図1は,本実施の形態に関連する電源回路を説明する図である。図1の電源回路1は,トランジスタQ0のスイッチング動作により電源電圧Vddの出力制御を行うスイッチングレギュレータ10と,接続点N1におけるスイッチングレギュレータ10の出力電圧を平滑化する平滑化回路21と,平滑化回路21により平滑化された出力電圧Voutを分圧しスイッチングレギュレータ10の比較器11にフィードバック電圧Vfbとしてフィードバック出力する分圧回路22とを有する。
スイッチングレギュレータ10は,基準電圧Vrefとフィードバック電圧Vfbとを比較し比較信号Cmpを出力する比較器(CMP)11と,比較器11が出力した比較信号Cmpに基づき駆動パルスTonを生成する駆動パルス生成回路(DPG)12と,駆動パルス生成回路12が出力した駆動パルスTonの電圧レベルを高めて高電圧の駆動パルスDpを出力するレベルシフト回路(LS)13と,レベルシフト回路13が出力した駆動パルスDpに基づき導通状態(オン状態),非導通状態(オフ状態)になるトランジスタQ0と,トランジスタQ0と基準電源例えばGNDとの間に設けられトランジスタQ0の導通状態に応じて導通状態が変化するダイオードD0(スイッチング素子)とを有する。
比較器11は,コンパレータとも言われ,非反転入力端子(+端子)に基準電圧Vrefが入力され,反転入力端子(−端子)にフィードバック電圧Vfbが入力される。比較器11は,基準電圧Vrefがフィードバック電圧Vfbよりも高い場合,ハイレベルの比較信号Cmpを生成する。また,比較器11は,基準電圧Vrefがフィードバック電圧Vfbよりも低い場合,ローレベルの比較信号Cmpを生成する。そして,比較器11は,比較信号Cmpを駆動パルス生成回路12に出力する。
駆動パルス生成回路12は,入力信号に基づいてパルスを生成する,いわゆるモノマルチ(単安定マルチバイブレータ)回路である。具体的には,駆動パルス生成回路12は,比較器11が出力する比較信号Cmpの立ち上がりエッジをトリガーとして,トランジスタQ0を第1の期間オン状態にするハイレベルの駆動パルスTonを生成する。なお,駆動パルス生成回路については,図8〜図10で詳細に説明する。
レベルシフト回路13は,駆動パルス生成回路12から入力された駆動パルスTonの電圧レベルを高めて,高電圧の駆動パルスDpをトランジスタQ0のゲートに出力する。このように電圧レベルを高めるのは,ハイサイド側のトランジスタQ0のゲートに対して,電源電圧Vddに対応するソースの電圧よりも高い電圧を印加して,トランジスタQ0をオン状態にする必要があるからである。なお,詳細については後述する。
トランジスタQ0は,PMOSトランジスタに比べてオン抵抗が小さいNMOSトランジスタである。以下,トランジスタQ0をNMOSトランジスタとして説明する。トランジスタQ0のドレインは電源電圧Vddの電源(高電位の電源)と接続し,ソースは接続点N1と接続する。
平滑化回路21は,少なくともインダクタL0とキャパシタC0を有する。平滑化回路21は,接続点N1におけるスイッチングレギュレータ10の出力電圧を平滑化して,平滑化回路21の出力に接続された分圧回路22と負荷23に出力する。なお,負荷23は,例えばCPUやLSIである。
分圧回路22は,出力電圧Voutを分圧する抵抗R0と抵抗R1とを有する。分圧回路22は,分圧後の電圧をフィードバック電圧Vfbとしてスイッチングレギュレータ10の比較器11の反転入力端子に出力する。
ダイオードD0は,トランジスタQ0と基準電源例えばGNDとの間に設けられたスイッチング素子であり,カソードが接続点N1に接続する。ダイオードD0は,還流ダイオードとも呼ばれる。ダイオードD0は,トランジスタQ0がオフ状態になったときに平滑化回路21のインダクタL0に蓄積した磁気エネルギーを電流として放出するために設けられている。そのため,このスイッチング素子(ダイオードD0)は,トランジスタQ0の導通状態に応じて導通状態が変化する。具体的には,トランジスタQ0の導通時に非導通状態になりトランジスタQ0の非導通時に導通状態になる。
電源電圧Vppにアノードが接続するダイオードD1と接続点N2に接続するキャパシタC1は,いわゆるブートストラップ回路を構成し,レベルシフト回路13に「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」を印加するために設けられている。なお,詳細については後述する。
電源電圧VppはダイオードD1に印加され,電源電圧VddはトランジスタQ0のドレインに印加される。バイアス電圧Vbiasは比較器11,駆動パルス生成回路12,レベルシフト回路13に印加される。基準電圧Vrefは比較器11の非反転入力端子に印加される。例えば,電源電圧Vppは5V,電源電圧Vddは12V,バイアス電圧Vbiasは5V,基準電圧Vrefは出力電圧Voutに応じて定められているものとする。
図2は,図1の電源回路1の動作を説明するタイミングチャートで,上から順に,比較器11が出力する比較信号Cmp,駆動パルス生成回路12が出力する駆動パルスTon,レベルシフト回路13が出力するレベルシフト後の駆動パルスTonすなわち駆動パルスDp,トランジスタQ0のオン状態,オフ状態,LM点の電圧Vlm,インダクタL0の電流Il0および出力電流Io,フィードバック電圧Vfbおよび基準電圧Vref,VH点の電圧Vhを示す。
以下に,図1の電源回路1の動作を図2のタイミングチャートを参照しながら説明する。
時間T0から時間T1の間において,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも低くなると,比較器11はハイレベルの比較信号Cmpを出力する。すると,駆動パルス生成回路12はハイレベルの駆動パルスTonを出力し,レベルシフト回路13は駆動パルスTonの電圧を高めたハイレベルの駆動パルスDpを出力する。
この時,後述するレベルシフト回路13の高耐圧トランジスタにより,駆動パルスDpの出力タイミングは,駆動パルスTonの入力タイミングから一定時間(時間T0から時間T1の間)遅延する。さらに,駆動パルスDpのハイレベルのパルス幅W2は駆動パルスTonのハイレベルのパルス幅W1よりも短くなる。すなわち,駆動パルスDpにおいて,駆動パルスTonのハイレベルがなまる。
駆動パルスDpの出力タイミングが遅延し,駆動パルスDpのパルス幅W2が短くなる理由について,図3〜図5を用いて説明する。図3は,レベルシフト回路13のブロック図,図4は,レベルシフト回路13の回路図,図5は,レベルシフト回路13のタイミングチャートである。
まず,レベルシフト回路13に印加される電圧について図3を用いて説明する。ローサイド側のVH(L)点の電圧はバイアス電圧Vbiasになり,VL(L)点の電圧は,図1のグランドGNDとなる。また,ハイサイド側のVH(H)点の電圧は電源電圧Vpp(最小:5V)〜「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」(最大:12V+5V)となり,VL(H)点の電圧はグランドGND付近〜電源電圧Vddとなる。なお,ハイサイド側のVH(H)点の電圧が「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」になる理由については後述する。
次に,レベルシフト回路13の動作を図4,図5を用いて説明する。図4のトランジスタQ1,Q3,Q4,Q7はNMOSトランジスタであり,トランジスタQ2,Q5,Q6,Q8はPMOSトランジスタである。図5のタイミングチャートは,上から順に,入力端子Inに入力される駆動パルスTon,A点の電圧Va,B点の電圧Vb,出力端子Outから出力される駆動パルスDpを示す。B点の電圧VbにおけるVthは,トランジスタQ7,Q8から構成されるインバータのスレッシュホールド電圧である。なお,電圧Vthは,例えば,VH(H)点に印加される最大電圧(電源電圧Vdd+電源電圧Vpp)とVL(H)点に印加される最小電圧(GND=0)の中間電圧付近の電圧であるとする。
入力端子Inにハイレベルの駆動パルスTonが入力されると,トランジスタQ2はオフ状態,トランジスタQ1はオン状態,トランジスタQ3はオフ状態,トランジスタQ4はオン状態になる。トランジスタQ4がオン状態になると,B点がローレベルになりトランジスタQ5がオン状態になる。また,トランジスタQ5がオン状態になると,A点がハイレベルになりトランジスタQ6がオフ状態になる。この時,図5に示すように,点Aの電圧Vaは0Vから上昇し電源電圧Vdd+電源電圧Vppになり,点Bの電圧Vbは電源電圧Vdd+電源電圧Vppから下降し0Vになる。電圧Vbが閾値電圧Vth以下になると,インバータとして機能するトランジスタQ8がオン状態,同トランジスタQ7がオフ状態になり,出力端子Outからハイレベルの駆動パルスDpが出力される。なお,トランジスタQ6のゲートには,最大「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」の電圧が印加される。
入力端子Inにローレベルの駆動パルスTonが入力されると,すなわち,駆動パルスTonが立ち下がると,トランジスタQ2はオン状態,トランジスタQ1はオフ状態,トランジスタQ3はオン状態,トランジスタQ4はオフ状態になる。トランジスタQ3がオン状態になると,A点がローレベルになりトランジスタQ6がオン状態になる。トランジスタQ6がオン状態になると,B点がハイレベルになりトランジスタQ5がオフ状態になる。この時,図5に示すように,点Aの電圧Vaは電源電圧Vdd+電源電圧Vppから下降し0Vになり,点Bの電圧Vbは0Vから上昇し電源電圧Vdd+電源電圧Vppになる。電圧Vbが閾値電圧Vth以上になると,インバータとして機能するトランジスタQ8がオフ状態,同トランジスタQ7がオン状態になり,出力端子Outからローレベルの駆動パルスDpが出力される。なお,トランジスタQ5,Q7,Q8のゲートには,最大「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」の電圧が印加される。
以上,説明したように,電圧Vbが閾値電圧Vth以下になり再び閾値電圧Vth以上になるまでの時間,幅W5を有するハイレベルの駆動パルスDpが出力端子Outから出力される。
前述したように,トランジスタQ5〜Q8のゲートには最大「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」の高電圧が印加される。それ故,トランジスタQ5〜Q8のゲート酸化膜を厚くしてゲートに対する高電圧印加によるトランジスタの破壊を防ぐ必要がある。しかし,ゲート酸化膜を厚くするとMOSトランジスタの伝達コンダクタンスが低下しスイッチングスピードも遅くなる。
トランジスタQ5〜Q8の伝達コンダクタンスが低下すると,一定時間の電圧Va,Vbの変化量,すなわち電圧変化の傾きは,伝達コンダクタンスが低下していない場合に比べて小さくなる。その結果,図5に示すように,駆動パルスTonの立ち上がりタイミングから遅れてレベルシフト後の駆動パルスDpが立ち上がる。さらに,この駆動パルスDpのハイレベルパルス幅W5は駆動パルス生成回路12が出力した駆動パルスTonのハイレベルパルス幅W4よりも短くなる。
また,図5の破線で示すように,駆動パルスTonのハイレベルパルス幅を短くすると,駆動パルスTonが立ち下がった時点で,電圧Vbが閾値電圧Vth以下にならず,レベルシフト後の駆動パルスDpそのものが出力されなくなる。
ところで,近年,LSIの微細化に伴い負荷となるLSIの電源電圧は低下している。その結果,スイッチングレギュレータが生成する出力電圧Voutの許容電圧精度は狭くなり,負荷電流の急変に対しても電源回路の高速な追随性(応答性)が要求されている。今後,応答性をさらに向上させようとすると,電源回路の発振周波数を上げる,すなわち,駆動パルス生成回路12が生成する駆動パルスTonのハイレベルパルス幅(オンパルス幅)を短くする必要があると共に,このハイレベルパルス幅を高精度に制御しなければならない。
また,平滑化回路21を小型化する要請があるが,平滑化回路21を小型化するためには,特にインダクタL0を小型化しなければならない。この場合も,駆動パルスDpのハイレベルパルス幅を短くする必要がある。
このようにハイレベルパルス幅を短くしなければならない状況下,駆動パルス生成回路12が生成した駆動パルスTonのハイレベルパルス幅がレベルシフト回路13によりなまって短くなると,トランジスタQ0の導通(時間)を高精度に制御することができなくなる。その結果,負荷に供給する電流を高精度に制御することができなくなる。最悪の場合には,駆動パルスDpのハイレベルパルス幅が0になりトランジスタQ0をオン状態にすることができず,オフ状態のままになる。その結果,負荷に電流を供給できなくなる。
以上説明したように,駆動パルス生成回路12が生成した駆動パルスTonのハイレベルパルス幅を短くしても,トランジスタQ0の導通時間を高精度に制御し,負荷に供給する電流を高精度に制御することが望まれる。
次に,図2の時間T1から時間T2の間における電源回路1の動作を説明する。ハイレベルの駆動パルスTonがレベルシフト回路13に入力されると,レベルシフト回路13は駆動パルスTonをレベルシフトして,ハイレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ0のゲートに出力する。すると,トランジスタQ0がオン状態になり,LM点(ノードN1)の電圧VlmはグランドGND以下(約−0.7V)から電源電圧Vddに変化する。なお,LM点の電圧VlmがグランドGND以下になるのは,ダイオードD0の順方向電圧降下のためである。
トランジスタQ0がオン状態になると電源VddからインダクタL0に電流が流れ込みインダクタL0の電流Il0が上昇する。なお,電流Io(負荷電流)は電流Il0の時間平均であり一定である。また,ダイオードD1とキャパシタC1とを有するブートストラップ回路によりVH点の電圧Vhが電源電圧Vppから「電源Vdd+電源電圧Vpp」に変化する。この変化について以下に説明する。
キャパシタC1には電源電圧Vppにより電荷が既に蓄積されている。この状態でトランジスタQ0がオン状態になると,接続点N1,接続点N2が電源電圧Vddに上昇し,キャパシタC1の接続点N2と反対側の電極は電源電圧Vdd+電源電圧Vppにブーストされることになる。その結果,VH点の電圧Vhが電源電圧Vdd+電源電圧Vppとなる。この電源電圧Vdd+電源電圧Vppを電源としてレベルシフト回路13は,トランジスタQ1を導通する駆動パルスDpを生成する。
前述したようにトランジスタQ0がオン状態になると,電流Il0が上昇し,電流Il0が電流Ioよりも大きくなる。この時,下降を続けていたフィードバック電圧Vfbが上昇に転じる。
次に,時間T2から時間T3の間における電源回路1の動作を説明する。
駆動パルスDpが立ち下がりローレベルになると,トランジスタQ0がオフ状態になる。その結果,接続点N1には電源電圧Vddが印加されなくなり,LM点の電圧Vlmは電源電圧VddからグランドGND以下に変化し,ダイオードD0がオン状態になる。これによりインダクタL0の電流IL0は,ダイオードD0を介して流れ続ける。ただし,トランジスタQ0がオフ状態になると電源電圧VddからインダクタL0に電流が流れ込まなくなりインダクタL0の電流IL0が下降する。この時,キャパシタC0に蓄積されていた電荷が負荷23に供給される。また,電源電圧VppによりキャパシタC1に電荷が供給され蓄積される。この時,VH点の電圧Vhは電源電圧Vppに変化する。
そして,上昇していたフィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも大きくなると,比較器11はローレベルの比較信号Cmpを出力する。
次に,時間T3から時間T4の間における電源回路1の動作を説明する。
比較器11がローレベルの比較信号Cmpを出力すると,駆動パルス生成回路12は前述したように比較信号Cmpがローレベルの間,ローレベルの駆動パルスTonを出力する。レベルシフト回路13はこの駆動パルスTonを昇圧した駆動パルスDpとして出力する。
前述したようにトランジスタQ0がオフ状態になると,電流IL0が下降し,電流Ioよりも小さくなる。この時,上昇を続けていたフィードバック電圧Vfbが下降に転じ,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも小さくなる。すると,比較器11はハイレベルの比較信号Cmpを出力する。
これらの一連の動作を繰り返すことにより,電源回路1は,出力電圧Voutを基準電圧Vref×(R0+R1)/R1に安定的に制御することができる。
ところで,図1〜図5で説明したように,レベルシフト回路13が,パルス生成回路12が出力するハイレベルの駆動パルスTonをレベルシフトすると,出力後の駆動パルスDpにおけるハイレベルパルス幅は短くなる。具体的に説明すると,パルス生成回路12が出力する駆動パルスTonのハイレベルパルス幅W1がトランジスタQ0をオン状態にする時間として規定され,駆動パルスTonのローレベルパルス幅W3がトランジスタQ0をオフ状態する時間として規定されている。しかし,レベルシフト回路13により,このトランジスタQ0をオン状態にする時間が短くなる。その結果,トランジスタQ0の導通時間を高精度に制御することができず,負荷に供給する電流を高精度に制御することができなくなる。また,最悪の場合,ハイレベルパルス幅が0になり,トランジスタQ0を導通させることができず,電源回路として機能しなくなる。
そこで,第1実施形態の電源回路では,図1で説明したスイッチングレギュレータ10を改良し,パルス生成回路12が出力する駆動パルスのハイレベルパルス幅を短くしても,ハイサイド側のトランジスタQ0の導通時間を高精度(正確)に制御して,負荷に供給する電流を高精度に制御できるようにした。
(第1実施形態)
図6は,第1実施形態の電源回路6を説明する図である。図6の電源回路6は,スイッチングレギュレータ60と平滑化回路21’の構成が図1の電源回路1のスイッチングレギュレータ10と平滑化回路21と異なる。その他の構成は図1で説明した電源回路1と同様なので,図6においては,図1と対応する各部に同一の符号を付して説明を省略する。
スイッチングレギュレータ60は,比較器(CMP)61と,比較信号Cmpの電圧レベルを高めて高電圧の比較信号Lsを出力するレベルシフト回路(LS)62と,レベルシフト回路62が出力した高電圧比較信号Lsに基づきトランジスタQ0(第1のトランジスタ)のゲートを駆動する駆動パルスDpを生成する駆動パルス生成回路(DPG)63と,トランジスタQ0と基準電源例えばGNDとの間に設けられトランジスタQ0の導通状態に応じて導通状態が変化するダイオードD0(スイッチング素子)とを有する。図6からも明らかなように,比較器61の後段にレベルシフト回路62が設けられ,レベルシフト回路62の後段に駆動パルス生成回路63が設けられ,トランジスタQ0は,駆動パルス生成回路63が出力する駆動パルスDpにより駆動する。
比較器61は,図1の比較器11と同機能の比較器であり,フィードバック電圧Vfbと基準電圧Vrefとを比較し比較信号Cmpを生成し,レベルシフト回路62に出力する。フィードバック電圧Vfbは,分圧回路22が出力電圧Voutを分圧した電圧である。出力電圧Voutは,ダイオードD0とトランジスタQ0との接続点N1における電圧を平滑化回路21’が平滑化した電圧である。すなわち,フィードバック電圧Vfbは,接続点N1における出力電圧が平滑化回路21’を介して平滑化され,さらに,分圧回路22により分圧された電圧である。なお,分圧回路22により分圧せずに,平滑化回路21’の出力電圧Voutをそのまま比較器61にフィードバックしてもよい。
レベルシフト回路62は,図3,図4で説明したように,ローサイド側の入力電源端子が電圧Vrefを生成する電源に接続し同出力電源端子がグランドGNDに接続する。そして,ハイサイド側の入力電源端子がVH点に接続し同出力電源端子が接続点N4に接続する。図2で説明したように,「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」が点VHからレベルシフト回路62に供給される。そして,レベルシフト回路62は,比較器61から出力された比較信号Cmpの電圧レベルを供給された「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」により高めて,高電圧の比較信号Lsを駆動パルス生成回路63に出力する。
駆動パルス生成回路63は,図1の駆動パルス生成回路と同機能の回路であるが,入力電源端子が接続点N3に接続し同出力電源端子が接続点N4に接続する。すなわち,駆動パルス生成回路63は,ダイオードD1とキャパシタC1との間の接続点N3とトランジスタQ0のソース側の接続点N4との間に設けられる。そして,駆動パルス生成回路63は,接続点N3から供給された「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」により動作する。
駆動パルス生成回路63は,レベルシフト回路62が出力する高電圧比較信号Lsの立ち上がりエッジをトリガーとして,駆動パルスDpをトランジスタQ0を第1の期間オン状態にするハイレベルにし,トランジスタQ0のゲートに出力する。なお,駆動パルス生成回路63の詳細については,第1の実施形態の後半において,図8〜図10を用いて説明する。
平滑化回路21’は,図1で説明した平滑化回路21と同様の構成を有する。しかし,インダクタL0’とキャパシタC0’のパラメータは,図1で説明したインダクタL0とキャパシタC0のパラメータよりも小さく,平滑化回路21’は,小型化されている。
なお,平滑化回路21’,分圧回路22をスイッチングレギュレータ60に含めてもよい。
図7は,図6の電源回路6の動作を説明するタイミングチャートであり,上から順に,比較器61が出力する比較信号Cmp,レベルシフト回路62が出力する高電圧比較信号Ls,駆動パルス生成回路63が出力する駆動パルスDp,トランジスタQ0のオン状態,オフ状態,インダクタL0’の電流Il0および出力電流Io,フィードバック電圧Vfbおよび基準電圧Vrefを示す。
まず,図7の時間T10から時間T11の間における電源回路6の動作を説明する。フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも低くなると,比較器61はハイレベルの比較信号Cmpを出力する。この比較信号Cmpの立ち上がりエッジに応答して,レベルシフト回路62は,高電圧比較信号Lsをレベルシフトして電圧Vddから「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」に立ち上げる。
次に,時間T11から時間T12の間における電源回路6の動作を説明する。ハイレベルの高電圧比較信号Lsが駆動パルス生成回路63に入力されると,駆動パルス生成回路63は,高電圧比較信号Lsの立ち上がりエッジをトリガーとして,一定時間のハイレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ0のゲートに出力する。すると,トランジスタQ0がオン状態になり,電源電圧VddからインダクタL0’に電流が流れ込みインダクタL0’の電流Il0が上昇し,電流Il0が電流Ioよりも大きくなる。この時,下降を続けていたフィードバック電圧Vfbが上昇に転じる。一定時間経過後,ハイレベルの駆動パルスDpが立ち下がり,トランジスタQ0はオフ状態になる。その結果,電源電圧VddからインダクタL0’に電流が流れ込まなくなり,インダクタL0’の電流Il0が下降する。以後の時間T12〜時間T14の間における電源回路6の動作は,図2で説明した電源回路1の動作と同じなので説明を省略する。
比較信号Cmpは低周波(ハイレベルパルス幅,ローレベルパルス幅が長い)であるので,この比較信号Cmpがレベルシフト回路62によりレベルシフトされてハイレベル幅が短くなっても0になることはない。また,駆動パルス生成回路63は,レベルシフト回路62が出力する高電圧比較信号Lsの立ち上がりエッジをトリガーとしてハイレベルの駆動パルスDpを出力するので,たとえ高電圧比較信号Lsのハイレベル幅が極端に短くなっても,一定時間ハイレベルになる駆動パルスDpをトランジスタQ0のゲートに出力することができる。つまり,駆動パルス生成回路63は,レベルシフト回路62の高耐圧トランジスタ動作の影響を受けない一定時間ハイレベルになる駆動パルスDpをトランジスタに与えることができる。そのため,駆動パルスDpのハイレベルパルス幅が変化することがなく,パルス幅を高精度に制御することができる。その結果,トランジスタQ0の導通時間を高精度に制御できる。そして,コイル電流IL0の最大値を正確に制御でき,負荷に供給する電流Ioを高精度に制御することができる。
また,前述したように,平滑化回路21’(インダクタL0’)を小型化して,駆動パルスDpのハイレベルパルス幅を短くしている。その結果,電流Il0の単位時間当たりの上昇量(傾き)は,図2で説明した電流Il0の傾きよりも大きくなり,負荷電流の急変に対しても高速に応答することができる。
以下に,駆動パルス生成回路63について,図8〜図10を用いて説明する。
図8は,駆動パルス生成回路63を説明する図,図9,図10は,駆動パルス生成回路63の動作を説明する第1,第2のタイミングチャートである。なお,図8で説明する駆動パルス生成回路63は,一例であり,これに限定されるものではない。
駆動パルス生成回路63は,トランジスタQ10のオン・オフにより電圧Vpが変化し,この電圧Vpの変化によりハイレベル,ローレベルの駆動パルスを生成する。以下の説明では,トランジスタQ10は,NMOSトランジスタであり,電源電圧V1>電源電圧V2>0の関係にあるとする。この電圧V1,電圧V2により駆動パルスのハイレベルパルス幅,ローレベルパルス幅が規定される。なお,駆動パルス生成回路63のインバータ(INV)81,比較器(CMP)82,83,OR(論理和)回路84,NAND(否定論理積)回路85,86,インバータ(INV)87は,接続点N3から供給される電力により動作する。
駆動パルス生成回路63の動作を簡単に説明する。駆動パルス生成回路63は,比較信号Cmp,CmpX1,CmpX2のレベルに基づき,NAND回路85,86から構成されるフリップフロップ回路の出力信号NAndX1の立ち上がり立ち下がりを制御することにより,駆動パルスDpを生成する。
図9の時間T20から時間T21の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。この時,キャパシタC2に電荷が蓄積されていない状態で,電圧Vpは0Vであるとする。比較器82は,ハイレベルの比較信号CmpX1をNAND回路85に出力し,比較器83は,ローレベルの比較信号CmpX2をOR回路84に出力している。OR回路84は,ハイレベルの信号ORを出力し,NAND回路85は,ハイレベルの信号NNAndX1を出力し,NAND回路86は,ローレベルの信号NNAndX2を出力している。
そこで,比較信号Cmpが立ち上がると,インバータ81はその反転信号Inv1を出力する。また,その結果,OR回路84は,ローレベルの信号ORをNAND回路86に出力し,NAND回路86の出力信号NAndX2はハイレベルになる。その結果,NAND回路85は,ローレベルの信号NAndX1をインバータ87およびトランジスタQ10に出力する。その結果,インバータ87は,ハイレベルの駆動パルスDpを出力する。このように,比較信号Cmpが立ち上がると同時に駆動パルスDpが立ち上がる。また,トランジスタQ10は,ローレベルの信号NAndX1によりオフ状態になる。その結果,電流IxがキャパシタC2に流れ込むと共に,キャパシタC2に電荷が蓄積され,電圧Vpが上昇する。
次に,時間T21から時間T22の間,つまり,電圧Vpが電圧V2と電圧V1の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。この時,キャパシタC2に流れ込む電流Ixにより電圧Vpは上昇して電圧V2以上になる。すると,比較器83は,ハイレベルの比較信号CmpX2をOR回路84に出力し,OR回路84は,ハイレベルの信号ORをNAND回路86に出力するが,信号NAndX1,信号NAndX2のレベルは変化しない。したがって,駆動パルスDpはハイレベルのままであり,トランジスタQ10はオフ状態のままであり,電圧Vpの上昇が続く。
次に,時間T22から時間T23の間,つまり,電圧Vpが電圧V1を超えて下降し再び電圧V1に至るまでの間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。電圧Vpが上昇して電圧V1を越えると,比較器82は,ローレベルの比較信号CmpX1をNAND回路85に出力する。その結果,NAND回路85は,ハイレベルの信号NAndX1を出力する。すると,駆動パルスDpは立ち下がりローレベルになり,信号NAndX2もローレベルになる。また,ハイレベルの信号NAndX1によりトランジスタQ10はオン状態になる。トランジスタQ10がオン状態になると,キャパシタC2に蓄えられていた電荷が徐々に放出されると共に電圧Vpが下降する。
次に,時間T23から時間T24の間,つまり,電圧Vpが電圧V1から電圧V2の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。ここで,時間T24の時点で,比較信号Cmpが立ち下がりローレベルになるとする。比較信号Cmpが立ち下がりローレベルになると,OR回路84にハイレベルの反転信号Inv1が入力される。OR回路84は,ハイレベルの信号ORをそのまま出力する。また,NAND回路86は,ハイレベルの信号NAndX1とハイレベルの信号ORの否定論理積をとり,ローレベルの信号NAndX2を出力し続ける。同じく,NAND回路85は,ハイレベルの信号NAndX1を出力し続ける。それに伴い,トランジスタQ10はオン状態を継続し,電圧Vpが下降し0Vになる。その結果,駆動パルス生成回路63はローレベルの駆動パルスDpを出力し続ける。
以上で説明した駆動パルスDpのハイレベルパルス幅(W6)は,キャパシタC2のキャパシタンスをCとすると(キャパシタンスC×電圧V1)/電流Ixで示される。以上説明したように,駆動パルス生成回路63は,比較信号Cmpが立ち上がると同時に駆動パルスDpを立ち上がらせてハイレベルの駆動パルスDpを一定時間(幅W6)の間出力し続ける。そして,この駆動パルスDpにより,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも大きくなり比較信号Cmpが立ち下がると同時に駆動パルスDpを立ち下がらせてローレベルの駆動パルスDpを出力する。
なお,負荷23の要求電流が重く,すなわち負荷が重い場合,1ショットのハイレベル駆動パルスでは,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも大きくならず比較信号Cmpが立ち下がらないことがある。この場合には,図10に説明するように,駆動パルス生成回路63は,再度,ハイレベルの駆動パルスDpを生成する。
この場合の駆動パルス生成回路63の動作について図10を用いて説明する。
時間T30から時間T33の間における駆動パルス生成回路63の動作については,図9と同じ動作なのでその説明を省略する。
時間T33から時間T34の間,つまり,電圧Vpが電圧V1から電圧V2の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。比較器82は,ハイレベルの比較信号CmpX1をNAND回路85に出力するが,信号NAndX2はローレベルのままなので,信号NAndX1はハイレベルの状態を維持し,トランジスタQ10はオン状態のままになる。その結果,電圧Vpは低下し電圧V2に至る。
次に,時間T34から時間T35の間,つまり,電圧Vpが電圧V2から電圧0の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。電圧Vpが電圧V2になると,比較器83は,ローレベルの比較信号CmpX2をOR回路84に出力する。OR回路84は,ローレベルの反転信号Inv1とローレベルの比較信号CmpX2との論理和をとり,ローレベルの信号ORをNAND回路86に出力する。そして,NAND回路86は,ハイレベルの信号NAndX2を出力する。すると,NAND回路85はローレベルの信号NAndX1を出力する。その結果,駆動パルスDpが立ち上がり,ハイレベルの駆動パルスDpが出力される。また,トランジスタQ10はオフ状態になる。以後,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも高くなって比較信号Cmpが立ち下がるまで,駆動パルス生成回路63は,一定のハイレベルパルス幅を有する駆動パルスDpを一定周期毎に生成する時間T30から時間T35の動作を繰り返す。
なお,以上説明した駆動パルス生成回路の構成は,一例であり他にも様々な構成を採用することができる。
(第2実施形態)
図6の電源回路6では,還流用のスイッチング素子としてダイオードD0を用いたが,ダイオードを使用すると,ダイオードの順方向電圧降下による電力損失が発生する。そこで,ダイオードD0の替わりにスイッチング素子としてトランジスタを用いる。
図11は,スイッチング素子としてトランジスタQ20(第2のトランジスタ)を用いた電源回路9の説明図である。
スイッチングレギュレータ110は,図6のスイッチングレギュレータ60に加えて,レベルシフト回路(LS)111と,駆動パルス生成回路(DPG)112と,インバータ(INV)113と,スイッチング素子として機能するトランジスタQ20とを有する。なお,その他の構成は図6で説明した電源回路6と同様なので,図11においては,図6と対応する各部に同一の符号を付して説明を省略する。
トランジスタQ20は,トランジスタQ0と同じくNMOSトランジスタである。トランジスタQ20は,トランジスタQ0がオフ状態になると,オン状態になり,平滑化回路21’のインダクタL0’に蓄積した磁気エネルギーを電流として放出する。
ローサイド側のレベルシフト回路111は,ハイサイド側のレベルシフト回路62と同じ構成の回路であるが,電源電圧Vbiasに接続され,比較器61が出力した比較信号Cmpをレベルシフト回路62のように高電圧比較信号にするものではない。レベルシフト回路111は,比較信号Cmpをレベルシフトせずに比較信号Ls1として駆動パルス生成回路112に出力する。レベルシフト回路111は,トランジスタQ0がオン・オフするタイミングとトランジスタQ20がオフ・オンするタイミングとを一致させるために,レベルシフト回路62と同等の遅延特性を有する。
駆動パルス生成回路112は,図6の駆動パルス生成回路63と同機能の回路であり,比較信号Ls1の立ち上がりで一定時間ハイレベルの駆動パルスTon1を生成し,インバータ113に出力する。つまり,駆動パルス生成回路112は,比較信号Ls1に基づきトランジスタQ20のゲートを駆動する駆動パルスTon1を生成する。
インバータ113は,駆動パルス生成回路112が出力する駆動パルスTon1の反転パルスDp1をトランジスタQ20のゲートに出力する。
図12は,図11の電源回路9の動作を説明するタイミングチャートであり,上から順に,比較器61が出力する比較信号Cmp,レベルシフト回路62が出力する高電圧比較信号Ls,駆動パルス生成回路63が出力する駆動パルスDp,トランジスタQ0のオン状態,オフ状態,レベルシフト回路111が出力する比較信号Ls1,駆動パルス生成回路112が出力する駆動パルスTon1,インバータ113が出力するDp1,トランジスタQ20のオン状態,オフ状態を示す。
まず,レベルシフト回路111を設ける理由を説明する。トランジスタQ20は,ローサイド側に設けられており,レベルシフト回路111を設けて,トランジスタQ20を駆動する駆動パルスの電圧レベルを高める必要はない。前述したように,トランジスタQ0がオフ状態になると,トランジスタQ20がオン状態になり,平滑化回路21’のインダクタL0’に蓄積した磁気エネルギーを電流として放出しなければならない。そのためには,トランジスタQ0がオン・オフするタイミングとトランジスタQ20がオフ・オンするタイミングとを一致させなければならない。しかし,ハイサイド側のレベルシフト回路62は,比較器61の比較信号Cmpをレベルシフトして信号Lsを出力するが,信号Lsの出力タイミングは図5で説明したように一定時間遅延する。そこで,比較器61と駆動パルス生成回路112との間にレベルシフト回路111を設けて,ハイサイド側の駆動パルス生成回路63の駆動パルスDpの出力タイミングとローサイド側の駆動パルス生成回路112の駆動パルスTon1の出力タイミングとを一致させる。このように,レベルシフト回路111を遅延回路として機能させる。
その結果,時間T40から時間T41,時間T41から時間T42に示すように,トランジスタQ10がオン・オフするタイミングとトランジスタQ20がオフ・オンするタイミングとが一致する。なお,駆動パルスTon1は,インバータ113を通過するが,インバータ113は,通常,1つのPMOSトランジスタと1つのNMOSトランジスタと有する単純な構成なのでインバータ113による遅延は無視できる。このようにすることで,トランジスタQ0がオフ状態になると同時に,トランジスタQ20がオン状態になり,平滑化回路21’のインダクタL0’に蓄積した磁気エネルギーが電流として放出される。なお,その他の動作については,図7と同様なので説明を省略する。
以上説明したように,スイッチング素子をダイオードからトランジスタに置き換えることで,ダイオードの順方向電圧降下による電力損失がなくなる。
以上をまとめると,以下の付記の通りである。
(付記1)
高電位電源に接続された第1のトランジスタと,
前記第1のトランジスタと基準電源との間に設けられ当該第1のトランジスタの導通状態に応じて導通状態が変化するスイッチング素子と,
前記第1のトランジスタと前記スイッチング素子との接続点における出力電圧をフィードバックした電圧と,基準電圧とを比較し比較信号を生成する比較器と,
前記比較信号の電圧レベルを高めて高電圧比較信号を出力するレベルシフト回路と,
前記高電圧比較信号に基づき前記第1のトランジスタのゲートを駆動する駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路とを有するスイッチングレギュレータ。
(付記2)
付記1において,
前記駆動パルス生成回路は,前記レベルシフト回路から前記高電圧比較信号が入力されると,前記第1のトランジスタを第1の期間導通状態にする駆動パルスを生成するスイッチングレギュレータ。
(付記3)
付記1又は2において,
さらに,前記接続点と負荷との間に設けられた前記平滑化回路を有するスイッチングレギュレータ。
(付記4)
付記1〜3の何れかにおいて,
さらに,前記出力電圧を平滑化する平滑化回路と前記平滑化回路の出力に接続された負荷との間に設けられた分圧回路を有し,当該分圧回路は,前記平滑化回路により平滑化された電圧を分圧し前記比較器にフィードバック出力するスイッチングレギュレータ。
(付記5)
付記1〜4の何れかにおいて,
前記スイッチング素子は,前記第1のトランジスタの導通時に非導通状態になり当該第1のトランジスタの非導通時に導通状態になるスイッチングレギュレータ。
(付記6)
付記5において,
前記スイッチング素子は,カソードが前記接続点に接続するダイオードであるスイッチングレギュレータ。
(付記7)
付記5において
前記スイッチング素子は,第2のトランジスタであり,
さらに,前記比較器が出力した比較信号に基づき当該第2のトランジスタのゲートを駆動する駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路を有するスイッチングレギュレータ。
(付記8)
付記7において,
さらに,前記比較器と前記駆動パルス生成回路との間に遅延回路を有するスイッチングレギュレータ。