal (-). N channel MOSFETs Q7 and Q8 in the form of current mirrors are provided as load circuits at the drains of the MOSFETs Q1 and Q2. MOSFET Q7 is formed in a diode form with its gate and drain connected. The gate and drain of the MOSFET Q7 are connected to the drain of the MOSFET Q1. The MOSFET Q8 has a current mirror configuration as described above by commonly connecting the gate and source of the MOSFET Q7. The drain of the MOSFET Q8 and the drain of the MOSFET Q2 are connected to the output terminal OUT to form the output voltage Vo.
この実施例では、上記出力電圧Voは、NチャネルMOSFETQ4のゲートに接続される。このMOSFETQ4のドレインには、特に制限されないが、前記昇圧電圧BOOTが供給される。MOSFETQ4のソースには、PチャネルMOSFETQ5のソースが接続される。このMOSFETQ5のドレインとゲートは共通接続されてダイオード形態とされる。上記MOSFETQ5のドレイン,ゲートと接地電位VSSとの間には、バイアス電流源Ib4が設けられる。上記MOSFETQ7,Q8の共通接続されたソースと、回路の接地電位VSSとの間には、ソースフォロワ形態に接続されたPチャネルMOSFETQ6が設けられる。 In this embodiment, the output voltage Vo is connected to the gate of the N-channel MOSFET Q4. Although not particularly limited, the boosted voltage BOOT is supplied to the drain of the MOSFET Q4. The source of P-channel MOSFET Q5 is connected to the source of MOSFET Q4. The drain and gate of the MOSFET Q5 are commonly connected to form a diode. A bias current source Ib4 is provided between the drain and gate of the MOSFET Q5 and the ground potential VSS. A P-channel MOSFET Q6 connected in a source follower configuration is provided between the commonly connected sources of the MOSFETs Q7 and Q8 and the circuit ground potential VSS.
上記MOSFETQ1、Q2、Q7、Q8により一般的なゲート入力の差動増幅回路を構成しており、MOSFETQ4、Q5、Q6でシステマチックオフセットキャンセル回路を構成している。MOSFETQ5のゲート電圧をVa 、MOSFETQ7のドレイン電圧をVb とすると以下の方程式が成り立つ。
Va =Vout −Vgs4 −Vgs5 ……(1)
Vb =Va +Vgs7 +Vgs6 ……(2)
Ib4=Ib3/2の時、Vgs4 =Vgs7 、Vgs5 =Vgs6となるので上記式(1)(2)により、Vo=Vbになる。ここで、Vgs4 〜Vgs7 は、MOSFETQ4〜Q7のゲート,ソース電圧である。
The MOSFETs Q1, Q2, Q7, and Q8 constitute a general gate input differential amplifier circuit, and the MOSFETs Q4, Q5, and Q6 constitute a systematic offset cancel circuit. When the gate voltage of the MOSFET Q5 is Va and the drain voltage of the MOSFET Q7 is Vb, the following equation is established.
Va = Vout−Vgs4−Vgs5 (1)
Vb = Va + Vgs7 + Vgs6 (2)
When Ib4 = Ib3 / 2, Vgs4 = Vgs7 and Vgs5 = Vgs6, so Vo = Vb from the above equations (1) and (2). Here, Vgs4 to Vgs7 are gate and source voltages of the MOSFETs Q4 to Q7.
上記差動増幅回路の出力電圧Voは、図1のようにMOSFETQ13のゲートに接続される。そして、差動増幅回路AMPの上記正相入力(+)と負相入力(−)は、上記メインMOSFETQ10とセンスMOSFETQ11のソースに接続されている。差動増幅回路AMPにおいて、上記差動MOSFETQ1とQ2のドレイン電圧が上記Vo=Vbのように等しくなるということは、正相入力(+)と負相入力(−)とが等しくなり、上記Ib4=Ib3/2の条件が成立するということである。したがって、センス電流(IL/N)の増減やLDーMOSFETQ13のVth影響がなくなり、システマチックオフセットがキャンセルされて、せいぜい5.3uV(マイクロボルト)のように小さく、差動増幅回路AMPの高精度化が図られる。 The output voltage Vo of the differential amplifier circuit is connected to the gate of the MOSFET Q13 as shown in FIG. The positive phase input (+) and the negative phase input (−) of the differential amplifier circuit AMP are connected to the sources of the main MOSFET Q10 and the sense MOSFET Q11. In the differential amplifier circuit AMP, the drain voltages of the differential MOSFETs Q1 and Q2 are equal to each other as Vo = Vb, so that the positive phase input (+) and the negative phase input (−) are equal, and the Ib4 = Ib3 / 2 is satisfied. Therefore, the increase / decrease of the sense current (IL / N) and the influence of Vth of the LD-MOSFET Q13 are eliminated, the systematic offset is canceled, and the differential amplifier circuit AMP has high accuracy as small as 5.3 uV (microvolt) at most. Is achieved.
この実施例では、上記のようにセンス電流ILの増減に関係なくせいぜい5.3uVのように無視できる程度にオフセット電圧を小さくすることができる。また、メインMOSFETQ10に流れるメイン電流がゼロアンペア付近から差動増幅回路AMPの出力電圧Voを発生させることができる。かかる出力電圧Voは、メイン電流ILの増加に対応したMOSFETQ13のゲート,ソース電圧Vgsの増加を補償するように低下するので、前記のように上記メインMOSFETQ10とセンスMOSFETQ11のソース電位が等しくされて高い精度でのピーク電流制御方式によるPWM制御が実現できる。 In this embodiment, the offset voltage can be reduced to a negligible level of 5.3 uV at most regardless of the increase or decrease of the sense current IL as described above. Further, the output voltage Vo of the differential amplifier circuit AMP can be generated when the main current flowing through the main MOSFET Q10 is near zero amperes. Since the output voltage Vo decreases to compensate for the increase of the gate and source voltage Vgs of the MOSFET Q13 corresponding to the increase of the main current IL, the source potentials of the main MOSFET Q10 and the sense MOSFET Q11 are equalized as described above. The PWM control by the peak current control method with accuracy can be realized.
図3において示されるように、センス電流ILの増減に関係なくせいぜい5.3uVのように無視できる程度にオフセット電圧を小さくすることができる。また、メインMOSFETQMに流れるメイン電流がゼロアンペア付近から差動増幅回路AMPの出力電圧Voを発生させることができる。かかる出力電圧Voは、メイン電流ILの増加に対応したMOSFETQ3のしきい値電圧Vgsの増加を補償するように低下するので、前記のように上記メインMOSFETQMとセンスMOSFETQSのソース電位が等しくされて高い精度でのピーク電流制御方式によるPWM制御が実現できる。 As shown in FIG. 3, the offset voltage can be reduced to a negligible level of 5.3 uV at most regardless of the increase or decrease of the sense current IL. Further, the output voltage Vo of the differential amplifier circuit AMP can be generated when the main current flowing through the main MOSFET QM is near zero amperes. Since the output voltage Vo decreases so as to compensate for the increase in the threshold voltage Vgs of the MOSFET Q3 corresponding to the increase in the main current IL, the source potentials of the main MOSFET QM and the sense MOSFET QS are equalized as described above. The PWM control by the peak current control method with accuracy can be realized.
図4には、この発明に係るスイッチング電源装置の一実施例の全体構成図が示されている。特に制限されないが、同図で一点鎖線で囲まれた部分が、マルチチップ構成の半導体集積回路装置とされる。つまり、点線で示したような2つのパワーMOSFET及びそれの制御回路からなる3つの半導体チップが1つのパッケージに搭載されて構成される。高電位側スイッチMOSFETGHは、前記メインMOSFETQMに対応したMOSFETQ10と、前記センスMOSFETQSに対応したMOSFETQ11により構成される。MOSFETQ10とQ11の面積比(電流比)は、5000:1のように設定されている。低電位側スイッチMOSFETGLは、MOSFETQ12により構成される。上記MOSFETQ12のソースは、スイッチングノイズの影響を軽減するために独立した接地端子PGNDに接続される。 FIG. 4 shows an overall configuration diagram of an embodiment of the switching power supply device according to the present invention. Although not particularly limited, a portion surrounded by an alternate long and short dash line in the figure is a semiconductor integrated circuit device having a multichip configuration. That is, three semiconductor chips comprising two power MOSFETs and their control circuits as shown by dotted lines are mounted on one package. The high potential side switch MOSFETGH is composed of a MOSFETQ10 corresponding to the main MOSFETQM and a MOSFETQ11 corresponding to the sense MOSFETQS. The area ratio (current ratio) of MOSFETs Q10 and Q11 is set to 5000: 1. The low potential side switch MOSFETGL is constituted by a MOSFETQ12. The source of the MOSFET Q12 is connected to an independent ground terminal PGND in order to reduce the influence of switching noise.
端子VINから約12Vのような入力電圧が供給される。端子VINの電圧は、上記MOSFETQ10及びQ11のドレインに接続されるとともに、電源回路REGにも接続される。電源回路REGは、上記12Vのような入力電圧VINを受けて約5Vのような内部電圧を形成する。端子REG5には、上記安定化用のキャパシタが接続されており、前記電源電圧Vccに対応した内部電圧が形成される。上記電源回路REGで形成された内部電圧は、PWM信号を受けて上記高電位側スイッチMOSFETGHと低電位側スイッチMOSFETGLのスイッチ制御信号を形成する論理回路LGC、上記低電位側スイッチMOSFETQ12のゲートに供給される駆動信号を形成するドライバDV2、及び後述するスロープ補償回路のトランジスタT1等のような内部回路の動作電圧とされる。 An input voltage such as about 12V is supplied from the terminal VIN. The voltage at the terminal VIN is connected to the drains of the MOSFETs Q10 and Q11 and also to the power supply circuit REG. The power supply circuit REG receives the input voltage VIN such as 12V and forms an internal voltage such as about 5V. The stabilizing capacitor is connected to the terminal REG5, and an internal voltage corresponding to the power supply voltage Vcc is formed. The internal voltage generated by the power supply circuit REG is supplied to the logic circuit LGC that receives the PWM signal and generates a switch control signal for the high potential side switch MOSFET GH and the low potential side switch MOSFET GL, and the gate of the low potential side switch MOSFET Q12. The operating voltage of the internal circuit such as the driver DV2 that forms the drive signal to be generated and the transistor T1 of the slope compensation circuit to be described later.
上記電源回路REGで形成された内部電圧は、昇圧回路を構成するショットキーダイオードSBD及び端子BOOTを通してブートストラップ容量CBの一端に接続される。こブートストラップ容量CBの他端は、端子SWに接続される。端子SWは、上記MOSFETQ10のソース及びMOSFETQ12のドレインに接続されるとともに、インダクタLの入力側と接続されている。インダクタLの他端と回路の接地電位との間には、キャパシタCが設けられて、1.2Vのような出力電圧Vout が形成されて、図示しない負荷回路等に供給される。 The internal voltage formed by the power supply circuit REG is connected to one end of the bootstrap capacitor CB through the Schottky diode SBD and the terminal BOOT constituting the booster circuit. The other end of the bootstrap capacitor CB is connected to the terminal SW. The terminal SW is connected to the source of the MOSFET Q10 and the drain of the MOSFET Q12, and is connected to the input side of the inductor L. A capacitor C is provided between the other end of the inductor L and the ground potential of the circuit, and an output voltage Vout such as 1.2 V is formed and supplied to a load circuit (not shown) or the like.
上記MOSFETQ11のソースとMOSFETQ10のソースは、差動増幅回路AMPの入力端子(+)、(−)に接続される。この差動増幅回路AMPは、前記図2に示したような回路からなり、上記MOSFETQ10とQ11のソースの電位を等しくして精度の高いセンス電流を得るように動作する。上記MOSFETQ11により形成されたセンス電流が流れるMOSFETQ3は、前記LD−MOSFETの様な高耐圧素子により構成される。かかるMOSFETQ3のソース側及びドレイン側には前記図2に示したバイアス電流源Ib1とIb2に対応したバイアス電流源Ibが設けられる。そして、MOSFETQ3のドレインは、ダイオードDを介して端子CSに接続され、ここに電圧信号に変換する抵抗Rsが接続される。この端子CSで発生した電圧信号は、前記帰還ループFB2の信号として用いられる。 The source of the MOSFET Q11 and the source of the MOSFET Q10 are connected to the input terminals (+) and (−) of the differential amplifier circuit AMP. The differential amplifier circuit AMP comprises the circuit as shown in FIG. 2, and operates so as to obtain a highly accurate sense current by equalizing the potentials of the sources of the MOSFETs Q10 and Q11. The MOSFET Q3 through which the sense current formed by the MOSFET Q11 flows is constituted by a high breakdown voltage element such as the LD-MOSFET. Bias current sources Ib corresponding to the bias current sources Ib1 and Ib2 shown in FIG. 2 are provided on the source side and the drain side of the MOSFET Q3. The drain of the MOSFET Q3 is connected to the terminal CS via the diode D, and a resistor Rs for converting it into a voltage signal is connected thereto. The voltage signal generated at the terminal CS is used as a signal of the feedback loop FB2.
この実施例では、特に制限されないが、スロープ補償回路SCが設けられる。スロープ補償回路SCは、ランプ波形に対応した電流信号を形成して端子RAMPを介して電圧信号に変換する抵抗素子に供給する。上記端子RAMPで発生した電圧信号は、トランジスタT1のエミッタに供給される。このトランジスタT1のベースには、上記抵抗Rsで形成されたセンス電流IL/5000(=N)に対応した電圧信号がダイオードDによりレベルシフトされて供給される。この結果、トランジスタT1のエミッタには、上記抵抗Rsで形成された電圧信号と、上記スロープ補償回路SCのランプ波形に対応した電圧信号が加算されて電圧比較回路VC1に伝えられる。 In this embodiment, although not particularly limited, a slope compensation circuit SC is provided. The slope compensation circuit SC forms a current signal corresponding to the ramp waveform and supplies it to a resistance element that converts it into a voltage signal via the terminal RAMP. The voltage signal generated at the terminal RAMP is supplied to the emitter of the transistor T1. A voltage signal corresponding to the sense current IL / 5000 (= N) formed by the resistor Rs is level-shifted by the diode D and supplied to the base of the transistor T1. As a result, the voltage signal formed by the resistor Rs and the voltage signal corresponding to the ramp waveform of the slope compensation circuit SC are added to the emitter of the transistor T1 and transmitted to the voltage comparison circuit VC1.
出力電圧Vout は、抵抗R1とR2による分圧回路により分圧されて端子FBに入力される。端子FBに入力された分圧電圧は前記帰還ループFB1の信号としてエラーアンプEAに入力される。エラーアンプEAは、基準電圧Vref との差分を取り出す。エラーアンプEAの出力信号は、端子EOに設けられた抵抗やキャパシタからなる補償回路でノイズ成分が除去されて電圧比較回路VC1に伝えられる。端子TRKに設けられた抵抗とキャパシタは、ソフトスタート信号を形成して上記エラーアンプEAに伝える。つまり、電源投入直後での出力電圧Vout が上記ソフトスタート信号に対応して緩やかに立ち上がるように制御する。発振回路OSCは、端子CTに接続されたキャパシタ等により周波数設定が行われて、PWM信号の周波数を設定する。この発振回路OSCで形成されたパルスは、PWM信号を形成するフリップフロップ回路FFのリセット信号RESとされる。 The output voltage Vout is divided by a voltage dividing circuit including resistors R1 and R2 and input to the terminal FB. The divided voltage input to the terminal FB is input to the error amplifier EA as a signal of the feedback loop FB1. The error amplifier EA extracts a difference from the reference voltage Vref. The output signal of the error amplifier EA is transmitted to the voltage comparison circuit VC1 after the noise component is removed by a compensation circuit including a resistor and a capacitor provided at the terminal EO. The resistor and the capacitor provided at the terminal TRK form a soft start signal and transmit it to the error amplifier EA. That is, control is performed so that the output voltage Vout immediately after power-on rises gently in response to the soft start signal. The oscillation circuit OSC sets the frequency of the PWM signal by setting the frequency by a capacitor or the like connected to the terminal CT. The pulse formed by the oscillation circuit OSC is used as the reset signal RES of the flip-flop circuit FF that forms the PWM signal.
前記図13に示したピーク電流制御方式では、発振回路により形成されたリセット信号RESが同図のリセットパルスRPに対応しており、フリップフロップ回路FFをリセットして反転出力/Qから得られるPWM信号を立ち上げる。これにより、高電位側スイッチMOSFETQ10がオン状態となり、そのセンス電流IL/NがMOSFETQ11により検出されて電圧信号とされる。そして、出力電圧Vout の分圧電圧EOとが電圧比較回路VC1で比較され、上記IL/Nに対応した電圧が上記電圧EOに到達した時点でフリップフロップ回路FFをセットして、上記PWM信号をロウレベルに変化させる。これにより、上記高電位側スイッチMOSFETQ10、Q11がオフ状態となり、代わって低電位側MOSFETQ12がオン状態に切り換えられる。 In the peak current control method shown in FIG. 13, the reset signal RES formed by the oscillation circuit corresponds to the reset pulse RP shown in FIG. 13, and the PWM obtained from the inverted output / Q by resetting the flip-flop circuit FF. Raise the signal. As a result, the high potential side switch MOSFET Q10 is turned on, and the sense current IL / N is detected by the MOSFET Q11 to be a voltage signal. Then, the divided voltage EO of the output voltage Vout is compared with the voltage comparison circuit VC1, and when the voltage corresponding to the IL / N reaches the voltage EO, the flip-flop circuit FF is set, and the PWM signal is set. Change to low level. Accordingly, the high potential side switch MOSFETs Q10 and Q11 are turned off, and the low potential side MOSFET Q12 is switched to the on state instead.
上記トランジスタT1のエミッタ側に設けられたMOSFETQ14とQ13は、上記フリップフロップ回路FFの出力信号Qを受けてスイッチ動作を行うものであり、電圧比較回路VC1にヒステリシス特性を持たせるように動作する。つまり、上記のようにフリップフロップ回路FFがセットされると、MOSFETQ14及びQ15がオン状態となり、トランジスタT1を強制的にオフ状態にさせるとともに電圧比較回路VC1の入力電位を低下させて、上記リセット信号RESによりフリップフロップ回路FFがリセットされるまでセット状態を維持させる。 MOSFETs Q14 and Q13 provided on the emitter side of the transistor T1 perform a switching operation in response to the output signal Q of the flip-flop circuit FF, and operate so that the voltage comparison circuit VC1 has a hysteresis characteristic. That is, when the flip-flop circuit FF is set as described above, the MOSFETs Q14 and Q15 are turned on to forcibly turn off the transistor T1 and lower the input potential of the voltage comparison circuit VC1, and thus the reset signal. The set state is maintained until the flip-flop circuit FF is reset by RES.
論理回路LGCは、上記高電位側MOSFETQ10と低電位側MOSFETQ12とが同時にオン状態にならないようなデッドタイムを設定する回路と、上記高電位側MOSFETQ10、Q11に伝えられる制御電圧を上記昇圧電圧に対応した信号レベルに変換するレベルシフト回路が設けられている。 The logic circuit LGC corresponds to a circuit that sets a dead time so that the high-potential side MOSFET Q10 and the low-potential side MOSFET Q12 are not turned on at the same time, and a control voltage transmitted to the high-potential side MOSFETs Q10 and Q11. There is provided a level shift circuit for converting to the signal level.
前記のように同図に点線で示したように高電位側スイッチMOSFETGHと低電位側スイッチMOSFETGLは、それぞれが1つの半導体チップで形成される。これ以外の発振回路OSC、エラーアンプEA、フリップフロップ回路FF及び電圧比較回路VC1、トランジスタT1やスロープ補償回路SCは、PWM信号を形成するPWM制御回路を構成し、論理回路LGC、ドライバDV1、DV2、電源回路REGや差動増幅回路AMPとMOSFETQ3はドライバ回路を構成して1つの半導体チップで形成される。 As described above, each of the high potential side switch MOSFET GH and the low potential side switch MOSFET GL is formed by one semiconductor chip as indicated by the dotted line in FIG. The other oscillation circuit OSC, error amplifier EA, flip-flop circuit FF, voltage comparison circuit VC1, transistor T1, and slope compensation circuit SC constitute a PWM control circuit for forming a PWM signal, and include a logic circuit LGC, drivers DV1, DV2. The power supply circuit REG, the differential amplifier circuit AMP, and the MOSFET Q3 constitute a driver circuit and are formed by one semiconductor chip.
図5には、この発明に係るスイッチング電源装置の他の一実施例の全体構成図が示されている。この実施例では、前記図4の実施例にMOSFETQ11で形成されたセンス電流IL/5000を用いたカレントリミッタ回路が追加される。カレントリミッタ回路は、上記外付け抵抗Rsの端子電圧を用いることにより実現される。つまり、リミッタ電流に対応した基準電圧VRと上記抵抗Rsが形成された電圧とを電圧比較回路VC2で検出し、オアゲート回路Gを通してフリップフロップ回路FFをセット状態にして、上記高電位側スイッチMOSFETQ10、Q11、Q12をオフ状態にしてしまうものである。センス電流はスイッチング時にノイズを発生するため、誤動作防止のためにセンス電流検出には数十ns程度のブランキング回路BLが設けられる。 FIG. 5 is an overall configuration diagram of another embodiment of the switching power supply device according to the present invention. In this embodiment, a current limiter circuit using a sense current IL / 5000 formed of MOSFET Q11 is added to the embodiment of FIG. The current limiter circuit is realized by using the terminal voltage of the external resistor Rs. That is, the reference voltage VR corresponding to the limiter current and the voltage at which the resistor Rs is formed are detected by the voltage comparison circuit VC2, the flip-flop circuit FF is set through the OR gate circuit G, and the high potential side switch MOSFET Q10, Q11 and Q12 are turned off. Since the sense current generates noise at the time of switching, a blanking circuit BL of about several tens of ns is provided for detecting the sense current in order to prevent malfunction.
この実施例では、本発明に係る半導体集積回路装置を並列接続した場合、エラーアンプEAの出力同士を接続することにより高精度のカレントシェアにも利用することができる。カレントシェアはエラーアンプEAの出力をダイオード(トランジスタT2のべース,エミッタ)を介して外部端子ISHに接続される。例えば、2つのスイッチング電源装置の外部端子ISH同士を相互に接続する。このように外部端子ISH同士を相互に接続することにより2つのスイッチング電源装置でのエラーアンプEAの出力電圧は共通化されて同様な出力電圧Vout を形成するように動作するので、シェアリングが可能となり出力電流供給能力を倍増させることができる。 In this embodiment, when the semiconductor integrated circuit devices according to the present invention are connected in parallel, the outputs of the error amplifier EA can be connected to each other for high-accuracy current sharing. In the current share, the output of the error amplifier EA is connected to the external terminal ISH through a diode (base and emitter of the transistor T2). For example, the external terminals ISH of two switching power supply devices are connected to each other. By connecting the external terminals ISH to each other in this way, the output voltage of the error amplifier EA in the two switching power supply devices is made common to operate so as to form a similar output voltage Vout, so that sharing is possible. The output current supply capability can be doubled.
図6には、前記スロープ補償回路の動作を説明するための波形図が示されている。同図には、スロープ補償なしの場合とスロープ補償ありの場合とが比較されて示されている。同図は、PWM信号のデューティDが60%の場合で、点線が定常時のリップル電流波形が示されており、Δiのようなノイズが入力された場合が実線で示されている。同図のようにスロープ補償なしのときには、上記Δiのノイズ電流によりリップル電流が定常時のリップル電流から外れて発振動作をしてしまう。しかしながら、スロープ補償ありの場合には、同じくΔiのようなノイズ電流が入力されてもスロープ波形の追加によって、定常時のリップル電流波形に収束する。同図の電圧Veoは、前記図13の電圧EOに対応している。 FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the operation of the slope compensation circuit. In the figure, the case without slope compensation and the case with slope compensation are compared and shown. In the figure, when the duty D of the PWM signal is 60%, the dotted line indicates the ripple current waveform in the steady state, and the case where noise such as Δi is input is indicated by the solid line. As shown in the figure, when slope compensation is not performed, the ripple current deviates from the ripple current in the steady state due to the noise current of Δi and oscillates. However, in the case of slope compensation, even if a noise current such as Δi is input, it converges to a steady ripple current waveform by adding a slope waveform. The voltage Veo in the figure corresponds to the voltage EO in FIG.
図7には、前記スロープ補償回路の動作を説明するための他の波形図が示されている。同図は、PWM信号のデューティDが40%を例にして図6と同様にスロープ補償なしの場合とスロープ補償ありの場合とが比較されて示されている。このようにデューティDが50%以下の安定動作時においても、スロープ補償を行うことよりスロープ補償をしない場合に比べて収束性を向上させることができる。このようなスロープ補償に関しては、前記非特許文献1において詳細に説明されている。
FIG. 7 shows another waveform diagram for explaining the operation of the slope compensation circuit. This figure shows a comparison between the case without slope compensation and the case with slope compensation, as in FIG. 6, with the duty D of the PWM signal being 40% as an example. Thus, even during a stable operation with a duty D of 50% or less, the convergence can be improved by performing the slope compensation as compared with the case where the slope compensation is not performed. Such slope compensation is described in detail in
図8には、この発明に係るスイッチング電源装置に用いられる半導体集積回路装置の一実施例の構成図が示されている。同図には、実際の半導体集積回路装置に対応して、ピン配置及び内部構成が例示的に示されている。この実施例では、3つの半導体チップが1つのパッケージに搭載されるマルチチップモジュール集積回路とされる。半導体チップは、前記高電位側スイッチMOSFETGHと低電位側スイッチMOSFETGL及び制御回路DRVCから構成される。上記高電位側スイッチMOSFETGは、前記メインMOSFETQM(Q10)とセンスMOSFETQS(Q11)から構成される。低電位側スイッチMOSFETGLは、前記MOSFETQ12により構成される。そして、図5に点線で示したように制御回路DRVCのように、前記ドライバDV1、DV2、論理回路LGC、差動増幅回路AMP、MOSFETQ3及び電源回路REG等からなる半導体チップで構成される。したがって、前記図5のようなスイッチング電源装置を構成する場合、制御回路のうちPWM信号を形成する制御部分の回路が、外部に設けられた別チップの半導体集積回路装置に構成されるものである。 FIG. 8 is a block diagram showing an embodiment of a semiconductor integrated circuit device used in the switching power supply device according to the present invention. In the same figure, pin arrangement and internal configuration are exemplarily shown corresponding to an actual semiconductor integrated circuit device. In this embodiment, a multichip module integrated circuit is provided in which three semiconductor chips are mounted in one package. The semiconductor chip is composed of the high potential side switch MOSFET GH, the low potential side switch MOSFET GL, and the control circuit DRVC. The high potential side switch MOSFETG includes the main MOSFET QM (Q10) and the sense MOSFET QS (Q11). The low potential side switch MOSFETGL is configured by the MOSFETQ12. Then, as indicated by the dotted line in FIG. 5, like the control circuit DRVC, it is composed of a semiconductor chip comprising the drivers DV1, DV2, logic circuit LGC, differential amplifier circuit AMP, MOSFET Q3, power supply circuit REG, and the like. Therefore, in the case of configuring the switching power supply device as shown in FIG. 5, the circuit of the control part that forms the PWM signal in the control circuit is configured in a separate chip semiconductor integrated circuit device provided outside. .
この実施例の半導体集積回路装置は、チップの周辺部に1ないし56の外部端子が設けられ、それぞれに同図に示したような信号ないし電圧が供給され、又は外部部品が接続される。半導体集積回路装置の裏面側には入力端子VIN、出力端子SW及びCGNDのようなタブパッド(TAB PAD)が設けられる。なお、前記図4又は図5の制御回路の全部を上記制御回路DRVCに内蔵させてもよい。 In the semiconductor integrated circuit device of this embodiment, 1 to 56 external terminals are provided in the peripheral portion of the chip, and signals or voltages as shown in the figure are supplied to each, or external components are connected. A tab pad (TAB PAD) such as an input terminal VIN, an output terminal SW, and CGND is provided on the back side of the semiconductor integrated circuit device. Note that all of the control circuit shown in FIG. 4 or 5 may be incorporated in the control circuit DRVC.
一般的には、上記のようなセンスMOS方式を採用する場合、センスMOSFETQSとメインMOSFETQMはペア比が重要となるため同構造の素子でなければならないので、コントロールICにパワーMOSFETが内蔵されている1チップ構成のデバイスにしなければならなく、コントローラとパワーMOSFETとを別チップのディスクリート構成では上記センス電流が得られない。また、1チップ構成でコントロールICにパワーMOSFETを内蔵されるときには、パワーMOSFETはディスクリートのパワーMOSFETに比べ大幅に特性が悪化するので大電流用途では使用できず電流容量の制限が出てしまう。 In general, when the sense MOS system as described above is adopted, the sense MOSFET QS and the main MOSFET QM must have the same structure because the pair ratio is important. Therefore, the power MOSFET is built in the control IC. The device must be a one-chip device, and the sense current cannot be obtained if the controller and the power MOSFET are separated from each other. Further, when the power MOSFET is built in the control IC with a one-chip configuration, the power MOSFET is greatly deteriorated in characteristics as compared with the discrete power MOSFET, so that it cannot be used in a large current application and the current capacity is limited.
この実施例のような縦型構造のMOSFETを用いて、1つの半導体チップCP1に高電位側のメインMOSFETQMと同構造の1/N倍のセンスMOSFETQSを設けた場合、製造工程によって生じる両MOSFETQMとQSのしきい値電圧Vgsやオン抵抗のペア比ばらつきが最小限に抑えることができる。また、温度上昇に伴うオン抵抗の変化についてもメインMOSFETQM、センスMOSFETQSとで同様に増減するためセンス電流に温度依存が少ない。よって、これらMOSFETQMとQSに前記図2のような高精度の差動増幅回路を組み合わせることにより、ピーク電流制御に用いることのできる高精度のセンス電流検出が可能になる。 When a vertical MOSFET as in this embodiment is used and a sense MOSFET QS of 1 / N times the same structure as the high-potential main MOSFET QM is provided on one semiconductor chip CP1, both MOSFETs QM generated by the manufacturing process Variations in QS threshold voltage Vgs and on-resistance pair ratio can be minimized. In addition, the change in on-resistance due to a temperature rise also increases and decreases in the same way in the main MOSFET QM and the sense MOSFET QS, so that the sense current has less temperature dependence. Therefore, by combining these MOSFETs QM and QS with a high-precision differential amplifier circuit as shown in FIG. 2, high-precision sense current detection that can be used for peak current control becomes possible.
図9には、前記高電位側スイッチMOSFET、低電位側スイッチMOSFETとして用いられる縦型パワーMOSFETQ10〜Q12の一実施例の素子断面構造図が示されている。同図には、1つのMOSFET(セル)が例示的に示されている。ドレインN+領域はシリコン基板の下側にある。ゲート電極は、チャネルに挟まれたN層の全面を覆い、ゲート下の電界集中を緩和させている。電子は、N+層からなるソースからチャネルを水平に通りN層に達する。このとき、ゲート電極下の正の電圧によりN層の表面はN+蓄積層になっており、かかるN+蓄積層を通してN層の全面を垂直に電子が流れてドレインに達する。この実施例のパワーMOSFETでは、上記のような電子の流れから縦型構造と呼ばれるものである。 FIG. 9 shows an element cross-sectional structure diagram of one embodiment of the vertical power MOSFETs Q10 to Q12 used as the high potential side switch MOSFET and the low potential side switch MOSFET. In the drawing, one MOSFET (cell) is exemplarily shown. The drain N + region is on the lower side of the silicon substrate. The gate electrode covers the entire surface of the N layer sandwiched between the channels to alleviate electric field concentration under the gate. Electrons travel horizontally through the channel from the source consisting of the N + layer to the N layer. At this time, the surface of the N layer becomes an N + accumulation layer due to the positive voltage under the gate electrode, and electrons flow vertically through the entire surface of the N layer through the N + accumulation layer and reach the drain. The power MOSFET of this embodiment is called a vertical structure because of the above-described electron flow.
上記中心部のN層を囲むようにチャネル及びN+層のソースがリング状態に形成される。上記チャネル及びソース(N+層)が形成されるP層がセルの分離領域として作用する。上記ソース、チャネル及び中心部のN層の形状が六角形にされて、複数のセルが蜂の巣状に配置される。例えば、20000個のセルにより上記MOSFETQ10が形成され、4個のセルにより上記MOSFETQ11が形成される。これにより、MOSFETQ10とQ11は、5000:1のような面積比(電流比)を持つようにされる。上記MOSFETQ10とQ11のドレインは、基板裏面で共通にされており、ゲートは表面側で金属配線層により共通に接続される。そして、上記20000個のセルのソースが同図に例示的に示されている表面の金属配線層により共通に接続され、上記4個のセルも同様に金属配線層により相互に接続される。MOSFETGLも上記センスMOSFETが存在しないだけで上記同様な構造とされる。 A channel and a source of the N + layer are formed in a ring state so as to surround the N layer in the center. The P layer in which the channel and source (N + layer) are formed functions as a cell isolation region. The source, the channel, and the N layer at the center are formed in a hexagonal shape, and a plurality of cells are arranged in a honeycomb shape. For example, the MOSFET Q10 is formed by 20000 cells, and the MOSFET Q11 is formed by four cells. Thus, MOSFETs Q10 and Q11 have an area ratio (current ratio) of 5000: 1. The drains of the MOSFETs Q10 and Q11 are common on the back surface of the substrate, and the gates are commonly connected on the front surface side by a metal wiring layer. The sources of the 20000 cells are connected in common by a metal wiring layer on the surface shown in the figure, and the four cells are also connected to each other by a metal wiring layer. The MOSFET GL has the same structure as the above except that the sense MOSFET does not exist.
図18には、この発明に係るスイッチング電源回路に用いられる発振回路OSCとパルス発生回路PGの一実施例のブロック図が示されている。発振回路OSCは、外部端子CTに接続されたキャパシタCと、定電流源I1,I2、スイッチS1及びヒステリシスコンパレータCPから構成される。上記定電流源I1は、電源電圧REG5から上記キャパシタCに充電電流を流す。上記スイッチS1のオン状態により上記定電流源I1より大きな定電流を回路の接地電位に向けて流し、差分電流(I2−I1)によって上記キャパシタCを放電させる。ヒステリシスコンパレータCPは、第1しきい値電圧V1からそれより低い第2しきい値電圧V2に外部端子CTの電圧が遷移する第1状態と第2しきい値電圧V2から第1しきい値電圧V1に外部端子CTの電圧が遷移する第2動作状態とを持つ。例えば、上記ヒステリシスコンパレータCPが上記第1動作状態のとき出力信号CPout がロウレベルにされて上記スイッチS1をオフ状態にする。上記ヒステリシスコンパレータCPが上記第2動作状態になると出力信号CPout がハイレベルにされて上記スイッチS1をオンにする。 FIG. 18 is a block diagram showing one embodiment of the oscillation circuit OSC and the pulse generation circuit PG used in the switching power supply circuit according to the present invention. The oscillation circuit OSC includes a capacitor C connected to the external terminal CT, constant current sources I1 and I2, a switch S1, and a hysteresis comparator CP. The constant current source I1 supplies a charging current from the power supply voltage REG5 to the capacitor C. When the switch S1 is turned on, a constant current larger than that of the constant current source I1 is flowed toward the ground potential of the circuit, and the capacitor C is discharged by the differential current (I2-I1). The hysteresis comparator CP has a first state in which the voltage at the external terminal CT transitions from the first threshold voltage V1 to a second threshold voltage V2 lower than the first threshold voltage V1, and the first threshold voltage from the second threshold voltage V2. V1 has a second operation state in which the voltage of the external terminal CT transits. For example, when the hysteresis comparator CP is in the first operation state, the output signal CPout is set to a low level to turn off the switch S1. When the hysteresis comparator CP is in the second operating state, the output signal CPout is set to the high level to turn on the switch S1.
上記キャパシタCの電圧が低く、上記ヒステリシスコンパレータCPが第2動作状態のとき上記スイッチS1がオフ状態となり、上記キャパシタCは上記定電流源I1により充電される。上記キャパシタCの電圧が上記第1しきい値電圧V1に到達すると、ヒステリシスコンパレータCPの出力信号CPout がロウレベルからハイレベルに変化して第1動作状態にされ、それに対応して上記スイッチS1がオン状態にされる。上記スイッチS1のオン状態により、キャパシタCは上記差電流による放電動作に切り換えられる。上記キャパシタCの電圧が上記第2しきい値電圧V2に到達すると、ヒステリシスコンパレータCPは、出力信号CPout をロウレベルに変化させて再び第2動作状態にされ、上記スイッチS1をオフ状態にさせる。このような動作の繰り返しにより、上記キャパシタCの電位は、上記第1しきい値電圧V1と第2しきい値電圧V2の範囲で変化する。 When the voltage of the capacitor C is low and the hysteresis comparator CP is in the second operating state, the switch S1 is turned off, and the capacitor C is charged by the constant current source I1. When the voltage of the capacitor C reaches the first threshold voltage V1, the output signal CPout of the hysteresis comparator CP changes from the low level to the high level to enter the first operation state, and the switch S1 is turned on correspondingly. Put into a state. The capacitor C is switched to the discharging operation by the difference current according to the ON state of the switch S1. When the voltage of the capacitor C reaches the second threshold voltage V2, the hysteresis comparator CP changes the output signal CPout to the low level to be again in the second operation state, and turns off the switch S1. By repeating such an operation, the potential of the capacitor C changes in the range of the first threshold voltage V1 and the second threshold voltage V2.
上記発振回路OSCの出力信号CPout は、分周回路で周波数fが1/2に分周される。この分周出力f/2は、スイッチS3の接点a側を通してパルス発生回路PGに入力される。また、上記分周出力f/2は、出力バッファOBとスイッチS2の接点a側を通して外部端子SYNCから出力される。また、この外部端子SYNCからの信号は、上記スイッチS2の接点b側−インバータ回路IN1、IN2及びスイッチS4の接点a側と上記スイッチS3の接点b側を通して上記パルス発生回路PGに入力される。上記インバータ回路IN1の出力信号は、上記インバータ回路IN2をバイパスさせる上記スイッチS4の接点b側と上記スイッチS3の接点b側を通して上記パルス発生回路PGに入力される。 The output signal CPout of the oscillation circuit OSC is frequency-divided by a frequency dividing circuit. This frequency divided output f / 2 is input to the pulse generation circuit PG through the contact a side of the switch S3. The frequency-divided output f / 2 is output from the external terminal SYNC through the output buffer OB and the contact a side of the switch S2. The signal from the external terminal SYNC is input to the pulse generation circuit PG through the contact b side of the switch S2-the inverter circuits IN1, IN2 and the contact a side of the switch S4 and the contact b side of the switch S3. The output signal of the inverter circuit IN1 is input to the pulse generation circuit PG through the contact b side of the switch S4 and the contact b side of the switch S3 that bypass the inverter circuit IN2.
上記スイッチS2とS3は、制御信号CT1により制御され、上記スイッチS4は、制御信号CT2により制御される。上記制御信号CT1とCT2は、電圧判定回路VDにより形成される。電圧判定回路VDは、上記キャパシタCの電位が、上記第1しきい値電圧V1よりも高いか、上記第2しきい値電圧V2よりも低いか、それ以外、つまりは上記第1しきい値電圧と第2しきい値電圧V2の範囲内であるかの判定動作を行う。例えば、上記キャパシタCの電位を、上記第1しきい値電圧V1より低い第1論理しきい値電圧を持つインバータ回路IN3と、上記第2しきい値電圧V2より高い第2論理しきい値電圧を持つインバータ回路IN4の出力信号を論理回路LOに供給して、その組み合わせにより制御信号CT1とCT2を形成する。 The switches S2 and S3 are controlled by a control signal CT1, and the switch S4 is controlled by a control signal CT2. The control signals CT1 and CT2 are formed by a voltage determination circuit VD. The voltage determination circuit VD determines whether the potential of the capacitor C is higher than the first threshold voltage V1, lower than the second threshold voltage V2, or otherwise, that is, the first threshold voltage. An operation for determining whether the voltage is within the range of the voltage and the second threshold voltage V2 is performed. For example, the potential of the capacitor C is set to an inverter circuit IN3 having a first logic threshold voltage lower than the first threshold voltage V1, and a second logic threshold voltage higher than the second threshold voltage V2. Is supplied to the logic circuit LO, and the control signals CT1 and CT2 are formed by the combination thereof.
上記キャパシタCの電位が上記判定電圧よりも低く、第2論理しきい値電圧よりも高いとき、例えば制御信号CT1をロウレベルにしてスイッチS2とS3を接点a側に接続させる。上記キャパシタCの電位が、上記第1論理しきい値電圧より高いとき、あるいは上記第2論理しきい値電圧よりも低いときには制御信号CT1をハイレベルにしてスイッチS2とS3を接点b側に接続させる。そして、上記キャパシタCの電位が、上記第2論理しきい値電圧よりも低いときに制御信号CT2をロウレベルにして上記スイッチS4を接点a側に接続させ、上記第1論理しきい値電圧よりも高いときに制御信号CT2をハイレベルにして上記スイッチS4を接点b側に接続させる。 When the potential of the capacitor C is lower than the determination voltage and higher than the second logic threshold voltage, for example, the control signal CT1 is set to the low level to connect the switches S2 and S3 to the contact a side. When the potential of the capacitor C is higher than the first logic threshold voltage or lower than the second logic threshold voltage, the control signal CT1 is set to high level to connect the switches S2 and S3 to the contact b side. Let Then, when the potential of the capacitor C is lower than the second logic threshold voltage, the control signal CT2 is set to the low level to connect the switch S4 to the contact a side, so that the capacitor C is lower than the first logic threshold voltage. When it is high, the control signal CT2 is set to the high level to connect the switch S4 to the contact b side.
パルス発生回路PGは、上記のようなスイッチ2〜4からなる信号伝達経路を通して上記発振回路の分周出力f/2又は外部端子SYNCを通して入力されたパルス信号に応答して後述するようなPWM信号を形成するためのリセット信号RESと最大デューティ信号MXDを形成する。
The pulse generation circuit PG is a PWM signal as will be described later in response to a pulse signal input through the signal output path composed of the
図19には、図18の発振回路OSCとパルス発生回路PGの動作を説明するための波形図が示されている。3Vは前記第1しきい値電圧V1に対応しており、2Vは上記第2しきい値電圧V2に対応している。また、定電流源I1の電流に対して定電流源I2の電流は2倍にされる。それ故、キャパシタCが接続された外部端子CTは定電流I1に対応した電流によって充電/放電させられた三角波となる。ヒステリシスコンパレータCPの出力信号CPout は、充電動作のときにロウレベルとなり、放電動作のときにはハイレベルになる。その周波数Fは、F(Hz)=I1(A)/[2×C(F)]×1Vとなる。ここで、C(F)は、キャパシタCの容量値である。1Vは、上記第1しきい値電圧V1と第2しきい値電圧V2の電位差である。 FIG. 19 is a waveform diagram for explaining operations of the oscillation circuit OSC and the pulse generation circuit PG of FIG. 3V corresponds to the first threshold voltage V1, and 2V corresponds to the second threshold voltage V2. Further, the current of the constant current source I2 is doubled with respect to the current of the constant current source I1. Therefore, the external terminal CT to which the capacitor C is connected becomes a triangular wave that is charged / discharged by a current corresponding to the constant current I1. The output signal CPout of the hysteresis comparator CP becomes low level during the charging operation and becomes high level during the discharging operation. The frequency F is F (Hz) = I1 (A) / [2 × C (F)] × 1V. Here, C (F) is a capacitance value of the capacitor C. 1V is a potential difference between the first threshold voltage V1 and the second threshold voltage V2.
分周回路の出力信号f/2は、上記発振回路OSCの出力信号CPout を1/2分周したパルスとされる。上記パルス発生回路は、上記分周出力f/2がロウレベルからハイレベルに立ち上がるときに最大デューティ信号MXDを発生させ、それにより時間T(例えば50ns)だけ遅れたタイミングでリセットパルスRESを発生させる。 The output signal f / 2 of the frequency dividing circuit is a pulse obtained by dividing the output signal CPout of the oscillation circuit OSC by 1/2. The pulse generation circuit generates a maximum duty signal MXD when the frequency-divided output f / 2 rises from a low level to a high level, thereby generating a reset pulse RES at a timing delayed by a time T (for example, 50 ns).
図20には、この発明に係るスイッチング電源回路の一実施例の一部概略回路図が示されている。この実施例は、入力電圧Vinを降圧した出力電圧Vout を形成する、いわゆる降圧型スイッチング電源回路に向けられている。特に制限されないが、入力電圧Vinは、約12Vのような比較的高い電圧とされ、出力電圧Vout は約1.2V程度の低い電圧とされる。 FIG. 20 is a partial schematic circuit diagram of an embodiment of the switching power supply circuit according to the present invention. This embodiment is directed to a so-called step-down switching power supply circuit that forms an output voltage Vout obtained by stepping down an input voltage Vin. Although not particularly limited, the input voltage Vin is a relatively high voltage such as about 12V, and the output voltage Vout is a low voltage of about 1.2V.
上記入力電圧Vinは、高電位側スイッチMOSFETQ10を介してインダクタLの入力側から電流の供給を行う。インダクタLの出力側と回路の接地電位GNDとの間にはキャパシタCOが設けられ、かかるキャパシタCOにより平滑された出力電圧Vout が形成される。この出力電圧Vout は、マイクロプロセッサCPU等のような負荷回路Load の動作電圧とされる。上記インダクタLの入力側と回路の接地電位VSSとの間には、スイッチMOSFETQ12が設けられる。このMOSFETQ12は、上記スイッチMOSFETQ10がオフ状態のときにオン状態となって上記インダクタLの入力側を回路の接地電位にして上記インダクタLに発生する逆起電圧をクランプする。上記スイッチMOSFETQ10とQ12は、Nチャネル型のパワーMOSFETにより構成される。上記のようにスイッチMOSFETQ10とQ12の接続点は、上記インダクタL1の入力側に接続される。 The input voltage Vin is supplied with current from the input side of the inductor L via the high potential side switch MOSFETQ10. A capacitor CO is provided between the output side of the inductor L and the circuit ground potential GND, and a smoothed output voltage Vout is formed by the capacitor CO. This output voltage Vout is the operating voltage of a load circuit Load such as a microprocessor CPU. A switch MOSFET Q12 is provided between the input side of the inductor L and the circuit ground potential VSS. The MOSFET Q12 is turned on when the switch MOSFET Q10 is turned off, and clamps a counter electromotive voltage generated in the inductor L by setting the input side of the inductor L to the ground potential of the circuit. The switch MOSFETs Q10 and Q12 are N-channel power MOSFETs. As described above, the connection point of the switch MOSFETs Q10 and Q12 is connected to the input side of the inductor L1.
上記出力電圧Vout は、帰還信号VFとしてPWM生成回路PWMCに帰還される。PWM生成回路PWMCは、上記帰還信号VFを受けて、上記出力電圧Vout を約1.2Vのような電圧に制御するPWM信号を生成して制御回路Logに伝える。制御回路Logは、上記PWM信号に対応した高電圧信号と低電位側信号を形成する。上記両信号には上記MOSFETQ10とQ12が同時にオンしないようなデッドタイムが設定されている。上記高電位側信号は、後述するようなレベルシフト(レベル変換)機能持つドライバDV1を通して上記高電位側スイッチMOSFETQ10のゲートに伝えられる。上記低電位側信号は、ドライバDV2を通して上記低電位側スイッチMOSFETQ12のゲートに伝えられる。 The output voltage Vout is fed back to the PWM generation circuit PWMC as a feedback signal VF. The PWM generation circuit PWMC receives the feedback signal VF, generates a PWM signal for controlling the output voltage Vout to a voltage such as about 1.2 V, and transmits it to the control circuit Log. The control circuit Log forms a high voltage signal and a low potential side signal corresponding to the PWM signal. A dead time is set for both signals so that the MOSFETs Q10 and Q12 are not turned on simultaneously. The high potential side signal is transmitted to the gate of the high potential side switch MOSFET Q10 through a driver DV1 having a level shift (level conversion) function as described later. The low potential side signal is transmitted to the gate of the low potential side switch MOSFET Q12 through the driver DV2.
図21には、図20のスイッチング電源回路の動作を説明するための要部回路図が示され、図22にはその動作波形図が示さている。図21に示したようにPWM信号(パルス幅制御信号)によりスイッチ制御される高電位側スイッチMOSFETQ10を通してインダクタLの入力側に電流I1を供給し、インダクタLの出力側と回路の接地電位との間に出力キャパシタCOを設けて出力電圧Vout を得る。上記インダクタLと接地電位との間には、低電位側スイッチMOSFETQ12が設けられる。このMOSFETQ12は、上記MOSFETQ10がオフ状態にされたときのインダクタLの入力側を回路の接地電位VSSに電圧クランプさせ、上記インダクタLを通して負荷に供給される電流ILに対応した電流I2を流す。上記MOSFETQ10とQ12は交互にオンしており、その中点電圧VSWHは0V(VSS)と入力電圧Vinとを往復する波形となる。出力電圧Vout の安定化はPWMのデューティ(Duty)を調整することによって達成される。図22において、インダクタLに流れる電流ILの平均電流が負荷電流Iout と等しくなる。 FIG. 21 shows a principal circuit diagram for explaining the operation of the switching power supply circuit of FIG. 20, and FIG. 22 shows an operation waveform diagram thereof. As shown in FIG. 21, the current I1 is supplied to the input side of the inductor L through the high potential side switch MOSFET Q10 that is switch-controlled by the PWM signal (pulse width control signal), and the output side of the inductor L and the ground potential of the circuit An output capacitor CO is provided between them to obtain an output voltage Vout. A low potential side switch MOSFET Q12 is provided between the inductor L and the ground potential. The MOSFET Q12 causes the input side of the inductor L when the MOSFET Q10 is turned off to be voltage clamped to the circuit ground potential VSS, and causes the current I2 corresponding to the current IL supplied to the load through the inductor L to flow. The MOSFETs Q10 and Q12 are alternately turned on, and the midpoint voltage VSWH has a waveform that reciprocates between 0 V (VSS) and the input voltage Vin. Stabilization of the output voltage Vout is achieved by adjusting the PWM duty. In FIG. 22, the average current of the current IL flowing through the inductor L becomes equal to the load current Iout.
図23に、この発明に係るスイッチング電源回路の一実施例の全体概略回路図が示されている。この実施例のスイッチング電源回路のPWM生成回路PWMCはピーク電流制御方式とされる。ピーク電流制御方式では前記出力電圧Vout を帰還させる帰還ループに加えて、入力電流IL/Nをモニタして帰還させる帰還ループとを設けることによりフィードバックループの系の不安定要素を打ち消して位相補償を容易にする。そのためループゲインを必要以上に落とす必要がないため、電源の高速負荷応答に適した回路といえる。この実施例のPWM生成回路PWMCは、フリップフロップ回路FFの反転信号/QからPWM信号を生成する。このフリップフロップ回路FFは、上記図18のパルス発生回路PGにより形成されたリセット信号RESによりリセットされる。そして、出力電圧Vout に対応した帰還信号VFと基準電圧Vref とを受けるエラーアンプEAの出力信号EOと、上記高電位側スイッチMOSFETQ10に流れる電流をセンスして形成された信号CSとを受けるコンパレータの出力信号によりセットされる。 FIG. 23 shows an overall schematic circuit diagram of an embodiment of the switching power supply circuit according to the present invention. The PWM generation circuit PWMC of the switching power supply circuit of this embodiment is a peak current control system. In the peak current control system, in addition to the feedback loop that feeds back the output voltage Vout, a feedback loop that monitors and feeds back the input current IL / N is provided, thereby canceling unstable elements of the feedback loop system and performing phase compensation. make it easier. For this reason, it is not necessary to drop the loop gain more than necessary, so it can be said that the circuit is suitable for the high-speed load response of the power source. The PWM generation circuit PWMC of this embodiment generates a PWM signal from the inverted signal / Q of the flip-flop circuit FF. The flip-flop circuit FF is reset by a reset signal RES formed by the pulse generation circuit PG shown in FIG. The comparator receives the output signal EO of the error amplifier EA that receives the feedback signal VF corresponding to the output voltage Vout and the reference voltage Vref, and the signal CS that is formed by sensing the current flowing through the high potential side switch MOSFET Q10. Set by output signal.
図24には、図23のスイッチング電源回路の動作を説明するための波形図が示されている。このようなピークピーク電流制御方式では、上記リセット信号RESの到来によりフリップフロップ回路FFがリセットされてPWM信号がハイレベルとなり、高電位側スイッチMOSFETQ10をオン状態にさせる。このMOSFETQ10の電流I1に対応した電流を抵抗Rに流してモニタ電圧CSを形成する。コンパレータは、上記モニタ電圧CSが上記エラーアンプEAの出力信号EOに到達したときにフリップフロップ回路FFを反転させてPWM信号をハイレベルからロウレベルに変化させる。このように出力電流I1に対応した電流のモニタ電圧CSによりPWM信号を形成するので高速負荷応答を実現することができる。上記PWM信号をハイレベルからロウレベルにされることに応じて高電位側MOSFETQ10がオフ状態にされて、低電位側MOSFETQ12がオン状態に切り換えられる。 FIG. 24 is a waveform diagram for explaining the operation of the switching power supply circuit of FIG. In such a peak-to-peak current control system, the flip-flop circuit FF is reset by the arrival of the reset signal RES, the PWM signal becomes high level, and the high potential side switch MOSFET Q10 is turned on. A current corresponding to the current I1 of the MOSFET Q10 is passed through the resistor R to form the monitor voltage CS. The comparator inverts the flip-flop circuit FF to change the PWM signal from the high level to the low level when the monitor voltage CS reaches the output signal EO of the error amplifier EA. As described above, the PWM signal is formed by the monitor voltage CS of the current corresponding to the output current I1, so that a high-speed load response can be realized. In response to the PWM signal being changed from a high level to a low level, the high potential side MOSFET Q10 is turned off, and the low potential side MOSFET Q12 is turned on.
図25には、図24のスイッチング電源回路の一実施例の要部概略回路図が示されている。上記入力電圧Vinは、高電位側スイッチMOSFET10、インダクタL、MOSFETQ12及びドライバDV1,DV2は前記図23と同様である。上記スイッチMOSFETQ10とQ12は、特に制限されないが、Nチャネル型の縦型パワーMOSFETにより構成される。上記のようにスイッチMOSFETQ10とQ12との接続点は、上記インダクタLの入力側に接続される。同図のMOSFETQ10とQ11及びQ12は、前記図1のMOSFETQMとQS及びGLに対応している。また、キャパシタCOは、前記図1のキャパシタC対応している。 FIG. 25 shows a schematic circuit diagram of a main part of one embodiment of the switching power supply circuit of FIG. The input voltage Vin is the same as that shown in FIG. 23 for the high potential side switch MOSFET 10, the inductor L, the MOSFET Q12, and the drivers DV1 and DV2. The switch MOSFETs Q10 and Q12 are not particularly limited, but are constituted by N-channel vertical power MOSFETs. As described above, the connection point between the switch MOSFETs Q10 and Q12 is connected to the input side of the inductor L. MOSFETs Q10, Q11, and Q12 in the figure correspond to the MOSFETs QM, QS, and GL in FIG. The capacitor CO corresponds to the capacitor C in FIG.
この実施例では、高電位側スイッチMOSFETQ10に対してセンス用のMOSFETQ11が設けられる。これらの2つのMOSFETQ10とQ11は、1つの半導体チップCP1に形成される。MOSFETQ10は、高電位側スイッチMOSFETとしての電流ILを形成する。これに対して、MOSFETQ11は、上記MOSFETQ10に流れる電流ILをモニタするセンスMOSFETである。これらは、後述するように1つの半導体基板上に形成される縦型MOSFETとされる。その面積比が例えばN:1(例えば5000:1)のように形成される。これにより、MOSFETQSによりIL/N(IL/5000)のような電流が流れるようにされる。また、低電位側スイッチMOSFETQ12も1つの半導体チップCP2により形成される。 In this embodiment, a sensing MOSFET Q11 is provided for the high potential side switch MOSFET Q10. These two MOSFETs Q10 and Q11 are formed in one semiconductor chip CP1. The MOSFET Q10 forms a current IL as a high potential side switch MOSFET. On the other hand, the MOSFET Q11 is a sense MOSFET that monitors the current IL flowing through the MOSFET Q10. These are vertical MOSFETs formed on one semiconductor substrate as will be described later. The area ratio is, for example, N: 1 (for example, 5000: 1). Thus, a current such as IL / N (IL / 5000) is caused to flow by the MOSFETQS. Further, the low potential side switch MOSFET Q12 is also formed by one semiconductor chip CP2.
上記MOSFETQ10とQ11は、ドレインとゲートは半導体基板上において一体的に形成されることにより、それぞれが同じ電圧にされる。これらのMOSFETQ10とQ11は、ソースフォロワ出力MOSFETとして動作するので、上記のような面積比に対応した電流IL/Nを得るためには、上記両MOSFETQ10とQ11のソース電位も等しくする必要がある。差動増幅回路AMPの正相入力(+)と負相入力(−)には、上記両MOSFETQ10とQ11のソース電位がそれぞれ供給される。この差動増幅回路AMPの出力電圧Voは、PチャネルMOSFETQ13のゲートに供給される。このMOSFETQ13のソースは、上記MOSFETQ11のソースに接続される。上記MOSFETQ13のドレインには、特に制限されないが、ダイオードDと抵抗Rsが設けられる。抵抗Rsは、上記MOSFETQ11のセンス電流IL/Nに対応した電圧信号を形成し、この電圧はPWM信号を形成するための1つの前記帰還信号CSとされる。 In the MOSFETs Q10 and Q11, the drain and the gate are integrally formed on the semiconductor substrate, so that each has the same voltage. Since these MOSFETs Q10 and Q11 operate as source follower output MOSFETs, in order to obtain the current IL / N corresponding to the above area ratio, it is necessary to make the source potentials of both the MOSFETs Q10 and Q11 equal. The source potentials of the MOSFETs Q10 and Q11 are respectively supplied to the positive phase input (+) and the negative phase input (−) of the differential amplifier circuit AMP. The output voltage Vo of the differential amplifier circuit AMP is supplied to the gate of the P-channel MOSFET Q13. The source of the MOSFET Q13 is connected to the source of the MOSFET Q11. Although not particularly limited, a diode D and a resistor Rs are provided at the drain of the MOSFET Q13. The resistor Rs forms a voltage signal corresponding to the sense current IL / N of the MOSFET Q11, and this voltage is used as one feedback signal CS for forming a PWM signal.
この実施例では、特に制限されないが、上記MOSFETQ13のソース側とドレイン側にバイアス電流源Ib1とIb2が設けられる。これらのバイアス電流源Ib1とIb2は、特に制限されないが、共通の電流により動作する電流ミラーMOSFETにより構成されて、同じバイアス電流を流すようにされる。このようなバイアス電流源Ib1とIb2を設けることにより、センス電流が殆ど零のような無負荷時でも正常にメインMOSFETQ10とセンスMOSFETQ11のドレイン電圧を等しくして精度よくセンス電流を流すような状態に維持しつつ、抵抗Rsに上記MOSFETQ13に流すバイアス電流が流れ込むことによる発生するオフセットを回避することができる。 In this embodiment, although not particularly limited, bias current sources Ib1 and Ib2 are provided on the source side and the drain side of the MOSFET Q13. These bias current sources Ib1 and Ib2 are not particularly limited, but are constituted by current mirror MOSFETs that operate with a common current so that the same bias current flows. By providing such bias current sources Ib1 and Ib2, the drain voltages of the main MOSFET Q10 and the sense MOSFET Q11 can be made equal to flow the sense current accurately even when there is no load where the sense current is almost zero. While maintaining, it is possible to avoid an offset caused by a bias current flowing through the MOSFET Q13 flowing into the resistor Rs.
上記抵抗Rsにより形成された電圧は、前記のように図23に示したような2つの帰還ループVFとCSを用いたピーク電流制御方式の上記帰還信号CSとして用いられる。図23に示したピーク電流制御方式のPWM生成回路PWMCにより、上記出力電圧Vout を約1.2Vのような電圧に制御するPWM信号が形成される。つまり、上記抵抗Rsにより、前記図24に示したようなセンス電流に対応した電圧CS(IL/N)のピーク値と、出力電圧Vout を図示しない分圧回路により分圧し、その分圧電圧と基準電圧とを受けるエラーアンプEAの出力信号EOとの比較信号によりPWM信号が形成される。このPWM信号によりスイッチMOSFETQ10とQ12のスイッチ制御が行われる。 The voltage formed by the resistor Rs is used as the feedback signal CS of the peak current control method using the two feedback loops VF and CS as shown in FIG. A PWM signal for controlling the output voltage Vout to a voltage of about 1.2 V is formed by the peak current control type PWM generation circuit PWMC shown in FIG. That is, the resistor Rs divides the peak value of the voltage CS (IL / N) corresponding to the sense current as shown in FIG. 24 and the output voltage Vout by a voltage dividing circuit (not shown), and the divided voltage and A PWM signal is formed by a comparison signal with the output signal EO of the error amplifier EA that receives the reference voltage. Switch control of the switch MOSFETs Q10 and Q12 is performed by this PWM signal.
この実施例では、高電位側スイッチ素子として、低オン抵抗・低QgdのNチャネル型のパワーMOSFETQ10を用いてソースフォロワ出力回路として動作させる。上記中点の電位を上記入力電圧Vinに対応した高電圧BOOTを得るようにするために、言い換えるならば、MOSFETQ10のしきい値電圧分だけ中点電位VSWHが低下して損失が生じてしまうのを防ぐために昇圧回路が設けられる。 In this embodiment, an N-channel power MOSFET Q10 having a low on-resistance and a low Qgd is used as the high potential side switching element to operate as a source follower output circuit. In order to obtain the high voltage BOOT corresponding to the input voltage Vin from the midpoint potential, in other words, the midpoint potential VSWH is lowered by the threshold voltage of the MOSFET Q10 and a loss occurs. In order to prevent this, a booster circuit is provided.
上記昇圧回路は、上記MOSFETQ10がオン状態のときのゲート電圧を上記入力電圧Vinに対してそのしきい値電圧分以上の高電圧にするという動作を行う。つまり、上記中点は、図示のようなブートストラップ容量CBの一端に接続される。このブートストラップ容量CBの他端は、ショットキーダイオードSBD等のようなスイッチ素子を介して5V(REG5)のような電源端子Vccに接続される。上記低電位側スイッチMOSFETQ12がオン状態で、上記高電位側スイッチMOSFETMOSFETQ10がオフ状態のとき、上記ブートストラップ容量CBに上記電源端子Vccからチャージアップが行われる。そして、MOSFETQ12がオフ状態となり、MOSFETQ10がオン状態に切り替わるときには、MOSFETQ10のソース側電位に対してゲート電圧が上記ブートストラップ容量CBに対する前記チャージアップ電圧分(Vin+Vcc)だけ昇圧される。この例では、上記ショットキーダイオードSBDによる電圧損失は無視するものとする。この昇圧電圧BOOTは、上記ドライバDV1、上記バイアス電流源Ib1及び差動増幅回路AMPの動作電圧として用いられる。 The booster circuit performs an operation of setting the gate voltage when the MOSFET Q10 is in an on state to a high voltage equal to or higher than the threshold voltage with respect to the input voltage Vin. That is, the midpoint is connected to one end of a bootstrap capacitor CB as shown. The other end of the bootstrap capacitor CB is connected to a power supply terminal Vcc such as 5V (REG5) via a switching element such as a Schottky diode SBD. When the low potential side switch MOSFET Q12 is on and the high potential side switch MOSFET MOSFET Q10 is off, the bootstrap capacitor CB is charged from the power supply terminal Vcc. When the MOSFET Q12 is turned off and the MOSFET Q10 is turned on, the gate voltage is boosted by the charge-up voltage (Vin + Vcc) for the bootstrap capacitor CB with respect to the source side potential of the MOSFET Q10. In this example, voltage loss due to the Schottky diode SBD is ignored. The boosted voltage BOOT is used as an operating voltage for the driver DV1, the bias current source Ib1, and the differential amplifier circuit AMP.
図25の差動増幅回路AMPは、前記図2に示した回路が用いられる。上記差動増幅回路AMPの出力電圧Voは、MOSFETQ13のゲートに接続される。そして、差動増幅回路AMPの上記正相入力(+)と負相入力(−)は、上記メインMOSFETQ10とセンスMOSFETQ11のソースに接続されている。差動増幅回路AMPにおいて、上記差動MOSFETQ1とQ2のドレイン電圧が上記Vo=Vbのように等しくなるということは、正相入力(+)と負相入力(−)とが等しくなり、上記Ib4=Ib3/2の条件が成立するということである。したがって、センス電流(IL/N)の増減やLDーMOSFETQ13のVth影響がなくなり、システマチックオフセットがキャンセルされて、せいぜい5.3uV(マイクロボルト)のように小さく、差動増幅回路AMPの高精度化が図られる。 The differential amplifier circuit AMP shown in FIG. 25 uses the circuit shown in FIG. The output voltage Vo of the differential amplifier circuit AMP is connected to the gate of the MOSFET Q13. The positive phase input (+) and the negative phase input (−) of the differential amplifier circuit AMP are connected to the sources of the main MOSFET Q10 and the sense MOSFET Q11. In the differential amplifier circuit AMP, the drain voltages of the differential MOSFETs Q1 and Q2 are equal to each other as Vo = Vb, so that the positive phase input (+) and the negative phase input (−) are equal, and the Ib4 = Ib3 / 2 is satisfied. Therefore, the increase / decrease of the sense current (IL / N) and the influence of Vth of the LD-MOSFET Q13 are eliminated, the systematic offset is canceled, and the differential amplifier circuit AMP has high accuracy as small as 5.3 uV (microvolt) at most. Is achieved.
この実施例では、上記のようにセンス電流ILの増減に関係なくせいぜい5.3uVのように無視できる程度にオフセット電圧を小さくすることができる。また、メインMOSFETQ10に流れるメイン電流がゼロアンペア付近から差動増幅回路AMPの出力電圧Voを発生させることができる。かかる出力電圧Voは、メイン電流ILの増加に対応したMOSFETQ13のゲート,ソース電圧Vgsの増加を補償するように低下するので、前記のように上記メインMOSFETQ10とセンスMOSFETQ11のソース電位が等しくされて高い精度でのピーク電流制御方式によるPWM制御が実現できる。 In this embodiment, the offset voltage can be reduced to a negligible level of 5.3 uV at most regardless of the increase or decrease of the sense current IL as described above. Further, the output voltage Vo of the differential amplifier circuit AMP can be generated when the main current flowing through the main MOSFET Q10 is near zero amperes. Since the output voltage Vo decreases to compensate for the increase of the gate and source voltage Vgs of the MOSFET Q13 corresponding to the increase of the main current IL, the source potentials of the main MOSFET Q10 and the sense MOSFET Q11 are equalized as described above. The PWM control by the peak current control method with accuracy can be realized.
図26には、この発明に係るスイッチング電源装置の一実施例の全体構成図が示されている。特に制限されないが、同図で太い一点鎖線で囲まれた部分が、マルチチップ構成の半導体集積回路装置とされる。つまり、点線で示したような2つのパワーMOSFETGH,GL及びそれの制御回路DVRCとそれ以外からなる4つの半導体チップが1つのパッケージに搭載されて構成される。高電位側スイッチMOSFETGHは、前記メインMOSFETQ10と、前記センスMOSFET11により構成される。MOSFETQ10とQ11の面積比(電流比)は、5000:1のように設定されている。低電位側スイッチMOSFETGLは、MOSFETQ12により構成される。上記MOSFETQ12のソースは、スイッチングノイズの影響を軽減するために独立した外部接地端子PGNDに接続される。 FIG. 26 is an overall configuration diagram of an embodiment of the switching power supply device according to the present invention. Although not particularly limited, a portion surrounded by a thick alternate long and short dash line in the figure is a semiconductor integrated circuit device having a multichip configuration. That is, two power MOSFETs GH and GL as shown by dotted lines, a control circuit DVRC thereof, and four semiconductor chips including the other are mounted on one package. The high potential side switch MOSFETGH is configured by the main MOSFETQ10 and the sense MOSFET11. The area ratio (current ratio) of MOSFETs Q10 and Q11 is set to 5000: 1. The low potential side switch MOSFETGL is constituted by a MOSFETQ12. The source of the MOSFET Q12 is connected to an independent external ground terminal PGND in order to reduce the influence of switching noise.
端子VINから約12Vのような入力電圧供給される。端子VINの電圧は、上記MOSFETQ10及びQ11のドレインに接続されるとともに、電源回路REGに供給される。電源回路REGは、上記12Vのような入力電圧VINを受けて約5Vのような内部電圧(REG5)を形成する。端子REG5には、上記安定化用のキャパシタが接続されている。上記内部電圧(REG5)は、上記高電位側スイッチMOSFET10,Q11と低電位側スイッチMOSFETQ12のスイッチ制御信号を形成する論理回路LGC、上記低電位側スイッチMOSFETQ12のゲートに供給される駆動信号を形成するドライバDV2、及び特に制限されないが、スロープ補償用のトランジスタT1等のような内部回路の動作電圧とされる。 An input voltage such as about 12 V is supplied from the terminal VIN. The voltage at the terminal VIN is connected to the drains of the MOSFETs Q10 and Q11 and is supplied to the power supply circuit REG. The power supply circuit REG receives the input voltage VIN such as 12V and forms an internal voltage (REG5) such as about 5V. The stabilization capacitor is connected to the terminal REG5. The internal voltage (REG5) forms a drive signal supplied to the logic circuit LGC that forms switch control signals for the high potential side switch MOSFETs 10 and Q11 and the low potential side switch MOSFET Q12, and the gate of the low potential side switch MOSFET Q12. Although not particularly limited, the driver DV2 is an operating voltage of an internal circuit such as a slope compensation transistor T1.
上記内部電圧(REG5)は、昇圧回路を構成するショットキーダイオードSBD及び端子BOOTを通してブートストラップ容量CBの一端に接続される。このブートストラップ容量CBの他端は、端子SWに接続される。端子SWは、上記MOSFETQ10のソース及びMOSFETQ12のドレインに接続されるとともに、インダクタLの入力側と接続されている。インダクタLの他端と回路の接地電位との間には、キャパシタCOが設けられて、1.2Vのような出力電圧Vout が形成されて、図示しないCPU等のような負荷回路等に供給される。 The internal voltage (REG5) is connected to one end of the bootstrap capacitor CB through a Schottky diode SBD and a terminal BOOT constituting the booster circuit. The other end of the bootstrap capacitor CB is connected to the terminal SW. The terminal SW is connected to the source of the MOSFET Q10 and the drain of the MOSFET Q12, and is connected to the input side of the inductor L. A capacitor CO is provided between the other end of the inductor L and the ground potential of the circuit, and an output voltage Vout such as 1.2 V is formed and supplied to a load circuit such as a CPU (not shown). The
上記MOSFETQ11のソースとMOSFETQ10のソースは、差動増幅回路AMPの入力端子(+)、(−)に接続される。この差動増幅回路AMPは、前記図2に示した回路からなり、上記MOSFETQ10とQ11のソースの電位を等しくして精度の高いセンス電流を得るように動作する。上記MOSFETQ11により形成されたセンス電流が流れるMOSFETQ13は、前記LD−MOSFETにより構成される。かかるMOSFETQ13のソース側及びドレイン側には前記図25に示したバイアス電流源Ib1とIb2に対応したバイアス電流源Ibが設けられる。そして、MOSFETQ13のドレインは、ブランキング回路BK及びダイオードDを介して端子CSに接続され、ここに電圧信号に変換する抵抗Rsが接続される。 The source of the MOSFET Q11 and the source of the MOSFET Q10 are connected to the input terminals (+) and (−) of the differential amplifier circuit AMP. The differential amplifier circuit AMP comprises the circuit shown in FIG. 2 and operates so as to obtain a highly accurate sense current by making the potentials of the sources of the MOSFETs Q10 and Q11 equal. The MOSFET Q13 through which the sense current formed by the MOSFET Q11 flows is constituted by the LD-MOSFET. Bias current sources Ib corresponding to the bias current sources Ib1 and Ib2 shown in FIG. 25 are provided on the source side and the drain side of the MOSFET Q13. The drain of the MOSFET Q13 is connected to the terminal CS via the blanking circuit BK and the diode D, and a resistor Rs for converting it into a voltage signal is connected thereto.
この端子CSで発生した電圧信号は、前記帰還信号CSとして用いられる。また、リミッタ電流に対応した基準電圧VRと上記抵抗Rsが形成された電圧とを電圧比較回路VC2で検出し、オアゲート回路G1を通してフリップフロップ回路FFをセット状態にして、PWM信号をロウレベルとして上記高電位側スイッチMOSFETQ10、Q11をオフ状態にしてしまうものである。センス電流はスイッチング時にノイズを発生するため、誤動作防止のためにセンス電流検出には数十ns程度の上記ブランキング回路BKが設けられる。 The voltage signal generated at the terminal CS is used as the feedback signal CS. Further, the reference voltage VR corresponding to the limiter current and the voltage at which the resistor Rs is formed are detected by the voltage comparison circuit VC2, the flip-flop circuit FF is set through the OR gate circuit G1, and the PWM signal is set to the low level to set the high level. The potential side switch MOSFETs Q10 and Q11 are turned off. Since the sense current generates noise during switching, the blanking circuit BK of about several tens of ns is provided for detecting the sense current in order to prevent malfunction.
この実施例では、特に制限されないが、スロープ補償回路SCが設けられる。スロープ補償回路SCは、ランプ波形に対応した電流信号を形成して端子RAMPを介して電圧信号に変換する抵抗素子に供給する。上記端子RAMPで発生した電圧信号は、トランジスタT1のエミッタに供給される。このトランジスタT1のベースには、上記抵抗Rsで形成されたセンス電流IL/5000(=N)に対応した電圧信号がダイオードDによりレベルシフトされて供給される。この結果、トランジスタT1のエミッタには、上記抵抗Rsで形成された電圧信号と、上記スロープ補償回路SCのランプ波形に対応した電圧信号が加算されて電圧比較回路VC1に伝えられる。 In this embodiment, although not particularly limited, a slope compensation circuit SC is provided. The slope compensation circuit SC forms a current signal corresponding to the ramp waveform and supplies it to a resistance element that converts it into a voltage signal via the terminal RAMP. The voltage signal generated at the terminal RAMP is supplied to the emitter of the transistor T1. A voltage signal corresponding to the sense current IL / 5000 (= N) formed by the resistor Rs is level-shifted by the diode D and supplied to the base of the transistor T1. As a result, the voltage signal formed by the resistor Rs and the voltage signal corresponding to the ramp waveform of the slope compensation circuit SC are added to the emitter of the transistor T1 and transmitted to the voltage comparison circuit VC1.
出力電圧Vout は、抵抗R1とR2による分圧回路により分圧されて端子FBに入力される。端子FBに入力された分圧電圧は前記帰還信号VFとしてエラーアンプEAに入力される。エラーアンプEAは、基準電圧Vref との差分を取り出す。エラーアンプEAの出力信号は、端子EOに設けられた抵抗やキャパシタからなる補償回路でノイズ成分が除去されて電圧比較回路VC1に伝えられる。端子TRKに設けられた抵抗とキャパシタは、ソフトスタート信号を形成して上記エラーアンプEAに伝える。つまり、電源投入直後での出力電圧Vout が上記ソフトスタート信号に対応して緩やかに立ち上がるように制御する。発振回路OSCは、前記図18に示したように端子CTに接続されたキャパシタ及び前記定電流I1,I2により周波数設定が行われて、PWM信号の周波数を設定する。この発振回路OSCで形成されたパルスは、前記パルス発生回路PGに供給されて上記フリップフロップ回路FFのリセット信号RES、及び強制セット信号としての最大デューティ信号MXDが形成される。 The output voltage Vout is divided by a voltage dividing circuit including resistors R1 and R2 and input to the terminal FB. The divided voltage input to the terminal FB is input to the error amplifier EA as the feedback signal VF. The error amplifier EA extracts a difference from the reference voltage Vref. The output signal of the error amplifier EA is transmitted to the voltage comparison circuit VC1 after the noise component is removed by a compensation circuit including a resistor and a capacitor provided at the terminal EO. The resistor and the capacitor provided at the terminal TRK form a soft start signal and transmit it to the error amplifier EA. That is, control is performed so that the output voltage Vout immediately after power-on rises gently in response to the soft start signal. The oscillation circuit OSC sets the frequency of the PWM signal by setting the frequency by the capacitor connected to the terminal CT and the constant currents I1 and I2 as shown in FIG. The pulse formed by the oscillation circuit OSC is supplied to the pulse generation circuit PG to form a reset signal RES of the flip-flop circuit FF and a maximum duty signal MXD as a forced set signal.
ピーク電流制御方式では、発振回路OSCにより形成されたリセット信号RESにより、フリップフロップ回路FFをリセットして反転出力/Qから得られるPWM信号を立ち上げる。これにより、高電位側スイッチMOSFETQ10がオン状態となり、そのセンス電流IL/NがMOSFETQ11により検出されて電圧信号とされる。そして、エラーアンプEAにより形成された出力電圧Vout の分圧電圧と基準電圧Vref の差分出力EOとが電圧比較回路VC1で比較され、上記IL/Nに対応した電圧が上記電圧EOに到達した時点でフリップフロップ回路FFをセットして、上記PWM信号をロウレベルに変化させる。これにより、上記高電位側スイッチMOSFETQ10、Q11がオフ状態となり、代わって低電位側MOSFETQ12がオン状態に切り換ええられる。 In the peak current control system, the flip-flop circuit FF is reset by the reset signal RES formed by the oscillation circuit OSC, and the PWM signal obtained from the inverted output / Q is raised. As a result, the high potential side switch MOSFET Q10 is turned on, and the sense current IL / N is detected by the MOSFET Q11 to be a voltage signal. The voltage comparison circuit VC1 compares the divided voltage of the output voltage Vout formed by the error amplifier EA with the differential output EO of the reference voltage Vref, and the voltage corresponding to the IL / N reaches the voltage EO. Thus, the flip-flop circuit FF is set to change the PWM signal to a low level. As a result, the high potential side switch MOSFETs Q10 and Q11 are turned off, and the low potential side MOSFET Q12 is switched to the on state instead.
上記トランジスタT1のエミッタ側に設けられたMOSFETQ14とQ13は、上記フリップフロップ回路FFの出力信号Qを受けてスイッチ動作を行うものであり、電圧比較回路VC1にヒステリシス特性を持たせるように動作する。つまり、上記のようにフリップフロップ回路FFがセットされると、MOSFETQ14及びQ15がオン状態となり、トランジスタT1を強制的にオフ状態にさせるとともに電圧比較回路VC1の入力電位を低下させて、上記リセット信号RESによりフリップフロップ回路FFがリセットされるまでセット状態を維持させる。 MOSFETs Q14 and Q13 provided on the emitter side of the transistor T1 perform a switching operation in response to the output signal Q of the flip-flop circuit FF, and operate so that the voltage comparison circuit VC1 has a hysteresis characteristic. That is, when the flip-flop circuit FF is set as described above, the MOSFETs Q14 and Q15 are turned on to forcibly turn off the transistor T1 and lower the input potential of the voltage comparison circuit VC1, and thus the reset signal. The set state is maintained until the flip-flop circuit FF is reset by RES.
論理回路LGCは、上記高電位側MOSFETQ10と低電位側MOSFETQ12とが同時にオン状態にならないようなデッドタイムを設定する回路と、上記高電位側MOSFETQ10、Q11に伝えられる制御電圧を上記昇圧電圧に対応した信号レベルに変換するレベルシフト回路が設けられている。 The logic circuit LGC corresponds to a circuit that sets a dead time so that the high-potential side MOSFET Q10 and the low-potential side MOSFET Q12 are not turned on at the same time, and a control voltage transmitted to the high-potential side MOSFETs Q10 and Q11. There is provided a level shift circuit for converting to the signal level.
この実施例では、本発明に係るスイッチング電源装置を並列接続した場合、エラーアンプEAの出力同士を接続することにより高精度のカレントシェアにも利用することができる。カレントシェアはエラーアンプEAの出力をダイオード(トランジスタT2のべース,エミッタ)を介して外部端子ISHに接続される。例えば、2つのスイッチング電源装置の外部端子ISH同士を相互に接続する。このように外部端子ISH同士を相互に接続することにより2つのスイッチング電源装置でのエラーアンプEAの出力電圧は共通化されて同様な出力電圧Vout を形成するように動作するので、シェアリングが可能となり出力電流供給能力を倍増させることができる。つまり、後述するようにスイッチング電源装置を複数並列動作させるとき、個々のスイッチング電源装置に流れる電流ILが等しくなるように分配され、特定のスイッチング電源装置が大きな電流を負担してしまうことによる熱暴走を防止する上で重要な条件とされる。 In this embodiment, when the switching power supply devices according to the present invention are connected in parallel, the outputs of the error amplifier EA can be connected to each other for high-accuracy current sharing. In the current share, the output of the error amplifier EA is connected to the external terminal ISH through a diode (base and emitter of the transistor T2). For example, the external terminals ISH of two switching power supply devices are connected to each other. By connecting the external terminals ISH to each other in this way, the output voltage of the error amplifier EA in the two switching power supply devices is made common to operate so as to form a similar output voltage Vout, so that sharing is possible. The output current supply capability can be doubled. That is, as will be described later, when a plurality of switching power supply devices are operated in parallel, the current IL flowing through each switching power supply device is distributed to be equal, and the thermal runaway due to the specific switching power supply device bearing a large current It is considered as an important condition for preventing the above.
ノイズ電流によりリップル電流が定常時のリップル電流から外れて発振動作をしてしまう。しかしながら、スロープ補償回路を設けることにより、ノイズ電流が入力されてもスロープ波形の追加によって、定常時のリップル電流波形に収束する。このようなスロープ補償に関しては、前記非特許文献1において詳細に説明されている。
Due to the noise current, the ripple current deviates from the steady ripple current and oscillates. However, by providing the slope compensation circuit, even if a noise current is input, the slope waveform is added to converge to a steady ripple current waveform. Such slope compensation is described in detail in
この実施例では、特に制限されないが、以下のような監視回路が設けられる。監視回路は、その信号経路は省略されているが、入力電圧VINが所定電圧以下に低下したことを監視する回路VLCOC,上記帰還信号CSを用いて出力電流が所定電流以上のオーバーカレントを監視する回路OCLCから構成される。これらの検出信号UVLO,OCLは、論理回路LGCに入力されてPWM信号に無関係に出力MOSFETQ10,Q11をオフ状態にさせる。また、これらの信号UVLO,OCLとスイッチング電源装置の動作制御信号ON/OFFとをオアゲート回路G2に供給して、MOSFETQ15をオン状態にして端子TRKをロウレベルにする。これにより、エラーアンプEAの出力が停止させられる。 In this embodiment, although not particularly limited, the following monitoring circuit is provided. Although the signal path of the monitoring circuit is omitted, a circuit VLCOC that monitors that the input voltage VIN has dropped below a predetermined voltage and an overcurrent whose output current exceeds a predetermined current are monitored using the feedback signal CS. It consists of a circuit OCLC. These detection signals UVLO and OCL are input to the logic circuit LGC to turn off the output MOSFETs Q10 and Q11 regardless of the PWM signal. Further, these signals UVLO, OCL and the operation control signal ON / OFF of the switching power supply are supplied to the OR gate circuit G2, the MOSFET Q15 is turned on, and the terminal TRK is set to the low level. Thereby, the output of the error amplifier EA is stopped.
図27には、この発明に係るスイッチング電源装置に用いられる半導体集積回路装置の一実施例の構成図が示されている。同図には、実際の半導体集積回路装置に対応して、ピン配置及び内部構成が例示的に示されている。この実施例では、3つの半導体チップが1つのパッケージに搭載されるマルチチップモジュール集積回路とされる。半導体チップは、前記図26に示した高電位側スイッチMOSFETQ10,Q11(GH)と低電位側スイッチMOSFETQ12(GL)及び制御回路DRVCから構成される。そして、図26に点線で示したように制御回路DRVCのように、前記ドライバDV1、DV2、論理回路LGC、差動増幅回路AMP、MOSFETQ13及び電源回路REG等からなる半導体チップで構成される。したがって、前記図26のようなスイッチング電源装置を構成する場合、制御回路のうちPWM信号を形成する制御部分の回路が、外部に設けられた別チップの半導体集積回路装置に構成され、合計4つの半導体チップが1つのモジュールとして構成される。 FIG. 27 is a block diagram showing an embodiment of a semiconductor integrated circuit device used in the switching power supply device according to the present invention. In the same figure, pin arrangement and internal configuration are exemplarily shown corresponding to an actual semiconductor integrated circuit device. In this embodiment, a multichip module integrated circuit is provided in which three semiconductor chips are mounted in one package. The semiconductor chip is composed of the high potential side switch MOSFETs Q10 and Q11 (GH), the low potential side switch MOSFET Q12 (GL) and the control circuit DRVC shown in FIG. As shown by the dotted line in FIG. 26, the control circuit DRVC is configured by a semiconductor chip including the drivers DV1 and DV2, the logic circuit LGC, the differential amplifier circuit AMP, the MOSFET Q13, the power supply circuit REG, and the like. Therefore, in the case of configuring the switching power supply device as shown in FIG. 26, the control part circuit that forms the PWM signal in the control circuit is configured in a semiconductor integrated circuit device of another chip provided outside, for a total of four A semiconductor chip is configured as one module.
この実施例の半導体集積回路装置は、チップの周辺部に1ないし56の外部端子が設けられ、それぞれに同図に示したような信号ないし電圧が供給され、又は外部部品が接続される。半導体集積回路装置の裏面側には入力端子VIN、出力端子SW及びCGNDのようなタブパッド(TAB PAD)が設けられる。なお、前記図26制御回路の全部を上記制御回路DRVCに内蔵させて、1つのパッケージに搭載してもよい。 In the semiconductor integrated circuit device of this embodiment, 1 to 56 external terminals are provided in the peripheral portion of the chip, and signals or voltages as shown in the figure are supplied to each, or external components are connected. A tab pad (TAB PAD) such as an input terminal VIN, an output terminal SW, and CGND is provided on the back side of the semiconductor integrated circuit device. The entire control circuit shown in FIG. 26 may be incorporated in the control circuit DRVC and mounted in one package.
一般的には、上記のようなセンスMOS方式を採用する場合、センスMOSFETQ11とメインMOSFETQ10はペア比が重要となるため同構造の素子でなければならないので、コントロールICにパワーMOSFETが内蔵されている1チップ構成のデバイスにしなければならなく、コントローラとパワーMOSFETとを別チップのディスクリート構成では上記センス電流が得られない。また、1チップ構成でコントロールICにパワーMOSFETを内蔵されるときには、パワーMOSFETはディスクリートのパワーMOSFETに比べ大幅に特性が悪化するので大電流用途では使用できず電流容量の制限が出てしまう。 In general, when the sense MOS system as described above is adopted, the sense MOSFET Q11 and the main MOSFET Q10 have the same structure because the pair ratio is important. Therefore, the power MOSFET is built in the control IC. The device must be a one-chip device, and the sense current cannot be obtained if the controller and the power MOSFET are separated from each other. Further, when the power MOSFET is built in the control IC with a one-chip configuration, the power MOSFET is greatly deteriorated in characteristics as compared with the discrete power MOSFET, so that it cannot be used in a large current application and the current capacity is limited.
この実施例のような縦型構造のMOSFETを用いて、前記図25のように1つの半導体チップCP1に高電位側のメインMOSFETQ10と同構造の1/N倍のセンスMOSFETQ11を設けた場合、製造工程によって生じる両MOSFETQ10とQ11のしきい値電圧Vthやオン抵抗のペア比ばらつきが最小限に抑えることができる。また、温度上昇に伴うオン抵抗の変化についてもメインMOSFETQ10、センスMOSFETQ11とで同様に増減するためセンス電流に温度依存が少ない。よって、これらMOSFETQ10とQ11に前記図2のような高精度の差動増幅回路を組み合わせることにより、ピーク電流制御に用いることのできる高精度のセンス電流検出が可能になる。上記縦型パワーMOSFETQ10〜Q12は、前記図9の素子構造断面図に示したものが用いられる。 When a vertical MOSFET as in this embodiment is used and a sense MOSFET Q11 of 1 / N times the same structure as the main MOSFET Q10 on the high potential side is provided on one semiconductor chip CP1 as shown in FIG. Variations in the threshold voltage Vth and on-resistance pair ratio of the MOSFETs Q10 and Q11 caused by the process can be minimized. Further, the change in the on-resistance due to the temperature rise also increases / decreases in the same way in the main MOSFET Q10 and the sense MOSFET Q11, so that the sense current has less temperature dependence. Therefore, by combining these MOSFETs Q10 and Q11 with a high-precision differential amplifier circuit as shown in FIG. 2, high-precision sense current detection that can be used for peak current control becomes possible. As the vertical power MOSFETs Q10 to Q12, those shown in the element structure sectional view of FIG. 9 are used.
図28には、この発明に係る電源装置の一実施例のブロック図が示されている。この実施例では、前記図26に示したようなスイッチング電源装置SWREG1〜SWREGnの端子SYNC及びISHが互いに接続される。スイッチング電源装置SWREG1の端子CTには、キャパシタCが接続される。これにより、図18に示したような発振回路OSC、電圧判定回路VDの動作によって、スイッチング電源装置SWREG1においては同期端子SYNCを出力モードにして、スイッチング電源装置SWREG1の発振回路OSCで形成されたパルスを出力させる。 FIG. 28 is a block diagram showing an embodiment of a power supply device according to the present invention. In this embodiment, the terminals SYNC and ISH of the switching power supply devices SWREG1 to SWREGn as shown in FIG. 26 are connected to each other. A capacitor C is connected to a terminal CT of the switching power supply device SWREG1. Thereby, the operation of the oscillation circuit OSC and the voltage determination circuit VD as shown in FIG. 18 makes the synchronization terminal SYNC in the output mode in the switching power supply SWREG1, and the pulse formed by the oscillation circuit OSC of the switching power supply SWREG1. Is output.
スイッチング電源装置SWREG2〜SWREGnの端子CTは、回路の接地電位VSSが与えられる。これにより、図18に示したような発振回路OSC、電圧判定回路VDの動作によって、スイッチング電源装置SWREG2〜SWREGnの同期端子SYNCは入力モードにされて、上記スイッチング電源装置SWREG1の発振回路OSCで形成されたパルスが入力されて上記スイッチング電源装置SWREG1と同期動作を行う。そして、図26に示した端子ISHが互いに接続されているので、同じ電流を分配するように各スイッチング電源装置SWREG1〜SWREGnが動作する。これにより、並列運転のときに特定のスイッチング電源装置に負荷電流が集中してしまい出力MOSFETが破壊してしまうという問題を回避することができる。 The terminal CT of the switching power supply devices SWREG2 to SWREGn is supplied with the circuit ground potential VSS. As a result, the synchronization terminals SYNC of the switching power supply devices SWREG2 to SWREGn are set to the input mode by the operations of the oscillation circuit OSC and the voltage determination circuit VD as shown in FIG. 18, and are formed by the oscillation circuit OSC of the switching power supply device SWREG1. The received pulse is input to perform a synchronous operation with the switching power supply device SWREG1. Since the terminals ISH shown in FIG. 26 are connected to each other, the switching power supply devices SWREG1 to SWREGn operate so as to distribute the same current. Thereby, the problem that load current concentrates on a specific switching power supply device at the time of parallel operation and output MOSFET is destroyed can be avoided.
図28の電源装置では、スイッチング電源装置SWREG1〜SWREGnの同期端子SYNCを単純接続するだけで同期運転が可能になる。これにより、電流供給能力をn倍に増加させることができる。上記のような同期運転することにより、各スイッチング電源装置SWREG1〜SWREGnから発生するノイズの周波数が同一になるので、かかるノイズを減らすため対策を特定の周波数に向けて行うことができるといった利点が生じる。 In the power supply device of FIG. 28, synchronous operation can be performed by simply connecting the synchronization terminals SYNC of the switching power supply devices SWREG1 to SWREGn. Thereby, the current supply capability can be increased n times. By performing the synchronous operation as described above, the frequency of noise generated from each of the switching power supply devices SWREG1 to SWREGn becomes the same, so that there is an advantage that measures can be taken toward a specific frequency in order to reduce such noise. .
図29には、この発明に係る電源装置の他の一実施例のブロック図が示されている。この実施例では、前記図26に示したようなスイッチング電源装置SWREG1〜SWREG2の端子SYNC及びISHが互いに接続される。スイッチング電源装置SWREG1の端子CTには、前記同様にキャパシタCが接続される。これにより、図18に示したような発振回路OSC、電圧判定回路VDの動作によって、スイッチング電源装置SWREG1においては同期端子SYNCを出力モードにして、スイッチング電源装置SWREG1の発振回路OSCで形成されたパルスを出力させる。 FIG. 29 is a block diagram showing another embodiment of the power supply device according to the present invention. In this embodiment, the terminals SYNC and ISH of the switching power supply devices SWREG1 to SWREG2 as shown in FIG. 26 are connected to each other. Similarly to the above, the capacitor C is connected to the terminal CT of the switching power supply device SWREG1. Thereby, the operation of the oscillation circuit OSC and the voltage determination circuit VD as shown in FIG. 18 makes the synchronization terminal SYNC in the output mode in the switching power supply SWREG1, and the pulse formed by the oscillation circuit OSC of the switching power supply SWREG1. Is output.
スイッチング電源装置SWREG2の端子CTは、電源電圧REG5が与えられる。これにより、図18に示したような発振回路OSC、電圧判定回路VDの動作によって、スイッチング電源装置SWREG2の同期端子SYNCは入力モードにされて、上記スイッチング電源装置SWREG1の発振回路OSCで形成されたパルスが入力され、それを反転させてパルス発生回路PGに供給して上記スイッチング電源装置SWREG1に対して位相が180°異なる同期動作を行う。上記2つのスイッチング電源装置SWREG1とSWREG2において、クロックが互いに180°位相反転しているため2フェーズ(phase) 動作を行うことになる。 The terminal CT of the switching power supply device SWREG2 is supplied with the power supply voltage REG5. As a result, the synchronization terminal SYNC of the switching power supply device SWREG2 is set to the input mode by the operation of the oscillation circuit OSC and the voltage determination circuit VD as shown in FIG. 18, and is formed by the oscillation circuit OSC of the switching power supply device SWREG1. A pulse is input, inverted and supplied to the pulse generation circuit PG to perform a synchronous operation with a phase difference of 180 ° with respect to the switching power supply device SWREG1. In the two switching power supply devices SWREG1 and SWREG2, the clocks are 180 ° out of phase with each other, so a two-phase operation is performed.
このような2フェーズ動作により、図30に示した波形図のようにスイッチング電源装置SWREG1とSWREG1に設けられたインダクタL1,L2に流れる負荷電流IL1,IL2のリップル電流が小さくなり、これに対応して出力電圧Vout のリップル電圧及び出力平滑キャパシタCOのリップル電流も小さくすることが可能となる。また、電源装置の見かけ上の動作周波数が2倍となり電源の応答性(負荷電流に対するレスポンス)が向上するといった利点も生じる。電源装置のみかけ上の動作周波数により応答性をそのままにしたときには、各スイッチング電源装置SWREG1とSWREG2の動作周波数を半分に低下させることができる。この結果、個々のスイッチング電源装置SWREG1とSWREG2におけるスイッチング損失を1/2に低減させることができるために電源装置としての効率向上を図ることができる。さらに、図26に示した端子ISHが互いに接続されているので、同じ電流を分配するように各スイッチング電源装置SWREG1とSWREG2が動作する。また、前記図28の実施例と組み合わせて複数個ずつを2フェーズ動作させるものとしてもよい。 Such a two-phase operation reduces the ripple currents of the load currents IL1 and IL2 flowing through the inductors L1 and L2 provided in the switching power supply devices SWREG1 and SWREG1 as shown in the waveform diagram of FIG. Thus, the ripple voltage of the output voltage Vout and the ripple current of the output smoothing capacitor CO can be reduced. In addition, the apparent operating frequency of the power supply device is doubled, and the power supply response (response to load current) is improved. When the responsiveness is left unchanged with the apparent operating frequency of the power supply device, the operating frequency of each of the switching power supply devices SWREG1 and SWREG2 can be reduced by half. As a result, since the switching loss in each of the switching power supply devices SWREG1 and SWREG2 can be reduced to ½, the efficiency of the power supply device can be improved. Further, since the terminals ISH shown in FIG. 26 are connected to each other, the switching power supply devices SWREG1 and SWREG2 operate so as to distribute the same current. Further, a plurality of units may be operated in two phases in combination with the embodiment of FIG.
上記のような並列運転される電源装置では、比較的小さな電流供給能力しか持たないスイッチング電源装置を汎用スイッチング電源装置として設計しておけば、それが搭載ささるシステムの負荷電流に対応して上記汎用スイッチング電源装置の並列運転数を決めるだけで対応することができる。これにより、スイッチ電源の標準化が可能となり、実質的な電源装置の量産化が可能になるという効果も得られる。 In a power supply apparatus operated in parallel as described above, if a switching power supply apparatus having a relatively small current supply capability is designed as a general-purpose switching power supply apparatus, the above-described power supply apparatus can be used in accordance with the load current of the system in which it is mounted. This can be handled simply by determining the number of parallel operations of the general-purpose switching power supply. As a result, it is possible to standardize the switch power supply, and it is possible to obtain an effect of enabling mass production of the power supply device.
以上本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、パワーMOSFETは、横型MOSFETにより構成してもよい。このような横型MOSFETを用いることにより、制御回路の一部を1つの半導体チップに搭載するようにしてもよい。高電位側スイッチMOSFETGHはPチャネルMOSFETでもよい。その場合にはメインMOSFETQM、センスMOSFETQSはそれぞれPチャネルMOSFETとされ、縦型MOSFETとして構成され、ゲート及びソースが同一半導体基板上で共通にされる。 Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, the power MOSFET may be composed of a lateral MOSFET. By using such a lateral MOSFET, a part of the control circuit may be mounted on one semiconductor chip. The high potential side switch MOSFETGH may be a P-channel MOSFET. In that case, the main MOSFET QM and the sense MOSFET QS are respectively P-channel MOSFETs, which are configured as vertical MOSFETs, and have a common gate and source on the same semiconductor substrate.
更に差動増幅回路AMPの入力それぞれにメインMOSFETQM及び、センスMOSFETQSのドレイン端子が接続され、差動増幅回路AMPの出力電圧Voを受けるMOSFETは、高電位側スイッチMOSFETGHがPチャネルMOSFETであったとしてもPチャネル型とされる。これはNチャネル型であった場合には、高電位側スイッチMOSFETGHが入力電圧Vinに接続されている関係で、出力電圧Voを高電圧で駆動する必要があり、差動増幅回路AMPの構成を複雑にするか、差動増幅回路AMP及びMOSFETQ3を高電位側スイッチMOSFETGHが構成される半導体基板上に形成して耐圧を上げる必要があるためである。 Further, the main MOSFET QM and the drain terminal of the sense MOSFET QS are connected to the respective inputs of the differential amplifier circuit AMP, and the MOSFET receiving the output voltage Vo of the differential amplifier circuit AMP is assumed that the high-potential side switch MOSFET GH is a P-channel MOSFET. Is also a P-channel type. When this is an N-channel type, the high potential side switch MOSFETGH is connected to the input voltage Vin, and the output voltage Vo needs to be driven at a high voltage. This is because the differential amplifier circuit AMP and the MOSFET Q3 need to be formed on the semiconductor substrate on which the high-potential side switch MOSFETGH is formed to increase the breakdown voltage.
図18において、発振回路を構成する端子CTを用いて同期端子SYNCを出力モードにすること、入力モードにすること、入力モードのときのパルスの位相を同相モード、反転モードにするという3通りの動作切り換えにするものの他、外部端子に余裕があれば、制御端子を設けることによって同等の機能を簡単に実現することができる。 In FIG. 18, there are three ways of setting the synchronization terminal SYNC to the output mode using the terminal CT constituting the oscillation circuit, the input mode, and the pulse phase in the input mode to the in-phase mode and the inversion mode. If there is a margin in the external terminal in addition to the operation switching, an equivalent function can be easily realized by providing a control terminal.
発振回路PSCの出力部に、例えば1/4分周回路を設けて位相が90°ずつ異なる4つのパルスを形成するようにし、それを4つの同期端子から出力させ、あるいは入力させるような機能を付加してもよい。この場合、1つのスイッチング電源をマスター動作させ、3つのスイッチング電源をスレーブ動作として3つの同期端子からマスター側に対して90°ずつ位相が異なるパルスを入力して、4つのスイッチング電源において位相が90°ずつ異なるパルスで並列運転させるようにすることもできる。このようにすれば、みかけ上の動作周波数を4倍にでき、あるいはスイッチング損失を1/4に低減させることができる。 For example, a ¼ frequency divider is provided at the output part of the oscillation circuit PSC to form four pulses whose phases are different from each other by 90 °, and output or input the four pulses from the four synchronization terminals. It may be added. In this case, one switching power supply is operated as a master, three switching power supplies are operated as a slave operation, and pulses having phases different from each other by 90 ° from the three synchronization terminals are input to the master side. It is also possible to operate in parallel with different pulses at different degrees. In this way, the apparent operating frequency can be quadrupled, or the switching loss can be reduced to ¼.
スイッチング電源のパワーMOSFETは、横型MOSFETにより構成してもよい。このような横型MOSFETを用いることにより、制御回路の一部を1つの半導体チップに搭載するようにしてもよい。又パワーMOSFETは高電位側スイッチMOSFETQ10,Q11はPチャネルMOSFETでもよく、例えば縦型MOSFETとして構成され、ゲート及びソースが同一半導体基板上で共通にされる。 The power MOSFET of the switching power supply may be a lateral MOSFET. By using such a lateral MOSFET, a part of the control circuit may be mounted on one semiconductor chip. Further, the high-potential side switch MOSFETs Q10 and Q11 may be P-channel MOSFETs, which are configured as vertical MOSFETs, for example, and have a common gate and source on the same semiconductor substrate.
この発明は、電流センス方式の降圧型スイッチング電源装置、それに用いられる半導体集積回路装置及びそれが並列運転される電源装置に広く利用できる。 The present invention can be widely used in a current sensing step-down switching power supply device, a semiconductor integrated circuit device used therefor, and a power supply device in which it is operated in parallel.
OSC…発振回路、CP…ヒステリシスコンパレータ、VD…電圧判定回路、PG…パルス発生回路、S1〜S4…スイッチ、IN1〜IN4…インバータ回路、Q1〜Q15…MOSFET、Ib1〜Ib4…バイアス電流源、GH…高電位側スイッチMOSFET、GL…低電位側スイッチMOSFET、DV1,DV2…ドライバ、L…インダクタ、C,CO…キャパシタ、CB…ブートストラップ容量、AMP…差動増幅回路、REG…電源回路、OSC…発振回路、DV…電圧判定回路、PG…パルス発生回路、SC…スロープ補償回路、FF…フリップフロップ回路、VC1,2…電圧比較回路、BK…ブランキング回路、G1,G2…ゲート回路、EA…エラーアンプ、LGC…論理回路。SWREG1〜SWREGn…スイッチング電源装置。 OSC: oscillation circuit, CP: hysteresis comparator, VD: voltage determination circuit, PG: pulse generation circuit, S1 to S4 ... switch, IN1 to IN4 ... inverter circuit, Q1 to Q15 ... MOSFET, Ib1 to Ib4 ... bias current source, GH ... High-potential side switch MOSFET, GL ... Low-potential side switch MOSFET, DV1, DV2 ... Driver, L ... Inductor, C, CO ... Capacitor, CB ... Bootstrap capacitance, AMP ... Differential amplifier circuit, REG ... Power supply circuit, OSC ... oscillation circuit, DV ... voltage determination circuit, PG ... pulse generation circuit, SC ... slope compensation circuit, FF ... flip-flop circuit, VC1,2 ... voltage comparison circuit, BK ... blanking circuit, G1, G2 ... gate circuit, EA ... error amplifier, LGC ... logic circuit. SWREG1 to SWREGn: Switching power supply device.
Claims (7)
上記発振回路の出力信号に対応した周期的信号をパルス発生回路に伝える第1信号伝達経路と、
上記発振回路の出力信号に対応した周期的信号を第1外部端子に伝える第2信号伝達経路と、
上記第1外部端子から入力された周期的信号を上記パルス発生回路に伝える第3信号伝達経路と、
上記パルス発生回路で形成されたタイミング信号でPWM周期が設定されるスイッチング電源回路とを有し、
動作制御信号により上記第1信号伝達経路と第2信号伝達経路とを通して上記発振回路の出力信号に対応した周期的信号を伝える第1モードと、上記第3信号伝達経路を通して上記第1外部端子から入力された周期的信号を伝える第2モードとを備え、
上記第3信号伝達経路は、上記動作制御信号に対応して上記第2モードのときに上記第1外部端子から入力された周期的信号を同相で伝達する動作と、反転させて伝達する動作とを有し、
上記発振回路は、第2外部端子に接続された第1キャパシタの電位を受け、第1しきい値電圧とそれより高い第2しきい値電圧からなるヒステリシス特性を持つ電圧比較回路の出力信号により上記第1キャパシタの電位が上記第1しきい値電圧と第2しきい値電圧との間で変化するよう充放電動作の切り換えを行うものであり、
電圧判定回路を更に有し、
上記電圧判定回路は、
上記第1キャパシタの電位が上記第1しきい値電圧と第2しきい値電圧の範囲内であるときには上記第1モードを設定する上記動作制御信号を形成し、
上記第1キャパシタの電位が上記第1しきい値電圧より低いときには上記第2モードで上記第1外部端子から入力された周期的信号を同相で伝達する上記動作制御信号を形成し、
上記第1キャパシタの電位が上記第2しきい値電圧より高いときには上記第2モードで上記第1外部端子から入力された周期的信号を反転させて伝達する上記動作制御信号を形成する電源装置。 An oscillation circuit;
A first signal transmission path for transmitting a periodic signal corresponding to the output signal of the oscillation circuit to the pulse generation circuit;
A second signal transmission path for transmitting a periodic signal corresponding to the output signal of the oscillation circuit to the first external terminal;
A third signal transmission path for transmitting a periodic signal input from the first external terminal to the pulse generation circuit;
A switching power supply circuit in which a PWM cycle is set by a timing signal formed by the pulse generation circuit,
A first mode for transmitting a periodic signal corresponding to the output signal of the oscillation circuit through the first signal transmission path and the second signal transmission path by an operation control signal; and from the first external terminal through the third signal transmission path A second mode for transmitting the input periodic signal ,
The third signal transmission path includes an operation for transmitting the periodic signal input from the first external terminal in the same phase in the second mode corresponding to the operation control signal, and an operation for transmitting the signal after being inverted. I have a,
The oscillation circuit receives a potential of a first capacitor connected to a second external terminal, and receives an output signal of a voltage comparison circuit having a hysteresis characteristic including a first threshold voltage and a second threshold voltage higher than the first threshold voltage. The charge / discharge operation is switched so that the potential of the first capacitor changes between the first threshold voltage and the second threshold voltage,
A voltage determination circuit;
The voltage determination circuit is
Forming the operation control signal for setting the first mode when the potential of the first capacitor is within the range of the first threshold voltage and the second threshold voltage;
When the potential of the first capacitor is lower than the first threshold voltage, the operation control signal for transmitting the periodic signal input from the first external terminal in the second mode in the same phase is formed in the second mode,
A power supply apparatus for forming the operation control signal for inverting and transmitting a periodic signal input from the first external terminal in the second mode when the potential of the first capacitor is higher than the second threshold voltage.
上記発振回路、第1、第2及び第3信号伝達経路及びスイッチング電源回路とを備える第1電源装置及び第2電源装置を有し、
上記第1電源装置は第1モードで動作し、
上記第2電源装置は第2モードで動作し、
上記第1電源装置の上記第1外部端子と上記第2電源装置の第1外部端子同士が接続された電源装置。 In claim 1 ,
A first power supply device and a second power supply device comprising the oscillation circuit, the first, second and third signal transmission paths and the switching power supply circuit;
The first power supply device operates in a first mode,
The second power supply device operates in a second mode;
A power supply device in which the first external terminal of the first power supply device and the first external terminals of the second power supply device are connected to each other.
上記第1電源装置及び第2電源装置のスイッチング電源回路は、
インダクタと、
上記インダクタの出力側と接地電位との間に設けられた第2キャパシタと、
入力電圧から上記インダクタの入力側に電流を供給する第1パワーMOSFETと、
上記第1パワーMOSFETがオフ状態のときにオン状態となって上記インダクタの入力側を所定電位にする第2パワーMOSFETと、
上記インダクタの出力側から得られる出力電圧に対応した第1帰還信号と、上記第1パワーMOSFETに流れる電流に対応した第2帰還信号とを用いて上記PWM信号を形成して、上記出力電圧が所望の電圧となるように上記第1及び第2パワーMOSFETのゲートに供給する制御信号を形成する制御回路とを含み、
上記第1パワーMOSFETは、縦型MOS構造のセルの複数個から構成され、
上記縦型MOS構造のセルで構成されて、上記第1パワーMOSFETに対してセル数が1/Nにされ、上記第1パワーMOSFETとゲート及びドレイン又はソースが同一半導体基板上で共通にされた検出MOSFETを設けて、上記検出MOSFETに流れる電流に基づいて上記第2帰還信号を形成する電源装置。 In claim 2 ,
The switching power supply circuits of the first power supply device and the second power supply device are:
An inductor;
A second capacitor provided between the output side of the inductor and a ground potential;
A first power MOSFET for supplying current from an input voltage to the input side of the inductor;
A second power MOSFET that is turned on when the first power MOSFET is turned off to bring the input side of the inductor to a predetermined potential;
Using the first feedback signal corresponding to the output voltage obtained from the output side of the inductor and the second feedback signal corresponding to the current flowing in the first power MOSFET, the PWM signal is formed, and the output voltage is A control circuit for forming a control signal to be supplied to the gates of the first and second power MOSFETs so as to obtain a desired voltage,
The first power MOSFET is composed of a plurality of cells having a vertical MOS structure,
Consists of cells of the vertical MOS structure, the number of cells is 1 / N relative to the first power MOSFET, and the first power MOSFET and the gate and drain or source are made common on the same semiconductor substrate. A power supply device provided with a detection MOSFET and forming the second feedback signal based on a current flowing through the detection MOSFET.
上記制御回路は、
上記第1帰還信号と基準電圧とを受けるエラーアンプと、
上記エラーアンプの出力端子に対応した第3外部端子とを有し、
上記エラーアンプの出力信号と上記第2帰還信号とを比較して上記PWM信号を生成するものであり、
上記第3外部端子同士を接続して第2電源装置のエラーアンプの第3外部端子が上記第1電源装置のエラーアンプの出力信号になる電源装置。 In claim 3 ,
The control circuit is
An error amplifier receiving the first feedback signal and the reference voltage;
A third external terminal corresponding to the output terminal of the error amplifier,
The PWM signal is generated by comparing the output signal of the error amplifier and the second feedback signal,
A power supply apparatus in which the third external terminals are connected to each other and the third external terminal of the error amplifier of the second power supply apparatus becomes an output signal of the error amplifier of the first power supply apparatus.
上記第1パワーMOSFETと上記検出MOSFETとはゲートとドレインが同一半導体基板上で共通とされ、
差動増幅回路と、
上記検出MOSFETのソースにソースが接続され、上記検出MOSFETと反対導電型の第1MOSFETとを更に備え、
上記第1パワーMOSFETのソースと上記検出MOSFETのソースは、上記差動増幅回路にそれぞれ入力され、
上記差動増幅回路の出力信号は、上記第1MOSFETのゲートに供給され、
上記第1MOSFETのソース側及びドレイン側には上記検出MOSFETを流れる検出電流が流れ、バイアス電流を供給する第1及び第2バイアス電流源がそれぞれ設けられ、
上記第1MOSFETのドレインにはセンス電流を電圧信号に変換して上記第2帰還信号を形成する抵抗手段が設けられる電源装置。 In claim 4 ,
The first power MOSFET and the detection MOSFET have a common gate and drain on the same semiconductor substrate,
A differential amplifier circuit;
A source connected to the source of the detection MOSFET, further comprising a first MOSFET of the opposite conductivity type to the detection MOSFET;
The source of the first power MOSFET and the source of the detection MOSFET are respectively input to the differential amplifier circuit,
The output signal of the differential amplifier circuit is supplied to the gate of the first MOSFET,
A detection current flowing through the detection MOSFET flows on the source side and the drain side of the first MOSFET, and first and second bias current sources for supplying a bias current are provided, respectively.
A power supply apparatus in which a resistance means for converting a sense current into a voltage signal to form the second feedback signal is provided at a drain of the first MOSFET.
上記差動増幅回路は、
第1入力及び第2入力にゲートがそれぞれ接続された第1導電型の第1、第2差動MOSFETと、
上記第1、第2差動MOSFETのドレインに設けられ、電流ミラー負荷回路を構成する第2導電型の入力側MOSFET及び出力側MOSFETと、
上記入力側及び出力側MOSFETのソースと第1動作電圧端子との間に設けられた第1導電型の第2MOSFETと、
上記出力端子に接続される上記出力側MOSFETのドレインにゲートが接続された第2導電型の第3MOSFETと、
上記第3MOSFETのソースにソースが接続され、ダイオード形態にされた第1導電型の第4MOSFETと、
上記第1、第2差動MOSFETの共通ソースと第2動作電圧端子との間に設けられた第1電流源と、
上記第3MOSFET及び第4MOSFETにバイアス電流を流す第2電流源とを有し、
上記第2MOSFETと第4MOSFETとが電流ミラー形態にされる電源装置。 In claim 5 ,
The differential amplifier circuit is
A first conductivity type first and second differential MOSFET each having a gate connected to the first input and the second input;
A second-conductivity-type input-side MOSFET and an output-side MOSFET that are provided at the drains of the first and second differential MOSFETs and constitute a current mirror load circuit;
A second MOSFET of a first conductivity type provided between the source of the input side and output side MOSFETs and a first operating voltage terminal;
A third MOSFET of the second conductivity type having a gate connected to the drain of the output-side MOSFET connected to the output terminal;
A fourth MOSFET of the first conductivity type having a source connected to the source of the third MOSFET and in the form of a diode;
A first current source provided between a common source of the first and second differential MOSFETs and a second operating voltage terminal;
A second current source for supplying a bias current to the third MOSFET and the fourth MOSFET,
A power supply device in which the second MOSFET and the fourth MOSFET are in the form of a current mirror.
上記第1入力は上記第1パワーMOSFETのソースからの出力を受け、
上記第2入力は上記検出MOSFETのソースからの出力を受け、
上記第2帰還信号は、所定電圧と比較されて過大電流検出信号を形成するためにも用いられて、
上記過大電流検出信号は、上記第1パワーMOSFETおよび上記第2パワーMOSFETをオフ状態にさせる電源装置。 In claim 6 ,
The first input receives an output from the source of the first power MOSFET,
The second input receives an output from the source of the detection MOSFET,
The second feedback signal is also used to form an overcurrent detection signal compared with a predetermined voltage,
The overcurrent detection signal is a power supply device that turns off the first power MOSFET and the second power MOSFET.
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