ＤＣ／ＤＣコンバータ
【課題】乾電池１本乃至２本程度の低い電圧レベルで動作可能なＭＯＳトランジスタによるＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【解決策】電池からの電力を受けて所定の電圧まで昇圧した電圧の電力を発生して負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、負荷に対して直列あるいは並列に挿入され電池の電源供給ラインに対してスイッチングを行う、寄生バイポーラトランジスタが出力電極側において並列に形成されたＭＯＳトランジスタと、負荷側に出力する電力の一部を受けてこのＭＯＳトランジスタのスイッチングの期間を負荷側の電圧に応じてこの電圧が所定の一定値になるように制御する制御回路と、電池からの電力を受け、制御回路がＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる所定電圧値より負荷の電圧が低いときに、寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて負荷側に昇圧電圧を発生させる起動回路とを備えるものである。
【解決策】電池からの電力を受けて所定の電圧まで昇圧した電圧の電力を発生して負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、負荷に対して直列あるいは並列に挿入され電池の電源供給ラインに対してスイッチングを行う、寄生バイポーラトランジスタが出力電極側において並列に形成されたＭＯＳトランジスタと、負荷側に出力する電力の一部を受けてこのＭＯＳトランジスタのスイッチングの期間を負荷側の電圧に応じてこの電圧が所定の一定値になるように制御する制御回路と、電池からの電力を受け、制御回路がＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる所定電圧値より負荷の電圧が低いときに、寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて負荷側に昇圧電圧を発生させる起動回路とを備えるものである。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータに関し、詳しくは、乾電池１本乃至２本程度で駆動する音響機器、例えば、ポータブルラジオ受信機やＣＤプレーヤ、ポータブル磁気テーププレーヤ、デジタルオーディオプレーヤ、あるいはＰＨＳ、携帯電話機などの電子機器など、乾電池１本乃至２本程度の動作電源電圧を生成する電源回路において、製造が容易で、その消費電力を低減することができるようなＤＣ／ＤＣコンバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】ポータブルＣＤプレーヤあるいはポータブル磁気テーププレーヤなどは、通常、乾電池で駆動され、その本数は、１本から２本程度である。したがって、その電源電圧は、１．２Ｖあるいは２．４Ｖ程度でしかない。しかも、この種のポータブル音響装置には、モータが内蔵され、さらに、各種の操作信号を受けて各種回路を動作させるためにマイクロコントローラ（ＭＰＵ）あるいはマイクロコンピュータ（ＭＣＵ）とＲＯＭ等からなる制御回路を有している。ＰＨＳ、携帯電話機などの携帯用電子機器にあっても、モータは内蔵される換わりにＬＣＤ表示装置等が内蔵され、電源から電力供給する回路としてみた場合には、その構成はほぼ同じと言ってよい。
【０００３】通常、マイクロコントローラとＲＯＭ等の制御回路の動作電圧は、３Ｖ〜５Ｖ程度になる。特に、オーディオ回路は、通常、２．４Ｖ〜３．５Ｖ程度の電源電圧で駆動されるが、モータ駆動回路は、それ以上の電圧が必要になる。ＤＣモータ自体の駆動電圧は、低いものでは、１．２Ｖから２．４Ｖ程度、すなわち、電池１本から２本程度のものであるが、消費電力を低減するために、それを駆動するモータ駆動回路にＭＯＳＦＥＴ回路を用いた場合には高い電圧が必要になる。このようなことから、この種の装置にあっては、１．５Ｖ程度の電圧から所定の電源電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータが電源回路に設けられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】特に、ポータブルＣＤプレーヤあるいはポータブル磁気テーププレーヤ等のオーディオ装置、携帯用電子機器は、長時間駆動が要求されている。長時間駆動を実現するためには内部回路の消費電力の低減を図ることが重要であり、それぞれ低電圧で低電力駆動の回路が開発され、使用されている。また、消費電力の低減の１つとして、この種の装置の電源回路では、無負荷時の消費電力の低減が重要視される。無負荷時の消費電力を抑えるに、通常、電源回路のＤＣ／ＤＣコンバータ等の主要な回路をＣＭＯＳ回路で構成する。これにより、バイポーラトランジスタで構成した回路よりも無負荷時の消費電力を低減することができる。
【０００５】しかし、ＣＭＯＳ回路のＤＣ／ＤＣコンバータは、特別な製造プロセスで製造される場合を除いて、通常の回路では、バイポーラトランジスタよりも動作スレッショルド電圧が高いので、特に、低い電源電圧で動作させることが難しい。このような問題を解決するために、スイッチングレギュレータにおいてＭＯＳトランジスタとバイポーラトランジスタとを並列に設けて、起動時にバイポーラトランジスタをスイッチング駆動して昇圧し、出力側が所定の昇圧電圧になったときにＭＯＳトランジスタを駆動する技術を特開平８−１８６９８０号「ＤＣ／ＤＣコンバータ」として出願人は出願している。しかし、ＭＯＳトランジスタとバイポーラトランジスタとをともにＩＣ化した場合には、製造工程がその分多くなるとともに、スイッチング用のトランジスタの場合には面積が比較的大きいバイポーラトランジスタが必要であり、そのためにＤＣ／ＤＣコンバータの回路占有面積が増加する問題がある。この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、乾電池１本乃至２本程度の低い電圧レベルで動作可能なＭＯＳトランジスタによるＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成するこの発明のＤＣ／ＤＣコンバータの構成は、電池からの電力を受けて所定の電圧まで昇圧した電圧の電力を発生して負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、負荷に対して直列あるいは並列に挿入され電池の電源供給ラインに対してスイッチングを行う、寄生バイポーラトランジスタが出力電極側において並列に形成されたＭＯＳトランジスタと、負荷側に出力する電力の一部を受けてこのＭＯＳトランジスタのスイッチングの期間を負荷側の電圧に応じてこの電圧が所定の一定値になるように制御する制御回路と、電池からの電力を受け、制御回路がＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる所定電圧値より負荷の電圧が低いときに、寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて負荷側に昇圧電圧を発生させる起動回路とを備えるものである。
【０００７】
【作用】このように、負荷に供給する電源電圧がＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる電圧値以下のとき、寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて負荷に供給する昇圧電圧を発生させ、昇圧電圧が本来のＭＯＳトランジスタのＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング制御回路を動作させる電圧になると、寄生バイポーラトランジスタ側のスイッチング動作を停止させてＭＯＳトランジスタをスイッチングしてＤＣ／ＤＣコンバータを動作させるので、定常動作状態においては、無負荷時の電力を従来と同様に抑えることができる。しかも、バイポーラトランジスタは、ＭＯＳトランジスタとともに形成される寄生バイポーラトランジスタであるので、ＩＣ化した場合に占有面積を取らないで済む。なお、起動時の動作は、電圧が低く、短時間の動作であるので、消費電力の増加はほんのわずかである。この場合のＭＯＳトランジスタのＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧電圧を受けて動作するので、従来の高いスレッショルドのものであってもよく、特別の製造プロセスで製造するＣＭＯＳ回路を使用しないでも回路を構成することができる。
【０００８】
【実施例】図１は、この発明のＤＣ／ＤＣコンバータを適用した一実施例の携帯用音響機器の電源回路を中心とするブロック図、図２は、そのスイッチング動作をするＭＯＳトランジスタの断面構造図である。図１において、１は、携帯用の音響機器であり、２は、そのＤＣ／ＤＣコンバータ回路、３は、その入力端子であってスイッチ１５を介して電池１６の正側端子に接続されている。４はその出力端子であって、３．５Ｖの電源供給ライン１８（Ｖcc1 ）に接続されている。入力端子３と出力端子４との間には、電池１６からの電源供給ライン（Ｖcc）１７を経てコイルＬとダイオードＤとが直列に順次接続されている。コイルＬとダイオードＤの接続点と接地間には、ドレイン−ソースの順でｎチャネルＭＯＳＦＥＴのスイッチングトランジスタ５が設けられいて、出力端子４側には、コンデンサＣが出力端子と接地間に設けられている。
【０００９】また、出力端子４と接地間には、抵抗Ｒ1 、Ｒ2 からなる抵抗分圧回路６が設けられていて、その分圧点Ｎの電圧が誤差増幅器７に入力され、基準電圧ＶREFと比較されて、その誤差分が発振／駆動回路８に入力される。発振／駆動回路８は、発振回路８ａとプリドライバー８ｂとにより構成されている。発振回路８ａは、例えば、電圧制御可変周波数発振器（ＶＣＯ）を主体として構成され、誤差分に対応する電圧信号に応じて発振周波数が変化する所定のパルス幅のＯＮ／ＯＦＦパルスを発生し、それをプリドライバー８ｂに送出する。プリドライバー８ｂは、それを増幅して駆動パルス（ＨＩＧＨレベルとＬＯＷレベルに変化するパルス）を発生し、それをスイッチングトランジスタ５のゲート電極に送出する。そこで、発振／駆動回路８の出力信号に応じてトランジスタ５がＯＮ／ＯＦＦしてこのスイッチングによりコイルＬに発生するフライバック電圧が順方向に挿入されたダイオードＤに加えられこれを介してコンデンサＣが充電されて昇圧電圧が出力端子４に発生する。
【００１０】ここで、誤差信号による発振／駆動回路８の周波数は、出力端子４の電圧が誤差を発生しないような方向の電圧になるように変化する。すなわち、出力端子４の電圧が所定の一定値Ｖoより低いときには、その周波数は基準発振周波数より高くなり、高いときにはその周波数は基準発振周波数より低くなる。その結果として、出力端子４の電圧は、分圧点Ｎの電圧が基準電圧ＶRに一致するような所定の一定電圧Ｖo（目標となる出力電圧）に制御される。ここで、誤差増幅器７と発振／駆動回路８とは、出力端子４から電力（電圧Ｖcc1）を切換回路１０を介して受け、出力端子４の電圧を電源電圧として動作する。しかし、出力端子４側の電圧である電源供給ライン（Ｖcc1 ）１８がこれら回路が動作できる電圧ＶS以上になるまでは切換回路１０は、電源供給ライン（Ｖcc）１７への切換えを行わない（後述）。
【００１１】９は、発振／起動回路であって、起動用発振回路９ａとプリドライバー９ｂとからなる。発振／起動回路９は、装置の起動時にスイッチ１５を介して乾電池１６から電力の供給を切換回路１０を介して受けてスイッチングトランジスタ５とともに形成されるｎｐｎの寄生バイポーラトランジスタ５ａをＯＮ／ＯＦＦする。バイポーラトランジスタ５ａがＯＮ／ＯＦＦするためのスレッショルド電圧は、０．５〜０．８程度であり、１．５Ｖの電源電圧で動作する発振／起動回路９の出力でこれをＯＮ／ＯＦＦ制御することができる。その結果、出力端子４には、前記と同様に昇圧された電圧が発生する。なお、乾電池１６の＋側に直列に挿入された電源スイッチ１５は、電源が投入されたときにはＯＮになるマニュアルスイッチである。
【００１２】切換回路１０は、コンパレータ（ＣＯＭ）１０ａとスイッチＳＷ１０ｂとで構成され、電源供給ライン（Ｖcc1）１８と電池１６の電力供給ラインである電源供給ライン（Ｖcc）１７とに接続されていて、電力供給の切換えを行う。起動時にはスイッチＳＷ１０ｂが電源供給ライン（Ｖcc）１７（スイッチ１５側）に切換えられていて発振／起動回路９側に電池１６の電力が供給される。この状態がスイッチＳＷ１０ｂがＯＦＦの状態であり、それは、コンパレータ（ＣＯＭ）１０の電圧検出出力がないことによる。そこで、発振／起動回路９は、電源スイッチ１５がＯＮする電源投入時から乾電池１６の電力により動作する。コンパレータ１０ａは、電源供給ライン（Ｖcc1）１８を受けて出力端子４の電圧と比較電圧ＶSRとを比較して比較電圧ＶSR以上になったときにスイッチＳＷ１０ａをＯＮさせてその接続を電力を供給を電源供給ライン（Ｖcc1）１8側に切換えて誤差増幅器７と発振／駆動回路８側に供給する。このときには、発振／起動回路９側への電力供給は遮断される。そこで、発振／起動回路９の動作が停止する。ただし、この比較電圧ＶSRは、前記した誤差増幅器７と発振／駆動回路８が動作する電圧ＶS 以上であって前記一定電圧Ｖoより低い値である（ＶS ＜＝ＶSR＜Ｖo）。なお、発振／起動回路９が動作を停止したときには、その出力がＬＯＷレベルになりバイポーラトランジスタ５ａのベース（ＭＯＳトランジスタ５のバックゲート）は、グランド電位（ＧＮＤ）になり、このバイポーラトランジスタ５ａはＯＦＦ状態に維持される。
【００１３】これとは別に、携帯用音響機器では、このＤＣ／ＤＣコンバータ２から電力供給を受けるオーディオ信号処理回路１１とＤＣモータ駆動回路（出力回路）１２、そして、マイクロコントローラとＲＯＭ等からなる制御回路１３等が設けられている。なお、ここでのＤＣ／ＤＣコンバータ２は、単独でワンチップ化されるが、前記のオーディオ信号処理回路１１とＤＣモータ駆動回路（出力回路）１２、そして、マイクロコントローラとＲＯＭ等からなる制御回路１３等の一部の回路とともにワンチップ化されてもよい。
【００１４】図２は、ｎｐｎの寄生バイポーラトランジスタ５ａを有するｎチャネルのスイッチングＭＯＳＦＥＴトランジスタ５の断面構造図である。この図２の各部の符号を参照して図３によりその製造工程について簡単に説明する。図２のＭＯＳトランジスタ５は、図３に示されるように、Ｐ−sub（Ｐ型サブストレート）半導体基板（以下基板）２０（図２参照。以下同じ）にＮ+の埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１を形成してそれを熱拡散させ、埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１の上部にＰ領域２２を形成するために埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１の表面側にＰ+打込みあるいは塗布する。このときと同時に埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１に隣接してこれの周囲にＰアイソレーション（素子分離層ＩＳＯ）を形成するためにその領域にもＰ+イオンを打込みあるいは塗布する（工程（Ａ））。次に、Ｐのエピタキシャル成長（Ｅｐｉ）により、埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１と素子分離のための立上げＰ層（Ｌ／Ｉ）、そして埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１の上部に立上げたＰ領域（Ｌ／Ｉ）をそれぞれ形成する（工程（Ｂ））。次に、Ｐ領域２２として形成される領域に対応するＰ領域（Ｌ／Ｉ）と、Ｐ−sub基板２０上のＰアイソレーション形成領域とを除いた部分の表面を酸化膜で覆って、前記の各領域上部にＰ+打込みあるいは塗布し、さらにＰ領域（Ｌ／Ｉ）の周囲表面を除いて酸化膜で覆ってＰ領域（Ｌ／Ｉ）の周囲表面にＮ+イオンを打込みあるいは塗布する。その後に熱拡散させてＮ+イオンを打込んだ領域をＮ+のコレクタウオール（Ｃ／Ｗ）２３とし、その外側にＰアイソレーション（ＩＳＯ）、そしてＰ領域（Ｌ／Ｉ）領域の上部にＰアイソレーション（ＩＳＯ）と同じ層をそれぞれ形成する（工程（Ｃ））。これによりＰ領域２２が形成され、形成されたＰ領域２２は、このコレクタウオールとしての拡散分離領域２３がＰ領域２２に対して平面からみて円形あるいは矩形の側面外周のウオールとなり、Ｎ+の埋込み層２１が底面となるウエル領域として形成される。
【００１５】このＰ領域２２のウエル領域の上部表面には、Ｎ+のドレイン領域２４、そしてＮ+のソース領域２５が形成され、ｎチャネル形成領域を挟んで形成される。さらに、ドレイン領域２４に隣接してＰ+のバックゲート取出領域２６が形成される（工程（Ｄ））。そして、図２に示すように、それぞれの領域には、さらに上部にトランジスタとして電極が取り出されるＡｌの金属配線層２４ａ、２５ａ、２６ａが形成される。なお、２７は、金属酸化膜であり、２８は、その上部に設けられたゲート電極である。また、コレクターウオールのＰ+領域２３の上部にはＰ+の取出領域２３ｂが形成されている。２９は、絶縁酸化膜であり、３０は、ＰＳＧの層間絶縁幕である。なお、図２では素子分離層（ＩＳＯ）は図示されていない。図２に点線で示すように、寄生バイポーラトランジスタ５ａの構造は、ｎｐｎトランジスタとしてラテラルトランジスタの一般的な構造のものが形成される。すなわち、点線で示すように、ドレイン領域２４をコレクタとし、ソース領域２５をエミッタとし、バックゲート取出領域をベース取出領域としてドレイン領域２４とソース領域２５との間に形成されたＰ-領域をベースとした寄生トランジスタが形成される。
【００１６】次にこのＤＣ／ＤＣコンバータの全体的な動作を説明する。電源スイッチ１５が投入されると、切換回路１０を介して発振／起動回路９に電池から電力が供給されて、この回路の発振出力により寄生バイポーラトランジスタ５ａがＯＮ／ＯＦＦされて、出力端子４に昇圧電圧が発生してこの電圧が上昇して電圧がＶSR以上になると、切換回路１０が前記した電力供給の切換を行い、誤差増幅器７と発振／駆動回路８とが動作してＭＯＳトランジスタ５がＯＮ／ＯＦＦして出力電圧Ｖoに向かって上昇する電圧が発生する。そして、出力端子４の電圧がＶSR以上になったときには発振／起動回路９の動作が停止してバイポーラトランジスタ５ａがＯＦＦして、その動作が停止する。このとき、ＭＯＳトランジスタ５のバックゲートは、ソース電極と同じようにグランドＧＮＤラインに接続される。そして、出力端子４の電圧の上昇に応じて誤差増幅器７からの誤差信号が発生し、これによりＯＮ／ＯＦＦ駆動パルスの周波数がＭＯＳトランジスタ５のＯＮ／ＯＦＦが制御されて、出力電圧が一定電圧Ｖoになるように制御される。
【００１７】以上説明してきたが、発振／起動回路９は、発振回路としてリング発振回路をであってもよく、また、発振／駆動回路８はＰＷＭ制御回路であってもよい。リング発振回路（半導体の発振回路）は、いわゆるシフトレジスタで構成されるリングカウンタにより１ビットをシフトさせて所定の周期でパルスを発生する。また、ＰＷＭ制御回路を使用することきに、誤差信号に応じたパルス幅のパルスが発生してトランジスタ５ａのＯＮ／ＯＦＦが制御される。これにより出力電圧が基準電出力電圧になるようにＰＷＭスイッチングレギュレーション制御を行う。このようなＰＷＭ制御回路は、通常、三角波発生回路とコンパレータで構成することができる。
【００１８】実施例では、寄生バイポーラトランジスタ５ａを有するＭＯＳトランジスタ５が負荷に対して並列に挿入されているが、このＭＯＳトランジスタを負荷に対して直列に設けてもよいことはもちろんである。また、ＭＯＳトランジスタは、ｎチャネルの例を挙げているが、ｐチャネルのものであってもよいことはもちろんである。
【００１９】
【発明の効果】以上説明してきたように、この発明にあっては、負荷に供給する電源電圧がＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる電圧値以下のとき、寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて負荷に供給する昇圧電圧を発生させ、昇圧電圧が本来のＭＯＳトランジスタのＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング制御回路を動作させる電圧になると、寄生バイポーラトランジスタ側のスイッチング動作を停止させてＭＯＳトランジスタをスイッチングしてＤＣ／ＤＣコンバータを動作させるので、定常動作状態においては、無負荷時の電力を従来と同様に抑えることができる。しかも、バイポーラトランジスタは、ＭＯＳトランジスタとともに形成される寄生バイポーラトランジスタであるので、ＩＣ化した場合に占有面積を取らないで済む。この場合のＭＯＳトランジスタのＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧電圧を受けて動作するので、従来の高いスレッショルドのものであってもよく、特別の製造プロセスで製造するＣＭＯＳ回路を使用しないでも回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明のＤＣ／ＤＣコンバータを適用した一実施例の携帯用音響機器の電源回路を中心とするブロック図である。
【図２】図２は、そのスイッチング動作をするＭＯＳトランジスタの断面構造図である。
【図３】図３は、図２の断面構造を持つ半導体装置の製造工程についての説明図である。
【符号の説明】
１…携帯用の音響機器、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、３…入力端子、４…出力端子、５…スイッチングトランジスタ、６…抵抗分圧回路、７…誤差増幅器、８…発振／駆動回路、８ａ…発振回路、８ｂ…プリドライバー、９…発振／起動回路、１０…コンパレータ、９ａ…起動用発振回路、９ｂ…プリドライバー、１１…オーディオ信号処理回路、１２…ＤＣモータ駆動回路、１３…制御回路、１５…電源スイッチ、１６…電池、５…ｎチャネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ、５ａ…ｎｐｎバイポーラトランジスタ。
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータに関し、詳しくは、乾電池１本乃至２本程度で駆動する音響機器、例えば、ポータブルラジオ受信機やＣＤプレーヤ、ポータブル磁気テーププレーヤ、デジタルオーディオプレーヤ、あるいはＰＨＳ、携帯電話機などの電子機器など、乾電池１本乃至２本程度の動作電源電圧を生成する電源回路において、製造が容易で、その消費電力を低減することができるようなＤＣ／ＤＣコンバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】ポータブルＣＤプレーヤあるいはポータブル磁気テーププレーヤなどは、通常、乾電池で駆動され、その本数は、１本から２本程度である。したがって、その電源電圧は、１．２Ｖあるいは２．４Ｖ程度でしかない。しかも、この種のポータブル音響装置には、モータが内蔵され、さらに、各種の操作信号を受けて各種回路を動作させるためにマイクロコントローラ（ＭＰＵ）あるいはマイクロコンピュータ（ＭＣＵ）とＲＯＭ等からなる制御回路を有している。ＰＨＳ、携帯電話機などの携帯用電子機器にあっても、モータは内蔵される換わりにＬＣＤ表示装置等が内蔵され、電源から電力供給する回路としてみた場合には、その構成はほぼ同じと言ってよい。
【０００３】通常、マイクロコントローラとＲＯＭ等の制御回路の動作電圧は、３Ｖ〜５Ｖ程度になる。特に、オーディオ回路は、通常、２．４Ｖ〜３．５Ｖ程度の電源電圧で駆動されるが、モータ駆動回路は、それ以上の電圧が必要になる。ＤＣモータ自体の駆動電圧は、低いものでは、１．２Ｖから２．４Ｖ程度、すなわち、電池１本から２本程度のものであるが、消費電力を低減するために、それを駆動するモータ駆動回路にＭＯＳＦＥＴ回路を用いた場合には高い電圧が必要になる。このようなことから、この種の装置にあっては、１．５Ｖ程度の電圧から所定の電源電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータが電源回路に設けられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】特に、ポータブルＣＤプレーヤあるいはポータブル磁気テーププレーヤ等のオーディオ装置、携帯用電子機器は、長時間駆動が要求されている。長時間駆動を実現するためには内部回路の消費電力の低減を図ることが重要であり、それぞれ低電圧で低電力駆動の回路が開発され、使用されている。また、消費電力の低減の１つとして、この種の装置の電源回路では、無負荷時の消費電力の低減が重要視される。無負荷時の消費電力を抑えるに、通常、電源回路のＤＣ／ＤＣコンバータ等の主要な回路をＣＭＯＳ回路で構成する。これにより、バイポーラトランジスタで構成した回路よりも無負荷時の消費電力を低減することができる。
【０００５】しかし、ＣＭＯＳ回路のＤＣ／ＤＣコンバータは、特別な製造プロセスで製造される場合を除いて、通常の回路では、バイポーラトランジスタよりも動作スレッショルド電圧が高いので、特に、低い電源電圧で動作させることが難しい。このような問題を解決するために、スイッチングレギュレータにおいてＭＯＳトランジスタとバイポーラトランジスタとを並列に設けて、起動時にバイポーラトランジスタをスイッチング駆動して昇圧し、出力側が所定の昇圧電圧になったときにＭＯＳトランジスタを駆動する技術を特開平８−１８６９８０号「ＤＣ／ＤＣコンバータ」として出願人は出願している。しかし、ＭＯＳトランジスタとバイポーラトランジスタとをともにＩＣ化した場合には、製造工程がその分多くなるとともに、スイッチング用のトランジスタの場合には面積が比較的大きいバイポーラトランジスタが必要であり、そのためにＤＣ／ＤＣコンバータの回路占有面積が増加する問題がある。この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、乾電池１本乃至２本程度の低い電圧レベルで動作可能なＭＯＳトランジスタによるＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成するこの発明のＤＣ／ＤＣコンバータの構成は、電池からの電力を受けて所定の電圧まで昇圧した電圧の電力を発生して負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、負荷に対して直列あるいは並列に挿入され電池の電源供給ラインに対してスイッチングを行う、寄生バイポーラトランジスタが出力電極側において並列に形成されたＭＯＳトランジスタと、負荷側に出力する電力の一部を受けてこのＭＯＳトランジスタのスイッチングの期間を負荷側の電圧に応じてこの電圧が所定の一定値になるように制御する制御回路と、電池からの電力を受け、制御回路がＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる所定電圧値より負荷の電圧が低いときに、寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて負荷側に昇圧電圧を発生させる起動回路とを備えるものである。
【０００７】
【作用】このように、負荷に供給する電源電圧がＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる電圧値以下のとき、寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて負荷に供給する昇圧電圧を発生させ、昇圧電圧が本来のＭＯＳトランジスタのＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング制御回路を動作させる電圧になると、寄生バイポーラトランジスタ側のスイッチング動作を停止させてＭＯＳトランジスタをスイッチングしてＤＣ／ＤＣコンバータを動作させるので、定常動作状態においては、無負荷時の電力を従来と同様に抑えることができる。しかも、バイポーラトランジスタは、ＭＯＳトランジスタとともに形成される寄生バイポーラトランジスタであるので、ＩＣ化した場合に占有面積を取らないで済む。なお、起動時の動作は、電圧が低く、短時間の動作であるので、消費電力の増加はほんのわずかである。この場合のＭＯＳトランジスタのＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧電圧を受けて動作するので、従来の高いスレッショルドのものであってもよく、特別の製造プロセスで製造するＣＭＯＳ回路を使用しないでも回路を構成することができる。
【０００８】
【実施例】図１は、この発明のＤＣ／ＤＣコンバータを適用した一実施例の携帯用音響機器の電源回路を中心とするブロック図、図２は、そのスイッチング動作をするＭＯＳトランジスタの断面構造図である。図１において、１は、携帯用の音響機器であり、２は、そのＤＣ／ＤＣコンバータ回路、３は、その入力端子であってスイッチ１５を介して電池１６の正側端子に接続されている。４はその出力端子であって、３．５Ｖの電源供給ライン１８（Ｖcc1 ）に接続されている。入力端子３と出力端子４との間には、電池１６からの電源供給ライン（Ｖcc）１７を経てコイルＬとダイオードＤとが直列に順次接続されている。コイルＬとダイオードＤの接続点と接地間には、ドレイン−ソースの順でｎチャネルＭＯＳＦＥＴのスイッチングトランジスタ５が設けられいて、出力端子４側には、コンデンサＣが出力端子と接地間に設けられている。
【０００９】また、出力端子４と接地間には、抵抗Ｒ1 、Ｒ2 からなる抵抗分圧回路６が設けられていて、その分圧点Ｎの電圧が誤差増幅器７に入力され、基準電圧ＶREFと比較されて、その誤差分が発振／駆動回路８に入力される。発振／駆動回路８は、発振回路８ａとプリドライバー８ｂとにより構成されている。発振回路８ａは、例えば、電圧制御可変周波数発振器（ＶＣＯ）を主体として構成され、誤差分に対応する電圧信号に応じて発振周波数が変化する所定のパルス幅のＯＮ／ＯＦＦパルスを発生し、それをプリドライバー８ｂに送出する。プリドライバー８ｂは、それを増幅して駆動パルス（ＨＩＧＨレベルとＬＯＷレベルに変化するパルス）を発生し、それをスイッチングトランジスタ５のゲート電極に送出する。そこで、発振／駆動回路８の出力信号に応じてトランジスタ５がＯＮ／ＯＦＦしてこのスイッチングによりコイルＬに発生するフライバック電圧が順方向に挿入されたダイオードＤに加えられこれを介してコンデンサＣが充電されて昇圧電圧が出力端子４に発生する。
【００１０】ここで、誤差信号による発振／駆動回路８の周波数は、出力端子４の電圧が誤差を発生しないような方向の電圧になるように変化する。すなわち、出力端子４の電圧が所定の一定値Ｖoより低いときには、その周波数は基準発振周波数より高くなり、高いときにはその周波数は基準発振周波数より低くなる。その結果として、出力端子４の電圧は、分圧点Ｎの電圧が基準電圧ＶRに一致するような所定の一定電圧Ｖo（目標となる出力電圧）に制御される。ここで、誤差増幅器７と発振／駆動回路８とは、出力端子４から電力（電圧Ｖcc1）を切換回路１０を介して受け、出力端子４の電圧を電源電圧として動作する。しかし、出力端子４側の電圧である電源供給ライン（Ｖcc1 ）１８がこれら回路が動作できる電圧ＶS以上になるまでは切換回路１０は、電源供給ライン（Ｖcc）１７への切換えを行わない（後述）。
【００１１】９は、発振／起動回路であって、起動用発振回路９ａとプリドライバー９ｂとからなる。発振／起動回路９は、装置の起動時にスイッチ１５を介して乾電池１６から電力の供給を切換回路１０を介して受けてスイッチングトランジスタ５とともに形成されるｎｐｎの寄生バイポーラトランジスタ５ａをＯＮ／ＯＦＦする。バイポーラトランジスタ５ａがＯＮ／ＯＦＦするためのスレッショルド電圧は、０．５〜０．８程度であり、１．５Ｖの電源電圧で動作する発振／起動回路９の出力でこれをＯＮ／ＯＦＦ制御することができる。その結果、出力端子４には、前記と同様に昇圧された電圧が発生する。なお、乾電池１６の＋側に直列に挿入された電源スイッチ１５は、電源が投入されたときにはＯＮになるマニュアルスイッチである。
【００１２】切換回路１０は、コンパレータ（ＣＯＭ）１０ａとスイッチＳＷ１０ｂとで構成され、電源供給ライン（Ｖcc1）１８と電池１６の電力供給ラインである電源供給ライン（Ｖcc）１７とに接続されていて、電力供給の切換えを行う。起動時にはスイッチＳＷ１０ｂが電源供給ライン（Ｖcc）１７（スイッチ１５側）に切換えられていて発振／起動回路９側に電池１６の電力が供給される。この状態がスイッチＳＷ１０ｂがＯＦＦの状態であり、それは、コンパレータ（ＣＯＭ）１０の電圧検出出力がないことによる。そこで、発振／起動回路９は、電源スイッチ１５がＯＮする電源投入時から乾電池１６の電力により動作する。コンパレータ１０ａは、電源供給ライン（Ｖcc1）１８を受けて出力端子４の電圧と比較電圧ＶSRとを比較して比較電圧ＶSR以上になったときにスイッチＳＷ１０ａをＯＮさせてその接続を電力を供給を電源供給ライン（Ｖcc1）１8側に切換えて誤差増幅器７と発振／駆動回路８側に供給する。このときには、発振／起動回路９側への電力供給は遮断される。そこで、発振／起動回路９の動作が停止する。ただし、この比較電圧ＶSRは、前記した誤差増幅器７と発振／駆動回路８が動作する電圧ＶS 以上であって前記一定電圧Ｖoより低い値である（ＶS ＜＝ＶSR＜Ｖo）。なお、発振／起動回路９が動作を停止したときには、その出力がＬＯＷレベルになりバイポーラトランジスタ５ａのベース（ＭＯＳトランジスタ５のバックゲート）は、グランド電位（ＧＮＤ）になり、このバイポーラトランジスタ５ａはＯＦＦ状態に維持される。
【００１３】これとは別に、携帯用音響機器では、このＤＣ／ＤＣコンバータ２から電力供給を受けるオーディオ信号処理回路１１とＤＣモータ駆動回路（出力回路）１２、そして、マイクロコントローラとＲＯＭ等からなる制御回路１３等が設けられている。なお、ここでのＤＣ／ＤＣコンバータ２は、単独でワンチップ化されるが、前記のオーディオ信号処理回路１１とＤＣモータ駆動回路（出力回路）１２、そして、マイクロコントローラとＲＯＭ等からなる制御回路１３等の一部の回路とともにワンチップ化されてもよい。
【００１４】図２は、ｎｐｎの寄生バイポーラトランジスタ５ａを有するｎチャネルのスイッチングＭＯＳＦＥＴトランジスタ５の断面構造図である。この図２の各部の符号を参照して図３によりその製造工程について簡単に説明する。図２のＭＯＳトランジスタ５は、図３に示されるように、Ｐ−sub（Ｐ型サブストレート）半導体基板（以下基板）２０（図２参照。以下同じ）にＮ+の埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１を形成してそれを熱拡散させ、埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１の上部にＰ領域２２を形成するために埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１の表面側にＰ+打込みあるいは塗布する。このときと同時に埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１に隣接してこれの周囲にＰアイソレーション（素子分離層ＩＳＯ）を形成するためにその領域にもＰ+イオンを打込みあるいは塗布する（工程（Ａ））。次に、Ｐのエピタキシャル成長（Ｅｐｉ）により、埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１と素子分離のための立上げＰ層（Ｌ／Ｉ）、そして埋込み層（Ｂ／Ｌ）２１の上部に立上げたＰ領域（Ｌ／Ｉ）をそれぞれ形成する（工程（Ｂ））。次に、Ｐ領域２２として形成される領域に対応するＰ領域（Ｌ／Ｉ）と、Ｐ−sub基板２０上のＰアイソレーション形成領域とを除いた部分の表面を酸化膜で覆って、前記の各領域上部にＰ+打込みあるいは塗布し、さらにＰ領域（Ｌ／Ｉ）の周囲表面を除いて酸化膜で覆ってＰ領域（Ｌ／Ｉ）の周囲表面にＮ+イオンを打込みあるいは塗布する。その後に熱拡散させてＮ+イオンを打込んだ領域をＮ+のコレクタウオール（Ｃ／Ｗ）２３とし、その外側にＰアイソレーション（ＩＳＯ）、そしてＰ領域（Ｌ／Ｉ）領域の上部にＰアイソレーション（ＩＳＯ）と同じ層をそれぞれ形成する（工程（Ｃ））。これによりＰ領域２２が形成され、形成されたＰ領域２２は、このコレクタウオールとしての拡散分離領域２３がＰ領域２２に対して平面からみて円形あるいは矩形の側面外周のウオールとなり、Ｎ+の埋込み層２１が底面となるウエル領域として形成される。
【００１５】このＰ領域２２のウエル領域の上部表面には、Ｎ+のドレイン領域２４、そしてＮ+のソース領域２５が形成され、ｎチャネル形成領域を挟んで形成される。さらに、ドレイン領域２４に隣接してＰ+のバックゲート取出領域２６が形成される（工程（Ｄ））。そして、図２に示すように、それぞれの領域には、さらに上部にトランジスタとして電極が取り出されるＡｌの金属配線層２４ａ、２５ａ、２６ａが形成される。なお、２７は、金属酸化膜であり、２８は、その上部に設けられたゲート電極である。また、コレクターウオールのＰ+領域２３の上部にはＰ+の取出領域２３ｂが形成されている。２９は、絶縁酸化膜であり、３０は、ＰＳＧの層間絶縁幕である。なお、図２では素子分離層（ＩＳＯ）は図示されていない。図２に点線で示すように、寄生バイポーラトランジスタ５ａの構造は、ｎｐｎトランジスタとしてラテラルトランジスタの一般的な構造のものが形成される。すなわち、点線で示すように、ドレイン領域２４をコレクタとし、ソース領域２５をエミッタとし、バックゲート取出領域をベース取出領域としてドレイン領域２４とソース領域２５との間に形成されたＰ-領域をベースとした寄生トランジスタが形成される。
【００１６】次にこのＤＣ／ＤＣコンバータの全体的な動作を説明する。電源スイッチ１５が投入されると、切換回路１０を介して発振／起動回路９に電池から電力が供給されて、この回路の発振出力により寄生バイポーラトランジスタ５ａがＯＮ／ＯＦＦされて、出力端子４に昇圧電圧が発生してこの電圧が上昇して電圧がＶSR以上になると、切換回路１０が前記した電力供給の切換を行い、誤差増幅器７と発振／駆動回路８とが動作してＭＯＳトランジスタ５がＯＮ／ＯＦＦして出力電圧Ｖoに向かって上昇する電圧が発生する。そして、出力端子４の電圧がＶSR以上になったときには発振／起動回路９の動作が停止してバイポーラトランジスタ５ａがＯＦＦして、その動作が停止する。このとき、ＭＯＳトランジスタ５のバックゲートは、ソース電極と同じようにグランドＧＮＤラインに接続される。そして、出力端子４の電圧の上昇に応じて誤差増幅器７からの誤差信号が発生し、これによりＯＮ／ＯＦＦ駆動パルスの周波数がＭＯＳトランジスタ５のＯＮ／ＯＦＦが制御されて、出力電圧が一定電圧Ｖoになるように制御される。
【００１７】以上説明してきたが、発振／起動回路９は、発振回路としてリング発振回路をであってもよく、また、発振／駆動回路８はＰＷＭ制御回路であってもよい。リング発振回路（半導体の発振回路）は、いわゆるシフトレジスタで構成されるリングカウンタにより１ビットをシフトさせて所定の周期でパルスを発生する。また、ＰＷＭ制御回路を使用することきに、誤差信号に応じたパルス幅のパルスが発生してトランジスタ５ａのＯＮ／ＯＦＦが制御される。これにより出力電圧が基準電出力電圧になるようにＰＷＭスイッチングレギュレーション制御を行う。このようなＰＷＭ制御回路は、通常、三角波発生回路とコンパレータで構成することができる。
【００１８】実施例では、寄生バイポーラトランジスタ５ａを有するＭＯＳトランジスタ５が負荷に対して並列に挿入されているが、このＭＯＳトランジスタを負荷に対して直列に設けてもよいことはもちろんである。また、ＭＯＳトランジスタは、ｎチャネルの例を挙げているが、ｐチャネルのものであってもよいことはもちろんである。
【００１９】
【発明の効果】以上説明してきたように、この発明にあっては、負荷に供給する電源電圧がＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる電圧値以下のとき、寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて負荷に供給する昇圧電圧を発生させ、昇圧電圧が本来のＭＯＳトランジスタのＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング制御回路を動作させる電圧になると、寄生バイポーラトランジスタ側のスイッチング動作を停止させてＭＯＳトランジスタをスイッチングしてＤＣ／ＤＣコンバータを動作させるので、定常動作状態においては、無負荷時の電力を従来と同様に抑えることができる。しかも、バイポーラトランジスタは、ＭＯＳトランジスタとともに形成される寄生バイポーラトランジスタであるので、ＩＣ化した場合に占有面積を取らないで済む。この場合のＭＯＳトランジスタのＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧電圧を受けて動作するので、従来の高いスレッショルドのものであってもよく、特別の製造プロセスで製造するＣＭＯＳ回路を使用しないでも回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明のＤＣ／ＤＣコンバータを適用した一実施例の携帯用音響機器の電源回路を中心とするブロック図である。
【図２】図２は、そのスイッチング動作をするＭＯＳトランジスタの断面構造図である。
【図３】図３は、図２の断面構造を持つ半導体装置の製造工程についての説明図である。
【符号の説明】
１…携帯用の音響機器、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、３…入力端子、４…出力端子、５…スイッチングトランジスタ、６…抵抗分圧回路、７…誤差増幅器、８…発振／駆動回路、８ａ…発振回路、８ｂ…プリドライバー、９…発振／起動回路、１０…コンパレータ、９ａ…起動用発振回路、９ｂ…プリドライバー、１１…オーディオ信号処理回路、１２…ＤＣモータ駆動回路、１３…制御回路、１５…電源スイッチ、１６…電池、５…ｎチャネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ、５ａ…ｎｐｎバイポーラトランジスタ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】電池からの電力を受けて所定の電圧まで昇圧した電圧の電力を発生して負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記負荷に対して直列あるいは並列に挿入され前記電池の電源供給ラインに対してスイッチングを行う、寄生バイポーラトランジスタが出力電極側において並列に形成されたＭＯＳトランジスタと、前記負荷側に出力する電力の一部を受けてこのＭＯＳトランジスタのスイッチングの期間を前記負荷側の電圧に応じてこの電圧が所定の一定値になるように制御する制御回路と、前記電池からの電力を受け、前記制御回路が前記ＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる所定電圧値より前記負荷の電圧が低いときに、前記寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて前記負荷側に昇圧電圧を発生させる起動回路とを備えるＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】前記ＭＯＳトランジスタは、コレクタウオールと埋込み層とにより囲まれた画成領域にソース領域とドレイン領域とが隣接して形成され、バックゲートの取出領域が前記ソース領域に隣接して形成され、前記ソース領域が前記寄生バイポーラトランジスタのコレクタとなり、前記ドレイン領域が前記寄生バイポーラトランジスタのエミッタとなり、前記バックゲートがベース電極とされる請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１】電池からの電力を受けて所定の電圧まで昇圧した電圧の電力を発生して負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記負荷に対して直列あるいは並列に挿入され前記電池の電源供給ラインに対してスイッチングを行う、寄生バイポーラトランジスタが出力電極側において並列に形成されたＭＯＳトランジスタと、前記負荷側に出力する電力の一部を受けてこのＭＯＳトランジスタのスイッチングの期間を前記負荷側の電圧に応じてこの電圧が所定の一定値になるように制御する制御回路と、前記電池からの電力を受け、前記制御回路が前記ＭＯＳトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることができる所定電圧値より前記負荷の電圧が低いときに、前記寄生バイポーラトランジスタをスイッチングさせて前記負荷側に昇圧電圧を発生させる起動回路とを備えるＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】前記ＭＯＳトランジスタは、コレクタウオールと埋込み層とにより囲まれた画成領域にソース領域とドレイン領域とが隣接して形成され、バックゲートの取出領域が前記ソース領域に隣接して形成され、前記ソース領域が前記寄生バイポーラトランジスタのコレクタとなり、前記ドレイン領域が前記寄生バイポーラトランジスタのエミッタとなり、前記バックゲートがベース電極とされる請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００１−２５１８４９（Ｐ２００１−２５１８４９Ａ）
【公開日】平成１３年９月１４日（２００１．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−５９２７５（Ｐ２０００−５９２７５）
【出願日】平成１２年３月３日（２０００．３．３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１３年９月１４日（２００１．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年３月３日（２０００．３．３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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