JP2013158140A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のスイッチング電源回路は、高温時に出力電流能力が低下する問題があった。
【解決手段】スイッチング素子を制御して入力電圧の電圧を変換して出力電圧を生成する電圧変換回路において前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御信号を生成するデューティー制御回路2を含む半導体装置であって、デューティー制御回路2は、出力電圧Voutが目標電圧を下回ったことを検出してゲーティング信号CMPOUTをイネーブル状態とする出力電圧検出回路11と、ゲーティング信号CMPOUTがイネーブル状態である期間に、スイッチング制御信号PFMOUTを出力するオン時間制御回路10と、を有し、オン時間制御回路10は、環境温度の上昇に応じてスイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅が大きくなるようにスイッチング制御信号のパルス幅を補正する。
【選択図】図1A conventional switching power supply circuit has a problem that output current capability is reduced at a high temperature.
A semiconductor device including a duty control circuit for generating a switching control signal for controlling the switching element in a voltage conversion circuit for controlling the switching element to convert an input voltage to generate an output voltage. The duty control circuit 2 detects that the output voltage Vout has fallen below the target voltage, and switches the output voltage detection circuit 11 to enable the gating signal CMPOUT and the gating signal CMPOUT in the enable state. An on-time control circuit 10 that outputs a control signal PFMOUT, and the on-time control circuit 10 increases the pulse width of the switching control signal so that the pulse width of the switching control signal PFMOUT increases as the environmental temperature increases. to correct.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置に関し、例えば、電源回路のスイッチング素子の導通状態を制御するスイッチング制御信号を生成する回路を含む半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, for example, a semiconductor device including a circuit that generates a switching control signal for controlling a conduction state of a switching element of a power supply circuit.
他の回路への電源を供給する電源回路としてスイッチング電源回路が多く利用されている。スイッチング電源回路は、スイッチング素子のオンとオフをパルス信号により切り替え、この切り替えタイミングとスイッチング素子のオン時間を制御することで電圧を制御する。そのため、スイッチング電源回路は、電力効率が高いというメリットがある。 A switching power supply circuit is often used as a power supply circuit for supplying power to other circuits. The switching power supply circuit switches on and off of the switching element by a pulse signal, and controls the voltage by controlling the switching timing and the on-time of the switching element. Therefore, the switching power supply circuit has an advantage of high power efficiency.
このスイッチング電源回路の一例が特許文献1、2に開示されている。特許文献1に開示されているDC−DCコンバータは、DC−DCコンバータの出力電圧に応じて周波数が変化するクロック信号に基づきスイッチング素子の導通状態を制御するパルス信号を生成し、当該パルス信号のパルス幅を入力電圧と出力電圧の少なくとも一方の変化に連動させる。また、特許文献2では、スイッチング電源装置に関し、スイッチング素子の温度が高い場合にスイッチング周波数を低くする。
An example of this switching power supply circuit is disclosed in
スイッチング電源回路は、一般的に、出力段回路として、スイッチング素子、逆流防止ダイオード、インダクタ、平滑コンデンサを有する。スイッチング素子と逆流防止ダイオードは、入力電圧が入力される入力端子と接地端子との間に直列に接続される。インダクタの一端は、スイッチング素子と逆流防止ダイオードとの間のノードに接続される。平滑コンデンサは、インダクタの他端と接地端子との間に接続される。そして、スイッチング電源回路は、インダクタと平滑コンデンサとの間のノードから出力電圧を出力する。 A switching power supply circuit generally has a switching element, a backflow prevention diode, an inductor, and a smoothing capacitor as an output stage circuit. The switching element and the backflow prevention diode are connected in series between an input terminal to which an input voltage is input and a ground terminal. One end of the inductor is connected to a node between the switching element and the backflow prevention diode. The smoothing capacitor is connected between the other end of the inductor and the ground terminal. The switching power supply circuit outputs an output voltage from a node between the inductor and the smoothing capacitor.
ここで、逆流防止ダイオードには、カソード側(スイッチング素子側の端子)からアノード側(接地端子側の端子)に向かってリーク電流が流れる。このリーク電流は、逆流防止ダイオードの温度が高くなるにつれて大きくなるという特性を有する。つまり、スイッチング電源回路では、逆流防止ダイオードの温度等の環境温度が高くなると、逆流防止ダイオードに流れるリーク電流により、平滑コンデンサに充電される電荷量が減少する。これにより、スイッチング電源回路では、高温時に出力電流能力が低下する問題がある。特許文献1、2では、環境温度が高くなった場合に出力電流能力を向上させることができないため、上記問題を解決することができない。
Here, in the backflow prevention diode, a leak current flows from the cathode side (terminal on the switching element side) toward the anode side (terminal on the ground terminal side). This leakage current has a characteristic that it increases as the temperature of the backflow prevention diode increases. That is, in the switching power supply circuit, when the environmental temperature such as the temperature of the backflow prevention diode increases, the amount of charge charged in the smoothing capacitor decreases due to the leak current flowing through the backflow prevention diode. As a result, the switching power supply circuit has a problem that the output current capability decreases at high temperatures. In
一実施の形態にかかる半導体装置は、スイッチング素子を制御して入力電圧の電圧を変換して出力電圧を生成する電圧変換回路において前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御信号を生成するデューティー制御回路を含む半導体装置であって、前記デューティー制御回路は、前記出力電圧が目標電圧を下回ったことを検出してゲーティング信号をイネーブル状態とする出力電圧検出回路と、前記ゲーティング信号がイネーブル状態である期間に、前記スイッチング制御信号を出力するオン時間制御回路と、を有し、前記オン時間制御回路は、環境温度の上昇に応じて前記スイッチング制御信号のパルス幅が大きくなるように前記スイッチング制御信号のパルス幅を補正する。 A semiconductor device according to an embodiment includes a duty control circuit that generates a switching control signal for controlling the switching element in a voltage conversion circuit that controls the switching element to convert an input voltage to generate an output voltage. A semiconductor device, wherein the duty control circuit detects that the output voltage has fallen below a target voltage and enables a gating signal, and a period in which the gating signal is in an enabled state An on-time control circuit that outputs the switching control signal, and the on-time control circuit is configured to output the switching control signal so that a pulse width of the switching control signal increases as the environmental temperature increases. Correct the pulse width.
一実施の形態にかかる半導体装置によれば、オン時間制御回路が、環境温度の上昇に応じてスイッチング制御信号のパルス幅が大きくなるようにスイッチング制御信号のパルス幅を補正する。これにより、一実施の形態にかかる半導体装置は、環境温度が高くなった場合にスイッチング素子から出力される電流量を増加させて、出力電流能力の低下を防止することができる。 According to the semiconductor device according to the embodiment, the on-time control circuit corrects the pulse width of the switching control signal so that the pulse width of the switching control signal increases as the environmental temperature increases. Thereby, the semiconductor device according to the embodiment can prevent the output current capability from being lowered by increasing the amount of current output from the switching element when the environmental temperature becomes high.
一実施の形態にかかる半導体装置によれば、スイッチング電源回路において高温時の出力電流能力の低下を防止することができる。 According to the semiconductor device according to one embodiment, it is possible to prevent a decrease in output current capability at a high temperature in the switching power supply circuit.
実施の形態1
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。まず、実施の形態1にかかる半導体装置1では、環境温度に応じてスイッチング素子をスイッチングするスイッチング制御信号のパルス幅を可変する。この環境温度とは、半導体装置1が搭載される装置内の温度、半導体装置1とともに実装基板に実装される素子の温度、半導体装置1を構成する半導体基板の温度等であって、半導体装置1を含む電圧変換回路に関する素子及び基盤の温度である。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. First, in the
図1に実施の形態1にかかる電圧変換回路(例えば、スイッチング電源回路)のブロック図を示す。図1に示すように、実施の形態1にかかるスイッチング電源回路は、半導体装置1及び出力段回路PWCを有する。このスイッチング電源回路は、出力段回路PWCのスイッチング素子SWTrを制御して入力電圧Vinの電圧を変換して出力電圧Voutを生成する。そして、実施の形態1にかかるスイッチング電源回路は、出力段回路PWCにおいて生成される出力電圧Voutを負荷回路LDに与える。また、実施の形態1にかかるスイッチング電源回路は、PFM(Pulse Frequency Modulation)方式でスイッチング素子を駆動するものである。
FIG. 1 is a block diagram of a voltage conversion circuit (for example, a switching power supply circuit) according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the switching power supply circuit according to the first embodiment includes a
半導体装置1は、スイッチング素子を制御するスイッチング制御信号を生成するデューティー制御回路2を有する。出力段回路PWCは、スイッチング素子SWTr、逆流防止ダイオードD1、インダクタL1、平滑コンデンサC1を有する。スイッチング素子SWTrと逆流防止ダイオードD1は、入力電圧Vinが入力される入力端子と接地電圧GNDが供給される接地端子との間に直列に接続される。インダクタL1の一端は、スイッチング素子SWTrと逆流防止ダイオードD1との間のノードに接続される。平滑コンデンサC1は、インダクタL1の他端と接地端子との間に接続される。そして、スイッチング電源回路は、インダクタL1と平滑コンデンサC1との間のノードから出力電圧Voutを出力する。ここで、スイッチング素子SWTrは、例えば、NMOSトランジスタで形成される。また、スイッチング素子SWTrは、半導体装置1の半導体基板上に形成することもできる。この場合、出力段回路PWCのスイッチング素子SWTrは、半導体装置1に内蔵される。
The
デューティー制御回路2は、オン時間制御回路10、出力電圧検出回路11を有する。出力電圧検出回路11は、出力電圧Voutが目標電圧(例えば、参照電圧VREF)を下回ったことを検出してゲーティング信号CMPOUTをイネーブル状態(例えば、ハイレベル)とする。図1に示す例では、出力電圧検出回路11は、ヒステリシスコンパレータCMP0により構成される。ヒステリシスコンパレータCMP0は、参照電圧VREFを目標下限電圧VREFLとし、参照電圧VREFよりも高い電圧を目標上限電圧VREFHとする。そして、ヒステリシスコンパレータCMP0は、出力電圧Voutが目標下限電圧VREFLを下回ったことに応じてゲーティング信号CMPOUTをイネーブル状態とし、出力電圧Voutが目標上限電圧VREFHを上回ったことに応じてゲーティング信号CMPOUTをディスイネーブル状態とする。これにより、半導体装置1では、出力電圧Voutの変動幅を所定の範囲内に維持する。
The
なお、半導体装置1は、外部端子TM0、TM1を有する。そして、半導体装置1は、外部端子TM0を介してスイッチング制御信号PFMOUTを出力し、外部端子TM1を介して出力電圧Voutを取得する。
The
オン時間制御回路10は、ゲーティング信号CMPOUTがイネーブル状態である期間に、スイッチング制御信号PFMOUTを出力する。また、オン時間制御回路10は、環境温度の上昇に応じてスイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅が大きくなるようにスイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅を補正する。オン時間制御回路10は、外部又は内部の温度検出素子から取得した温度情報TIにより環境温度に関する情報を取得する。また、オン時間制御回路10は、入力電圧Vinと出力電圧Voutの少なくとも一方の変動に追従するようにスイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅を制御する。そこで、オン時間制御回路10の具体的な構成を以下で説明する。
The on-
図2にオン時間制御回路10の詳細なブロック図を示す。図2に示すように、オン時間制御回路10は、パルス幅補正回路20、制御パルス生成回路21を有する。パルス幅補正回路20は、環境温度の上昇に応じて増加する温度補正電流Itempを生成する。制御パルス生成回路21は、補正前のスイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅を設定する第1のパルス幅設定電流IREF0を生成する第1の電流源(例えば、調整電流源22)を備える。そして、オン時間制御回路10は、第1のパルス幅設定電流IREF0を温度補正電流Itempにより補正した第2のパルス幅設定電流IREF1の大きさに応じてスイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅を決定する。
FIG. 2 shows a detailed block diagram of the on-
また、オン時間制御回路10は、パルス幅補正回路20に環境温度に関する情報(例えば、温度情報TI)を与える。オン時間制御回路10は、温度情報TIを半導体装置1が実装される実装基板上に設けられた温度検出素子から取得する。図2に示す例では、温度検出素子として温度検出ダイオードD21を示した。この温度検出ダイオードD21は、スイッチング電源回路の逆流防止ダイオードD1のリーク電流の温度特性を擬似的に再現するものである。オン時間制御回路10のパルス幅補正回路20は、温度検出ダイオードD21に流れるリーク電流Itiを温度情報TIとして取得する。また、パルス幅補正回路20は、外部端子TM2にスイッチング電源回路の出力電圧Voutを与える。これにより、温度検出ダイオードD21のカソード端子とアノード端子との間の電圧差に出力電圧Voutの電圧値を反映し、出力電圧Voutの大きさに応じた逆流防止ダイオードD1のリーク電流の変動を反映したリーク電流Itiを生成することができる。
Further, the on-
図2に示すオン時間制御回路10の回路構成は。上記特徴を実現するための一形態である。図2に示す例では、パルス幅補正回路20は、エラーアンプAMP1、PMOSトランジスタMP21、MP22、NMOSトランジスタMN21、MN22、外部端子TM2を有する。
The circuit configuration of the on-
エラーアンプAMP1の反転入力端子には、基準電圧Vref1として出力電圧Voutが与えられる。エラーアンプAMP1の非反転入力端子は、外部端子TM2とPMOSトランジスタMP21のドレインとを接続するノードに接続される。エラーアンプAMP1の出力端子は、PMOSトランジスタMP21のゲートに接続される。PMOSトランジスタMP21のソースは、電源電圧VDDが供給される電源端子に接続される。つまり、エラーアンプAMP1とPMOSトランジスタMP21は、レギュレータ回路を構成し、PMOSトランジスタMP21にリーク電流Itiを流れる状態において外部端子TM2に出力電圧Voutを与える。 The inverting input terminal of the error amplifier AMP1 is supplied with the output voltage Vout as the reference voltage Vref1. The non-inverting input terminal of the error amplifier AMP1 is connected to a node connecting the external terminal TM2 and the drain of the PMOS transistor MP21. The output terminal of the error amplifier AMP1 is connected to the gate of the PMOS transistor MP21. The source of the PMOS transistor MP21 is connected to a power supply terminal to which the power supply voltage VDD is supplied. That is, the error amplifier AMP1 and the PMOS transistor MP21 constitute a regulator circuit, and supplies the output voltage Vout to the external terminal TM2 in a state where the leakage current Iti flows through the PMOS transistor MP21.
PMOSトランジスタMP22のソースは、電源電圧VDDが供給される電源端子に接続される。PMOSトランジスタMP22のゲートは、エラーアンプAMP1の出力端子に接続される。PMOSトランジスタMP22のソースは、NMOSトランジスタMN21のドレインに接続される。つまり、PMOSトランジスタMP22は、PMOSトランジスタMP21とカレントミラー回路を構成し、リーク電流Itiに対応した電流I21を出力する。例えば、PMOSトランジスタMP21のトランジスタサイズとPMOSトランジスタMP22のトランジスタサイズとが同じ値で設定されている場合、電流I21の大きさは、リーク電流Itiと同じになる。ここで、トランジスタサイズとは、トランジスタのゲート幅とゲート長との比により決まる値である。 The source of the PMOS transistor MP22 is connected to a power supply terminal to which the power supply voltage VDD is supplied. The gate of the PMOS transistor MP22 is connected to the output terminal of the error amplifier AMP1. The source of the PMOS transistor MP22 is connected to the drain of the NMOS transistor MN21. That is, the PMOS transistor MP22 forms a current mirror circuit with the PMOS transistor MP21, and outputs a current I21 corresponding to the leakage current Iti. For example, when the transistor size of the PMOS transistor MP21 and the transistor size of the PMOS transistor MP22 are set to the same value, the current I21 is the same as the leakage current Iti. Here, the transistor size is a value determined by the ratio between the gate width and the gate length of the transistor.
NMOSトランジスタMN21のソースは、接地端子に接続される。NMOSトランジスタMN21のゲートは、ドレインに接続される。また、NMOSトランジスタMN22のソースは、接地端子に接続される。NMOSトランジスタMN22のゲートは、NMOSトランジスタMN21のゲートと共通に接続される。つまり、NMOSトランジスタMN21、MN22は、カレントミラーを構成し、NMOSトランジスタMN21のドレインに入力される電流I21に対応した電流をNMOSトランジスタMN22のドレインから温度補正電流Itempとして出力する。例えば、NMOSトランジスタMN21のトランジスタサイズとNMOSトランジスタMN22のトランジスタサイズとが同じである場合、電流I21と温度補正電流Itempは同じ電流量となる。なお、NMOSトランジスタMN22のドレインは、制御パルス生成回路21の調整電流源22とNMOSトランジスタMN23のドレインとを接続されるノードに接続される。
The source of the NMOS transistor MN21 is connected to the ground terminal. The gate of the NMOS transistor MN21 is connected to the drain. The source of the NMOS transistor MN22 is connected to the ground terminal. The gate of the NMOS transistor MN22 is connected in common with the gate of the NMOS transistor MN21. That is, the NMOS transistors MN21 and MN22 form a current mirror, and output a current corresponding to the current I21 input to the drain of the NMOS transistor MN21 from the drain of the NMOS transistor MN22 as the temperature correction current Itemp. For example, when the transistor size of the NMOS transistor MN21 and the transistor size of the NMOS transistor MN22 are the same, the current I21 and the temperature correction current Itemp have the same current amount. The drain of the NMOS transistor MN22 is connected to a node to which the adjustment
また、制御パルス生成回路21は、第1の電流源(例えば、調整電流源22)、AND回路23、24、コンパレータCMP1、NMOSトランジスタMN23〜MN25、PMOSトランジスタMP23、コンデンサC21を有する。
The control
調整電流源22は、補正前のスイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅を設定する第1のパルス幅設定電流IREF0を生成する。そして、制御パルス生成回路21は、第1のパルス幅設定電流IREF0を温度補正電流Itempにより補正した第2のパルス幅設定電流IREF1の大きさに応じてスイッチング制御信号FPMOUTのパルス幅を決定する。また、調整電流源22には、入力電圧Vinと、出力電圧Voutが入力される。調整電流源22は、入力電圧Vinの上昇に応じて第1のパルス幅設定電流IREF0を増加させる。また、調整電流源22は、出力電圧Voutの上昇に応じて第1のパルス幅設定電流IREF0を減少させる。
The adjustment
ここで、調整電流源22の詳細な回路図を図3に示す。図3に示すように、調整電流源22は、NMOSトランジスタMN31〜MN34、PMOSトランジスタMP31、MP32、抵抗R32、R33を有する。
A detailed circuit diagram of the adjustment
NMOSトランジスタMN31のソースは、接地端子に接続される。NMOSトランジスタMN31のゲートは、NMOSトランジスタMN31のドレインと接続される。NMOSトランジスタMN31のドレインは、抵抗R31を介して入力電圧Vinが与えられる端子と接続される。NMOSトランジスタMN32のソースは、接地端子に接続される。NMOSトランジスタMN32のゲートは、NMOSトランジスタMN31のゲートと共通接続される。NMOSトランジスタMN32のドレインは、PMOSトランジスタMP31のドレインに接続される。 The source of the NMOS transistor MN31 is connected to the ground terminal. The gate of the NMOS transistor MN31 is connected to the drain of the NMOS transistor MN31. The drain of the NMOS transistor MN31 is connected to a terminal to which an input voltage Vin is applied via a resistor R31. The source of the NMOS transistor MN32 is connected to the ground terminal. The gate of the NMOS transistor MN32 is commonly connected to the gate of the NMOS transistor MN31. The drain of the NMOS transistor MN32 is connected to the drain of the PMOS transistor MP31.
つまり、NMOSトランジスタMN31、MN32は、カレントミラー回路を構成する。そして、NMOSトランジスタMN31のドレインには、入力電圧VinからNMOSトランジスタMN31の閾値電圧を引いた電圧値を抵抗R31の抵抗値で除算した値の電流I31が入力される。つまり、電流I31は、入力電圧Vinの大きさに比例した電流量を有する。また、当該カレントミラー回路では、電流I31に対応する電流I32をNMOSトランジスタMN32から出力する。具体的には、NMOSトランジスタMN31と、NMOSトランジスタMN32との、トランジスタサイズの比に応じて電流I31に対する電流I32の電流値の比が決定される。NMOSトランジスタMN31、MN32のトランジスタサイズ比が1:1である場合、電流I31、I32の電流値はおおむね等しくなる。 That is, the NMOS transistors MN31 and MN32 constitute a current mirror circuit. A current I31 having a value obtained by dividing a voltage value obtained by subtracting the threshold voltage of the NMOS transistor MN31 from the input voltage Vin by the resistance value of the resistor R31 is input to the drain of the NMOS transistor MN31. That is, the current I31 has a current amount proportional to the magnitude of the input voltage Vin. In the current mirror circuit, the current I32 corresponding to the current I31 is output from the NMOS transistor MN32. Specifically, the ratio of the current value of the current I32 to the current I31 is determined in accordance with the transistor size ratio between the NMOS transistor MN31 and the NMOS transistor MN32. When the transistor size ratio of the NMOS transistors MN31 and MN32 is 1: 1, the current values of the currents I31 and I32 are approximately equal.
NMOSトランジスタMN33のソースは、接地端子に接続される。NMOSトランジスタMN33のゲートは、NMOSトランジスタMN33のドレインと接続される。NMOSトランジスタMN33のドレインは、抵抗R32を介して出力電圧Voutが与えられる端子と接続される。NMOSトランジスタMN34のソースは、接地端子に接続される。NMOSトランジスタMN34のゲートは、NMOSトランジスタMN33のゲートと共通接続される。NMOSトランジスタMN34のドレインは、PMOSトランジスタMP32のドレインに接続される。 The source of the NMOS transistor MN33 is connected to the ground terminal. The gate of the NMOS transistor MN33 is connected to the drain of the NMOS transistor MN33. The drain of the NMOS transistor MN33 is connected to a terminal to which an output voltage Vout is applied via a resistor R32. The source of the NMOS transistor MN34 is connected to the ground terminal. The gate of the NMOS transistor MN34 is commonly connected to the gate of the NMOS transistor MN33. The drain of the NMOS transistor MN34 is connected to the drain of the PMOS transistor MP32.
つまり、NMOSトランジスタMN33、MN34は、カレントミラー回路を構成する。そして、NMOSトランジスタMN33のドレインには、出力電圧VoutからNMOSトランジスタMN33の閾値電圧を引いた電圧値を抵抗R32の抵抗値で除算した値の電流I33が入力される。つまり、電流I34は、出力電圧Voutの大きさに比例した電流量を有する。また、当該カレントミラー回路では、電流I33に対応する電流I34をNMOSトランジスタMN34から出力する。具体的には、NMOSトランジスタMN33と、NMOSトランジスタMN34との、トランジスタサイズの比に応じて電流I33に対する電流I34の電流値の比が決定される。NMOSトランジスタMN33、MN34のトランジスタサイズ比が1:1である場合、電流I33、I34の電流値はおおむね等しくなる。 That is, the NMOS transistors MN33 and MN34 constitute a current mirror circuit. A current I33 having a value obtained by dividing a voltage value obtained by subtracting the threshold voltage of the NMOS transistor MN33 from the output voltage Vout by the resistance value of the resistor R32 is input to the drain of the NMOS transistor MN33. That is, the current I34 has a current amount proportional to the magnitude of the output voltage Vout. In the current mirror circuit, the current I34 corresponding to the current I33 is output from the NMOS transistor MN34. Specifically, the ratio of the current value of the current I34 to the current I33 is determined according to the transistor size ratio between the NMOS transistor MN33 and the NMOS transistor MN34. When the transistor size ratio of the NMOS transistors MN33 and MN34 is 1: 1, the current values of the currents I33 and I34 are approximately equal.
PMOSトランジスタMP31のソースは、電源端子に接続される。PMOSトランジスタMP31のゲートは、PMOSトランジスタMP31のドレインと接続される。PMOSトランジスタMP31のドレインは、NMOSトランジスタMN32のドレインと接続される。PMOSトランジスタMP32のソースは、電源端子に接続される。PMOSトランジスタMN32のゲートは、PMOSトランジスタMP31のゲートと共通接続される。PMOSトランジスタMP32のドレインは、調整電流源22の出力端子となる。
The source of the PMOS transistor MP31 is connected to the power supply terminal. The gate of the PMOS transistor MP31 is connected to the drain of the PMOS transistor MP31. The drain of the PMOS transistor MP31 is connected to the drain of the NMOS transistor MN32. The source of the PMOS transistor MP32 is connected to the power supply terminal. The gate of the PMOS transistor MN32 is commonly connected to the gate of the PMOS transistor MP31. The drain of the PMOS transistor MP32 serves as the output terminal of the adjustment
つまり、PMOSトランジスタMP31、MP32は、カレントミラー回路を構成する。当該カレントミラー回路では、電流I32に対応する電流I35をNMOSトランジスタMP32のドレインから出力する。具体的には、PMOSトランジスタMP31と、PMOSトランジスタMP32との、トランジスタサイズの比に応じて電流I32に対する電流I35の電流値が決定される。PMOSトランジスタMP31、MP32のトランジスタサイズ比が1:1である場合、電流I32、I35の電流値はおおむね等しくなる。また、PMOSトランジスタMP31のドレインには、NMOSトランジスタMN34のドレインが接続される。つまり、PMOSトランジスタMP32のドレインにおいて、電流I35と電流I34とが合成される。この合成された電流が第1のパルス幅設定電流IREF0となり、電流値は、電流I35から電流I34を引いた値となる。つまり、第1のパルス幅設定電流IREF0は、入力電圧Vinが増加した場合には増加し、出力電圧Voutが増加した場合には減少する成分を含む。 That is, the PMOS transistors MP31 and MP32 constitute a current mirror circuit. In the current mirror circuit, a current I35 corresponding to the current I32 is output from the drain of the NMOS transistor MP32. Specifically, the current value of the current I35 relative to the current I32 is determined according to the transistor size ratio between the PMOS transistor MP31 and the PMOS transistor MP32. When the transistor size ratio of the PMOS transistors MP31 and MP32 is 1: 1, the current values of the currents I32 and I35 are substantially equal. The drain of the NMOS transistor MN34 is connected to the drain of the PMOS transistor MP31. That is, the current I35 and the current I34 are combined at the drain of the PMOS transistor MP32. This combined current becomes the first pulse width setting current IREF0, and the current value is a value obtained by subtracting the current I34 from the current I35. That is, the first pulse width setting current IREF0 includes a component that increases when the input voltage Vin increases and decreases when the output voltage Vout increases.
続いて、調整電流源22以外の制御パルス生成回路21の構成について説明する。NMOSトランジスタMN23のソースは、接地端子に接続される。NMOSトランジスタMN23のゲートは、NMOSトランジスタMN23のドレインと接続される。NMOSトランジスタMN23のドレインは、調整電流源22のPMOSトランジスタMP31のドレインと接続される。ここで、NMOSトランジスタMN23のドレインと調整電流源22とを接続されるノードには、パルス幅補正回路20のNMOSトランジスタMN22のドレインが接続される。そして、当該ノードにおいて、第1のパルス幅設定電流IREF0と温度補正電流Itempとが合成した第2のパルス幅設定電流IREF1が生成される。具体的には、第2のパルス幅設定電流IREF1は、第1のパルス幅設定電流IREF0から温度補正電流Itempを引いた電流値を有する。つまり、実施の形態1にかかる半導体装置1では、当該ノードにおいて、第1のパルス幅設定電流を前記温度補正電流により補正した第2のパルス幅設定電流を生成する。NMOSトランジスタMN24のゲートは、NMOSトランジスタMN23のゲートと共通接続される。NMOSトランジスタMN24のドレインは、NMOSトランジスタMN25のソースに接続される。
Next, the configuration of the control
つまり、NMOSトランジスタMN23、MN24は、カレントミラー回路を構成する。そして、NMOSトランジスタMN23のドレインには、第2のパルス幅設定電流IREF1が入力される。また、当該カレントミラー回路では、第2のパルス幅設定電流IREF1に対応する電流I22をNMOSトランジスタMN24から出力する。具体的には、NMOSトランジスタMN23と、NMOSトランジスタMN24との、トランジスタサイズの比に応じて第2のパルス幅設定電流IREF1に対する電流I22の電流値の比が決定される。NMOSトランジスタMN23、MN24のトランジスタサイズ比が1:1である場合、第2のパルス幅設定電流IREF1と電流I22の電流値はおおむね等しくなる。 That is, the NMOS transistors MN23 and MN24 constitute a current mirror circuit. The second pulse width setting current IREF1 is input to the drain of the NMOS transistor MN23. In the current mirror circuit, the current I22 corresponding to the second pulse width setting current IREF1 is output from the NMOS transistor MN24. Specifically, the ratio of the current value of the current I22 to the second pulse width setting current IREF1 is determined according to the transistor size ratio between the NMOS transistor MN23 and the NMOS transistor MN24. When the transistor size ratio of the NMOS transistors MN23 and MN24 is 1: 1, the current values of the second pulse width setting current IREF1 and the current I22 are approximately equal.
NMOSトランジスタMN25のソースは、NMOSトランジスタMN24のドレインと接続される。NMOSトランジスタMN25のドレインは、PMOSトランジスタMP24のドレインと接続される。PMOSトランジスタMP23のドレインは、電源端子に接続される。NMOSトランジスタMN25のゲートとPMOSトランジスタMP23のゲートとは、互いに接続される。また、NMOSトランジスタMN25のゲートとPMOSトランジスタMP23のゲートには、クロック信号CLKが入力される。NMOSトランジスタMN25のドレインとPMOSトランジスタMP23のドレインとを接続するノードは、コンパレータCMP1の非反転入力端子に接続される。また、NMOSトランジスタMN25のドレインとPMOSトランジスタMP23のドレインとを接続するノードと接地端子との間にはコンデンサC21が接続される。 The source of the NMOS transistor MN25 is connected to the drain of the NMOS transistor MN24. The drain of the NMOS transistor MN25 is connected to the drain of the PMOS transistor MP24. The drain of the PMOS transistor MP23 is connected to the power supply terminal. The gate of the NMOS transistor MN25 and the gate of the PMOS transistor MP23 are connected to each other. The clock signal CLK is input to the gate of the NMOS transistor MN25 and the gate of the PMOS transistor MP23. A node connecting the drain of the NMOS transistor MN25 and the drain of the PMOS transistor MP23 is connected to the non-inverting input terminal of the comparator CMP1. A capacitor C21 is connected between the node connecting the drain of the NMOS transistor MN25 and the drain of the PMOS transistor MP23 and the ground terminal.
なお、NMOSトランジスタMN25のドレインとPMOSトランジスタMP23のドレインとを接続するノードから出力される信号を以下では、デューティー制御電圧CLKDLYと称す。このデューティー制御電圧CLKDLYは、クロック信号CLKがロウレベルである期間はハイレベル(例えば、電源電圧VDD)となり、クロック信号CLKがハイレベルである期間は電流I22とコンデンサC21の容量値とにより決まる時定数に従って電圧レベルが低下する。 A signal output from a node connecting the drain of the NMOS transistor MN25 and the drain of the PMOS transistor MP23 is hereinafter referred to as a duty control voltage CLKDLY. The duty control voltage CLKDLY is at a high level (for example, the power supply voltage VDD) while the clock signal CLK is at a low level, and is a time constant determined by the current I22 and the capacitance value of the capacitor C21 when the clock signal CLK is at a high level. As the voltage level decreases.
コンパレータCMP1は、非反転入力端子にデューティー制御電圧CLKDLYが入力され、反転入力端子に基準電圧Vref2が入力される。基準電圧Vref2は、温度変動及び電源電圧の変動に対して安定した電圧値を有する定電圧であって、図示しない定電圧源により生成される。そして、コンパレータCMP1は、デューティー制御電圧CLKDLYの電圧レベルと基準電圧Vref2との大小関係を比較してデジタル出力信号DOUTの論理レベルを切り替える。具体的には、コンパレータCMP1は、デューティー制御電圧CLKDLYの電圧レベルが基準電圧Vref2よりも高い期間はデジタル出力信号DOUTをハイレベルとする。一方、コンパレータCMP1は、デューティー制御電圧CLKDLYの電圧レベルが基準電圧Vref2よりも低い期間はデジタル出力信号DOUTをロウレベルとする。 In the comparator CMP1, the duty control voltage CLKDLY is input to the non-inverting input terminal, and the reference voltage Vref2 is input to the inverting input terminal. The reference voltage Vref2 is a constant voltage having a stable voltage value against temperature fluctuations and power supply voltage fluctuations, and is generated by a constant voltage source (not shown). The comparator CMP1 compares the voltage level of the duty control voltage CLKDLY with the reference voltage Vref2, and switches the logic level of the digital output signal DOUT. Specifically, the comparator CMP1 sets the digital output signal DOUT to a high level during a period in which the voltage level of the duty control voltage CLKDLY is higher than the reference voltage Vref2. On the other hand, the comparator CMP1 sets the digital output signal DOUT to a low level during a period in which the voltage level of the duty control voltage CLKDLY is lower than the reference voltage Vref2.
AND回路23は、クロック信号CLKによってデジタル出力信号DOUTをゲーティングする。AND回路23が出力する信号を以下では、PFMクロック信号PFMCLKと称す。このPFMクロック信号PFMCLKは、クロック信号CLKがロウレベルの期間はロウレベルとなり、クロック信号CLKがハイレベルの期間はデジタル出力信号DOUTの論理レベルに従った論理レベルとなる。AND回路24は、ゲーティング信号CMPOUTによってPFMクロック信号PFMCLKをゲーティングする。AND回路24が出力する信号は、スイッチング制御信号PFMOUTとなる。具体的には、ゲーティング信号CMPOUTがイネーブル状態(例えば、ハイレベル)の期間はPFMクロック信号PFMCLKがスイッチング制御信号PFMOUTとして出力される。ゲーティング信号CMPOUTがディスイネーブル状態(例えば、ロウレベル)の期間はスイッチング制御信号PFMOUTとしてロウレベルの信号が出力される。
The AND
続いて、オン時間制御回路10の動作について説明する。まず、オン時間制御回路10の制御パルス生成回路21で生成されるPFMクロック信号PFMCLKについて説明する。
Subsequently, the operation of the on-
図4に、実施の形態1にかかるオン時間制御回路10の高温時の動作を示すタイミングチャートを示す。図4に示すように、オン時間制御回路10では、タイミングT10においてクロック信号CLKが立ち上がると、それに応じて、デューティー制御電圧CLKDLYの電圧レベルの低下が始まる。そして、タイミングT11において、デューティー制御電圧CLKDLYの電圧レベルが基準電圧Vref2を下回ると、デジタル出力信号DOUTが立ち下がる。その後、タイミングT12において、クロック信号CLKが立ち下がると、これに応じて、デューティー制御電圧CLKDLYがハイレベルにリセットされる。
FIG. 4 is a timing chart showing the operation at a high temperature of the on-
そして、PFMクロック信号PFMCLKは、クロック信号CLKがロウレベルの期間は、ロウレベルとなる。また、PFMクロック信号PFMCLKは、クロック信号CLKがハイレベルの期間は、デジタル出力信号DOUTがハイレベルである期間においてハイレベルとなり、デジタル出力信号DOUTがロウレベルとなったことに応じてロウレベルとなる。 The PFM clock signal PFMCLK is at a low level while the clock signal CLK is at a low level. The PFM clock signal PFMCLK is at a high level when the clock signal CLK is at a high level while the digital output signal DOUT is at a high level, and is at a low level when the digital output signal DOUT is at a low level.
また、図5に、実施の形態1にかかるオン時間制御回路10の低温時の動作を示すタイミングチャートを示す。図5に示すように、低温時は、高温時と実施的に同じ動作となるが、デューティー制御電圧CLKDLYの電圧レベルが低下する傾きが高温時よりも大きくなる。そのため、低温時は高温時よりもPFMクロック信号PFMCLKのパルス幅が小さくなる。
FIG. 5 is a timing chart showing the operation at low temperature of the on-
オン時間制御回路10に温度情報TIとして与えられるリーク電流Itiは、温度が高くなるほど大きくなる。そのため、オン時間制御回路10では、環境温度が高くなるほど温度補正電流Itempが増加し、第2のパルス幅設定電流IREF1が小さくなるという特徴を有する。そのため、オン時間制御回路10では、クロック信号CLKがハイレベルの期間にコンデンサC21から電荷を引き抜く電流I22の大きさが高温時に小さくなり、高温時のPFMクロック信号PFMCLKのパルス幅が大きくなる。
The leakage current Iti given to the on-
続いて、オン時間制御回路10が生成するスイッチング制御信号PFMOUTについて説明する。そこで、図6に実施の形態1にかかるスイッチング電源回路の動作を示すタイミングチャートを示す。図6に示すように、実施の形態1にかかるスイッチング電源回路では、出力電圧Voutが目標下限電圧VREFLを下回ったことに応じて出力電圧検出回路11がゲーティング信号CMPOUTをイネーブル状態とする(例えば、T31、T33、T35)。このゲーティング信号CMPOUTは、出力電圧Voutが目標上限電圧VREFHを上回ったことに応じてディスイネーブル状態に切り替えられる(例えば、タイミングT32、T34)。
Next, the switching control signal PFMOUT generated by the on-
そして、オン時間制御回路10は、ゲーティング信号CMPOUTがイネーブル状態の期間にPFMクロック信号PFMCLKをスイッチング素子SWTrに与え、ゲーティング信号CMPOUTがディスイネーブル状態の期間は、スイッチング素子SWTrをオフ状態に維持する。実施の形態1にかかるスイッチング電源回路では、負荷回路LDに流れる負荷電流の大きさに応じて、ゲーティング信号CMPOUTの状態が切り替わる周波数(例えば、周期TE1、TE2の長さ)が変化する。
The on-
続いて、実施の形態1にかかるスイッチング電源回路の温度による動作特性の変化について説明する。まず、出力段回路PWCの逆流防止ダイオードD1のリーク電流の温度特性を示すグラフを図7に示す。 Next, a change in operating characteristics due to temperature of the switching power supply circuit according to the first embodiment will be described. First, FIG. 7 shows a graph showing the temperature characteristics of the leakage current of the backflow prevention diode D1 of the output stage circuit PWC.
図7に示すように、逆流防止ダイオードD1は、ジャンクション温度(例えば、半導体基板の温度)が高温になるほどリーク電流が増加する特性を有する。このリーク電流の増加は、温度変動に対して指数関数的に大きくなる。 As shown in FIG. 7, the backflow prevention diode D1 has a characteristic that the leakage current increases as the junction temperature (for example, the temperature of the semiconductor substrate) becomes higher. This increase in leakage current increases exponentially with respect to temperature fluctuations.
次に、実施の形態1にかかるスイッチング電源回路の出力特性を図8に示す。図8に示す出力特性は、高温時と低温時のスイッチング電源回路の出力電流能力を示すものである。図8では、時間と共に負荷電流Iloadが大きくなる。そして、実施の形態1にかかるスイッチング電源回路は、低温時の出力電流能力ILよりも、高温時の出力電流能力IHの方が高くなる。 Next, FIG. 8 shows output characteristics of the switching power supply circuit according to the first embodiment. The output characteristics shown in FIG. 8 indicate the output current capability of the switching power supply circuit at high temperature and low temperature. In FIG. 8, the load current Iload increases with time. In the switching power supply circuit according to the first embodiment, the output current capability IH at the high temperature is higher than the output current capability IL at the low temperature.
実施の形態1にかかるオン時間制御回路10を用いずに、環境温度によらずPFMクロック信号PFMCLKのパルス幅を一定に維持した場合、図7に示すように、逆流防止ダイオードD1に流れるリーク電流が増加して、スイッチング電源回路が負荷電流Iloadとして出力できる能力は低下する。しかし、図8に示すように、実施の形態1にかかる半導体装置1では、スイッチング電源回路の出力電流能力が高温時に上昇する。
When the pulse width of the PFM clock signal PFMCLK is maintained constant regardless of the environmental temperature without using the on-
上記説明より、実施の形態1にかかる半導体装置1では、オン時間制御回路10が環境温度に応じて、スイッチング素子を制御するスイッチング制御信号のパルス幅を大きくするように、パルス幅の補正を行う。これにより、半導体装置1を備えるスイッチング電源回路では、高温時に逆流防止ダイオードD1のリーク電流が増加しても、増加したリーク電流による出力電流能力の低下を防止することができる。
As described above, in the
また、実施の形態1にかかる半導体装置1によれば、スイッチング電源回路の動作環境の温度が上昇したことに応じて保護動作が行われた場合にも、出力電流能力不足を生じさせることなく通常動作を継続して行うことができる。
Further, according to the
また、実施の形態1にかかる半導体装置1では、入力電圧Vinが上昇した場合又は出力電圧Voutが減少した場合には、当該電圧の変動に合わせてスイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅を小さくすることができる。これにより、半導体装置1では、入力電圧Vin又は出力電圧Voutの大きさに合わせたパルス幅のスイッチング制御信号PFMOUTを生成することができる。
Further, in the
実施の形態2
実施の形態2では、オン時間制御回路10の別の形態となるオン時間制御回路10aについて説明する。そこで、オン時間制御回路10aのブロック図を図9に示す。図9に示すように、実施の形態2にかかるオン時間制御回路10aは、パルス幅補正回路20の別の形態となるパルス幅補正回路40を有する。なお、実施の形態2の説明では、実施の形態1で説明した構成要素と同じ構成要素については、実施の形態1と同じ符号を付して説明を省略する。
In the second embodiment, an on-
パルス幅補正回路40は、半導体装置1が形成される半導体基板上に形成される温度検出ダイオードD41を温度検出素子として有する。この温度検出ダイオードD41は、温度情報TIとして温度検出ダイオードD41の順方向電圧(例えば、ダイオード電圧Vtemp)を生成する。このダイオード電圧Vtempは、基板温度が上昇すると電圧値が小さくなるという特徴を有する。また、パルス幅補正回路40は、エラーアンプAMP2、PMOSトランジスタMP41、MP42、抵抗R41、第2の電流源(例えば、電流源IS41)を有する。
The pulse
温度検出ダイオードD41のカソードは接地端子に接続される。温度検出ダイオードD41のアノードと電源端子との間には電流源IS41が接続される。電流源IS41は、電源電圧変動及び温度変動に対して安定した電流値を有する電流I41を流す。この電流I41は、温度検出ダイオードD41に与えられる。そして、温度検出ダイオードD41は、電流I41が流れることで、ダイオード電圧Vtempを生成する。 The cathode of the temperature detection diode D41 is connected to the ground terminal. A current source IS41 is connected between the anode of the temperature detection diode D41 and the power supply terminal. The current source IS41 flows a current I41 having a stable current value against power supply voltage fluctuations and temperature fluctuations. This current I41 is applied to the temperature detection diode D41. Then, the temperature detection diode D41 generates the diode voltage Vtemp when the current I41 flows.
エラーアンプAMP1の反転入力端子には、基準電圧Vref1として温度情報TIが与えられる。実施の形態2にかかるオン時間制御回路10aでは、温度情報TIは温度検出ダイオードD41が生成するダイオード電圧Vtempである。エラーアンプAMP2の非反転入力端子は、抵抗R41の一端及びPMOSトランジスタMP41のドレインに接続される。エラーアンプAMP2の出力端子は、PMOSトランジスタMP41のゲートに接続される。PMOSトランジスタMP41のソースは、電源電圧VDDが供給される電源端子に接続される。また、抵抗R41の他端は接地端子に接続される。つまり、エラーアンプAMP2とPMOSトランジスタMP41は、レギュレータ回路を構成し、抵抗R41にダイオード電圧Vtempを与え、ダイオード電圧Vtempの電圧値を抵抗R41で除算することで算出される電流I42をPMOSトランジスタMP41に流す。つまり、電流I42は、ダイオード電圧Vtempの温度変動に比例して電流量が変化する。
The temperature information TI is supplied as the reference voltage Vref1 to the inverting input terminal of the error amplifier AMP1. In the on-
PMOSトランジスタMP42のソースは、電源電圧VDDが供給される電源端子に接続される。PMOSトランジスタMP42のゲートは、エラーアンプAMP2の出力端子に接続される。PMOSトランジスタMP42のドレインは、制御パルス生成回路21の調整電流源22とNMOSトランジスタMN23のドレインとを接続されるノードに接続される。つまり、PMOSトランジスタMP42は、PMOSトランジスタMP41とカレントミラー回路を構成し、電流I42に対応した電流Itempを出力する。例えば、PMOSトランジスタMP41のトランジスタサイズとPMOSトランジスタMP42のトランジスタサイズとが同じ値で設定されている場合、電流Itempの大きさは、電流I41と同じになる。ここで、トランジスタサイズとは、トランジスタのゲート幅とゲート長との比により決まる値である。
The source of the PMOS transistor MP42 is connected to a power supply terminal to which the power supply voltage VDD is supplied. The gate of the PMOS transistor MP42 is connected to the output terminal of the error amplifier AMP2. The drain of the PMOS transistor MP42 is connected to a node to which the adjustment
また、実施の形態2にかかる制御パルス生成回路21では、第1のパルス幅設定電流IREF0に温度補正電流Itempを加算した電流を第2のパルス幅設定電流IREF1を生成する。つまり、実施の形態2においても第2のパルス幅設定電流IREF1は、実施の形態1にかかる第2のパルス幅設定電流IREF1と同様に、環境温度の上昇に応じて減少する温度変動成分を含む。そして、実施の形態2にかかる制御パルス生成回路21では、第2のパルス幅設定電流IREF1に基づきPFMクロック信号PFMCLKのパルス幅を可変する。このとき、実施の形態2にかかる制御パルス生成回路21では、実施の形態1にかかる制御パルス生成回路21と同じ動作により、PFMクロック信号PFMCLKを生成する。
In addition, the control
上記説明より、実施の形態2では、半導体装置1が形成される半導体基板に形成された温度検出ダイオードD41のダイオード電圧Vtempを温度情報として用いる。これにより、実施の形態2にかかる半導体装置1では、外部端子TM2を設ける必要がないため、半導体装置のパッケージサイズ及びチップサイズを実施の形態1にかかる半導体装置よりも小さくすることができる。
From the above description, in the second embodiment, the diode voltage Vtemp of the temperature detection diode D41 formed on the semiconductor substrate on which the
実施の形態3
実施の形態3では、オン時間制御回路10aの別の形態となるオン時間制御回路10bについて説明する。そこで、オン時間制御回路10bのブロック図を図10に示す。図10に示すように、実施の形態3にかかるオン時間制御回路10bは、パルス幅補正回路40の別の形態となるパルス幅補正回路50を有する。なお、実施の形態3の説明では、実施の形態1、2で説明した構成要素と同じ構成要素については、実施の形態1、2と同じ符号を付して説明を省略する。
Embodiment 3
In the third embodiment, an on-
図10に示すように、パルス幅補正回路50では、温度検出ダイオードD41に代えて、サーミスタR51を温度検出素子として利用する。このサーミスタR51は、実装基板上に設けられ、温度に応じて抵抗値が変動する。より具体的には、サーミスタR51は、温度の上昇に応じて抵抗値が小さくなるものである。また、サーミスタR51は、外部端子TM3を介してパルス幅補正回路50と接続される。また、サーミスタR51そして、パルス幅補正回路50では、サーミスタR51に電流I41を流すことで生じる電圧Vtempを基準電圧Vref1として利用する。
As shown in FIG. 10, the pulse
上記説明より、実施の形態3では、温度検出素子としてサーミスタR51を用いる。サーミスタR51は、様々な場所に設置できる素子である。そのため、サーミスタR51を用いることで、例えば、逆流防止ダイオードD1の温度を直接モニタして、当該モニタ結果を電圧Vtempに反映することができる。そして、逆流防止ダイオードD1の温度に精度良く電圧Vtempを追従させることで、実施の形態3にかかる半導体装置を含むスイッチング電源回路は、出力電流能力の温度追従性をより高めることができる。 From the above description, in the third embodiment, the thermistor R51 is used as the temperature detection element. The thermistor R51 is an element that can be installed in various places. Therefore, by using the thermistor R51, for example, the temperature of the backflow prevention diode D1 can be directly monitored, and the monitoring result can be reflected in the voltage Vtemp. Then, by causing the voltage Vtemp to accurately follow the temperature of the backflow prevention diode D1, the switching power supply circuit including the semiconductor device according to the third embodiment can further improve the temperature followability of the output current capability.
実施の形態4
実施の形態4では、オン時間制御回路10の別の形態となるオン時間制御回路10cについて説明する。そこで、オン時間制御回路10cのブロック図を図11に示す。図11に示すように、実施の形態4にかかるオン時間制御回路10cは、制御パルス生成回路21においてNMOSトランジスタMN23、MN24により構成されるカレントミラー回路をパルス幅補正回路60に置き換えたものである。なお、実施の形態4の説明では、実施の形態1で説明した構成要素と同じ構成要素については、実施の形態1と同じ符号を付して説明を省略する。
Embodiment 4
In the fourth embodiment, an on-
パルス幅補正回路60は、第1のパルス幅設定電流IREF0から環境温度が上下に変動したことに応じて増減する第2のパルス幅設定電流IREF1を生成する。パルス幅補正回路60は、第1のトランジスタ(例えば、NMOSトランジスタMN61)と、第2のトランジスタ(例えば、NMOSトランジスタMN62)と、を有する。NMOSトランジスタMN61は、ドレインに第1のパルス幅設定電流が入力される。NMOSトランジスタMN62は、NMOSトランジスタMN61と共にカレントミラー回路を構成し、ゲート幅とゲート長との比により決まるトランジスタサイズがNMOSトランジスタMN61と異なり、第2のパルス幅設定電流IREF1を出力する。図11に示す例では、NMOSトランジスタMN61、MN62のトランジスタサイズ比はN:Mである。
The pulse
このように、トランジスタサイズの異なるトランジスタによりカレントミラー回路を構成した場合、半導体基板の温度の上昇に応じて第2のパルス幅設定電流IREF1を小さくすることができる。つまり、パルス幅補正回路60を用いることにより、実施の形態1と同様に、半導体基板の上昇に応じて電流値が減少する第2のパルス幅設定電流IREF1を生成することができる。また、オン時間制御回路10cは、第2のパルス幅設定電流IREF1に応じて半導体基板の上昇に応じてパルス幅が小さくなるスイッチング制御信号PFMOUTを生成することができる。
As described above, when the current mirror circuit is configured by transistors having different transistor sizes, the second pulse width setting current IREF1 can be reduced as the temperature of the semiconductor substrate increases. That is, by using the pulse
上記説明より、実施の形態3にかかるオン時間制御回路10cは、制御パルス生成回路21のNMOSトランジスタMN23、MN24により構成されるカレントミラー回路にに相当する部分をパルス幅補正回路60として用いる。これにより、実施の形態3にかかるオン時間制御回路10cは、エラーアンプ等を用いることなくパルス幅補正回路60を構成することができるため、実施の形態1にかかるオン時間制御回路10よりも小さな回路規模で同様の機能を実現することができる。
From the above description, the on-
実施の形態5
実施の形態5では、オン時間制御回路10の別の形態となるオン時間制御回路10dについて説明する。そこで、オン時間制御回路10dのブロック図を図12に示す。図12に示すように、実施の形態5にかかるオン時間制御回路10dは、制御パルス生成回路21にワンショットパルス信号71を追加した制御パルス生成回路70を有する。なお、実施の形態5の説明では、実施の形態1で説明した構成要素と同じ構成要素については、実施の形態1と同じ符号を付して説明を省略する。
In the fifth embodiment, an on-
ワンショットパルス信号71は、クロック信号CLKのパルスが入力される毎にクロック信号CLKのパルス幅よりも小さなパルス幅を有するパルス信号PCLKを生成する。そして、オン時間制御回路10dは、環境温度に関わらず、パルス信号PCLKのパルス幅を最大パルス幅としてスイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅を制御する。
The one-
なお、オン時間制御回路10dでは、パルス信号PCLKがNMOSトランジスタMN25、PMOSトランジスタMP23、及び、AND回路23に入力される。
In the on-
そこで、オン時間制御回路10dの動作について説明する。図13に実施の形態5にかかるオン時間制御回路の通常動作時の動作を示すタイミングチャートを示す。図13に示すように、ワンショットパルス信号71はクロック信号CLKのパルス幅をPW1とすると、パルス幅PW1よりも小さなパルス幅PW2を有するパルス信号PCLKを生成する。そして、通常動作時では、オン時間制御回路10dは、デューティー制御電圧CLKDLYの時定数に応じたパルス幅のPFMクロック信号PFMCLKを生成する(タイミングT41)。
Therefore, the operation of the on-
また、図14に実施の形態5にかかるオン時間制御回路の異常発熱時の動作を示すタイミングチャートを示す。図14に示すように、異常発熱が発生すると、温度補正電流Itempが大きくなり、デューティー制御電圧CLKDLYの電圧レベルを減少させる第2のパルス幅設定電流IREF1が小さくなる。そのため、デューティー制御電圧CLKDLYは、クロック信号CLKがハイレベルである期間に基準電圧Vref2を下回らない。しかし、実施の形態2にかかるオン時間制御回路10dでは、パルス信号PCLKによりデジタル出力信号DOUTがゲーティングされる。そのため、オン時間制御回路10dでは、PFMクロック信号PFMCLKのパルス幅が、環境温度に関わらずパルス信号PCLKのパルス幅PW2と同じ幅に制限される(タイミングT51)。
FIG. 14 is a timing chart showing the operation of the on-time control circuit according to the fifth embodiment at the time of abnormal heat generation. As shown in FIG. 14, when the abnormal heat generation occurs, the temperature correction current Itemp increases and the second pulse width setting current IREF1 that decreases the voltage level of the duty control voltage CLKDLY decreases. Therefore, the duty control voltage CLKDLY does not fall below the reference voltage Vref2 during the period when the clock signal CLK is at the high level. However, in the on-
上記説明より、実施の形態2にかかるオン時間制御回路10dによれば、スイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅の最大値をワンショットパルス信号71が生成するパルス信号PCLKのパルス幅により制限する。これにより、異常発熱が発生して、スイッチング制御信号PFMOUTのパルス幅が想定以上に大きくなることを防止して、スイッチング素子SWTrの発熱による故障を防止することができる。
From the above description, according to the on-
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の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で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
1 半導体装置
2 デューティー制御回路
10、10a、10b、10c、10d オン時間制御回路
11 出力電圧検出回路
20、40、50、60 パルス幅補正回路
21、70 制御パルス生成回路
22 調整電流源
23、24 AND回路
71 ワンショットパルス信号
IS41 電流源
CMP0 ヒステリシスコンパレータ
AMP1、AMP2 エラーアンプ
CMP1 コンパレータ
PWC 出力段回路
SWTr スイッチング素子
D1 逆流防止ダイオード
D21、D41 温度検出ダイオード
L1 インダクタ
C1 平滑コンデンサ
C21 コンデンサ
R31、R32、R41 抵抗
R51 サーミスタ
IREF0 第1のパルス幅設定電流
IREF1 第2のパルス幅設定電流
Itemp 温度補正電流
VREF 基準電圧
CMPOUT ゲーティング信号
PFMOUT スイッチング制御信号
Vref1、Vref2 基準電圧
Vin 入力電圧
Vout 出力電圧
CLK 基準クロック信号
CLKDLY デューティー制御電圧
DOUT デジタル出力信号
PFMCLK PFMクロック信号
PCLK パルス信号
LD 負荷
VREFL 目標下限電圧
VREFH 目標上限電圧
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記デューティー制御回路は、
前記出力電圧が目標電圧を下回ったことを検出してゲーティング信号をイネーブル状態とする出力電圧検出回路と、
前記ゲーティング信号がイネーブル状態である期間に、前記スイッチング制御信号を出力するオン時間制御回路と、を有し、
前記オン時間制御回路は、環境温度の上昇に応じて前記スイッチング制御信号のパルス幅が大きくなるように前記スイッチング制御信号のパルス幅を補正する半導体装置。 A semiconductor device including a duty control circuit that generates a switching control signal that controls the switching element in a voltage conversion circuit that controls the switching element to convert an input voltage to generate an output voltage,
The duty control circuit includes:
An output voltage detection circuit for detecting that the output voltage has fallen below a target voltage and enabling a gating signal;
An on-time control circuit that outputs the switching control signal during a period in which the gating signal is enabled,
The on-time control circuit is a semiconductor device that corrects the pulse width of the switching control signal so that the pulse width of the switching control signal increases as the environmental temperature increases.
補正前の前記スイッチング制御信号のパルス幅を設定する第1のパルス幅設定電流を生成する第1の電流源を備える制御パルス生成回路と、
前記環境温度の上昇に応じて増加する温度補正電流を生成するパルス幅補正回路と、を有し、
前記制御パルス生成回路は、前記第1のパルス幅設定電流を前記温度補正電流により補正した第2のパルス幅設定電流の大きさに応じて前記スイッチング制御信号のパルス幅を決定する請求項1に記載の半導体装置。 The on-time control circuit includes:
A control pulse generation circuit comprising a first current source for generating a first pulse width setting current for setting a pulse width of the switching control signal before correction;
A pulse width correction circuit that generates a temperature correction current that increases as the environmental temperature increases, and
The control pulse generation circuit determines a pulse width of the switching control signal according to a magnitude of a second pulse width setting current obtained by correcting the first pulse width setting current with the temperature correction current. The semiconductor device described.
前記オン時間制御回路は、前記温度検出ダイオードに流れるリーク電流を前記環境温度に関する情報として取得し、取得した情報に基づき前記温度補正電流を増減させる請求項5に記載の半導体装置。 The temperature detection element is a temperature detection diode that artificially reproduces the temperature characteristic of the leakage current of the backflow prevention diode of the voltage conversion circuit,
The semiconductor device according to claim 5, wherein the on-time control circuit acquires a leakage current flowing through the temperature detection diode as information related to the environmental temperature, and increases or decreases the temperature correction current based on the acquired information.
前記オン時間制御回路は、前記オン時間制御回路が形成される半導体基板上に形成される第2の電流源が生成する電流と前記サーミスタの抵抗値とに基づき生成される電圧を前記環境温度に関する情報として取得し、取得した情報に基づき前記温度補正電流を増減させる請求項5に記載の半導体装置。 The temperature detection element is a thermistor provided on the mounting substrate, the resistance value of which varies with temperature.
The on-time control circuit relates to a voltage generated based on a current generated by a second current source formed on a semiconductor substrate on which the on-time control circuit is formed and a resistance value of the thermistor. The semiconductor device according to claim 5, acquired as information, and increasing or decreasing the temperature correction current based on the acquired information.
補正前の前記スイッチング制御信号のパルス幅を設定する第1のパルス幅設定電流を生成する第1の電流源を備える制御パルス生成回路と、
前記第1のパルス幅設定電流から前記環境温度が上下に変動したことに応じて増減する第2のパルス幅設定電流を生成するパルス幅補正回路と、を有し、
前記制御パルス生成回路は、前記第2のパルス幅設定電流の大きさに応じて前記スイッチング制御信号のパルス幅を決定する請求項1に記載の半導体装置。 The on-time control circuit includes:
A control pulse generation circuit comprising a first current source for generating a first pulse width setting current for setting a pulse width of the switching control signal before correction;
A pulse width correction circuit that generates a second pulse width setting current that increases or decreases in response to the environmental temperature fluctuating up and down from the first pulse width setting current;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the control pulse generation circuit determines a pulse width of the switching control signal in accordance with a magnitude of the second pulse width setting current.
前記第1のパルス幅設定電流が入力される第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタと共にカレントミラー回路を構成し、ゲート幅とゲート長との比により決まるトランジスタサイズが前記第1のトランジスタと異なり、前記第2のパルス幅設定電流を出力する第2のトランジスタと、
を有する請求項9に記載の半導体装置。 The pulse width correction circuit includes:
A first transistor to which the first pulse width setting current is input;
A current mirror circuit is formed together with the first transistor, and a transistor size determined by a ratio of a gate width to a gate length is different from the first transistor, and a second transistor that outputs the second pulse width setting current ,
The semiconductor device according to claim 9.
クロック信号のパルスが入力される毎に前記クロック信号のパルス幅よりも小さなパルス幅を有するパルス信号を生成するワンショットパルス信号を有し、
前記環境温度に関わらず、前記パルス信号のパルス幅を最大パルス幅として前記スイッチング制御信号のパルス幅を制御する請求項11に記載の半導体装置。 The pulse width limiting circuit is
A one-shot pulse signal that generates a pulse signal having a pulse width smaller than the pulse width of the clock signal each time a clock signal pulse is input;
The semiconductor device according to claim 11, wherein the pulse width of the switching control signal is controlled using the pulse width of the pulse signal as a maximum pulse width regardless of the environmental temperature.
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JP2014232467A (en) * | 2013-05-30 | 2014-12-11 | 株式会社 日立パワーデバイス | Current source circuit |
CN113300578A (en) * | 2021-06-29 | 2021-08-24 | 中地装(重庆)地质仪器有限公司 | Constant current power supply driving circuit of electrode system and geophysical prospecting system |
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-
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- 2012-01-30 JP JP2012016500A patent/JP2013158140A/en active Pending
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