JP2007104894A - 確定負荷からのフィードフォワード情報に応答する電圧調整システム - Google Patents

Abstract

【課題】出力電圧を調整して厳格な許容範囲内に維持し、かつ負荷電流の著しい変化に対応することができる電圧調整装置を提供する
【解決手段】フィードフォワード回路は、電圧調整システムの外部のソースから発生した入力信号に応答してフィードフォワード信号を提供する。電圧調整装置１０１は、それらの出力を調整することによって予兆情報に積極的に応答し、これによって動的負荷１０５に対する調整許容範囲を向上させる。例として、フィードフォワード情報は負荷に影響を及ぼす複数の確定的イベントを示す信号を含んでいてもよい。前記複数のイベントからの信号は合計され、フィードフォワード項１０３を発生させる。もう１つの例として、電圧調整装置１０１が、外部確定情報に加えて、調整装置内部からのフィードバック情報及びフィードフォワード情報に応答することも可能である。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は電圧調整システムに係わるものであり、より具体的には、負荷電流の確定変化を示すフィードフォワード情報に応答する電圧調整システムに関するものである。

電圧調整装置は、入力電圧源からの負荷に対して実質的に一定の出力電圧を発生させる回路である。電圧調整装置の２つのタイプとして、スイッチング電圧調整装置及びリニア電圧調整装置がある。リニア電圧調整装置においては、パス用素子（例えばトランジスタ）は入力電圧源と負荷との間で直列連結される。リニア電圧調整装置は、パス用素子を流れる電流及び／あるいはパス用素子の両端に発生する電圧を制御し、出力電圧を一定に維持する。前記調整装置のその他の可能な形態としては、出力電圧に加えて出力電流をも調整する装置が考えられる。

スイッチング電圧調整装置においては、スイッチ（例えばトランジスタ）は入力電圧源と負荷との間で直列連結される。電圧調整装置はスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して出力電流あるいは出力電圧あるいはその両方を調整し、出力電圧を一定のレベルに維持する。電圧調整装置は、負荷電流の変化する条件下で稼動し、出力電圧を所定の許容範囲内に維持するよう設計されている。電圧調整装置の一般的な設計目標は、実際の出力電圧と所望の出力電圧との間の誤差を最小化することである。実際の出力電圧と所望の出力電圧との間の誤差は調整誤差と呼ばれる。

フィードバック技術は、調整誤差を低減させるための最も一般的な方法である。フィードバック技術を伴う電圧調整装置においては、出力からの信号が調整装置にフィードバックされ、続いて負荷に対して発生する電流あるいは電圧あるいはその両方を制御するために用いられる。フィードバック制御は反応型の制御であるため、出力電圧あるいは出力電流は、調整装置がそれに応答して補正する前に必ず偏差を伴う。しかし負荷電流に著しい変化が生じた場合、調整装置が応答して出力電圧を回復させる前に、出力電圧の偏差が許容作動電圧限度をはるかに上回るほど大きくなってしまう可能性もある。

実現可能な解決の方法の１つとして、電圧調整装置制御システムの帯域幅を増大させ、調整誤差に、より迅速に反応できるようにする方法が挙げられる。スイッチング電圧調整装置のためのこの解決方法のマイナス面は、調整装置の効率性の損失、ワット損の増大、ノイズマージンの損失、過渡応答性の最適なレベルに及ばなくなる、等である。

その他の解決方法として、多相電圧調整装置の使用が挙げられる。多相スイッチング電圧調整装置のマイナス面は、コスト及び電子部品の数を増大させる点である。その他の解決方法としてリニア調整装置の使用が挙げられる。しかし、リニア調整装置は効率性の面でスイッチング電圧調整装置を下回り、ワット損を増大させる。これらの問題は、リニア調整装置がパス用素子をリニア領域にて動かし、かつパス用素子を休みなく継続的に作動させる、という理由から生ずる。

さらに他の解決方法として、位相進みフィードバック補償を組み込み、調整装置の応答性を向上させる方法が挙げられる。しかしこの方法は、スイッチング調整装置が負荷電流の変化に対して過剰反応し、調整装置の安定性を失わせるというマイナス面がある。

従って、出力電圧を調整して厳格な許容範囲内に維持し、かつ負荷電流の著しい変化に対応することができる電圧調整装置を提供するのが望ましい。

本発明は、負荷電流の確定変化を示すフィードフォワード情報に応答して出力制御信号を調整する電圧調整システムを含む。本発明のフィードフォワード回路は、電圧調整システムの外部のソースから発生した入力信号に応答してフィードフォワード信号を発生させる。本発明の電圧調整装置システムは、フィードフォワード情報に積極的に反応し、それによって動的負荷に対する調整許容度を向上させる。

１つの実施の形態において、フィードフォワード情報は負荷電流に影響を与える多様な確定的イベントが差し迫っていることを示す信号を含む。多様なイベントからの信号は合計され、出力電流、出力電圧あるいはその両方を調整するために用いられる結合フィードフォワード項を発生させる。他のもう1つの実施の形態において、本発明の電圧調整システムは外部確定フィードフォワード情報に加えて、調整装置出力からのフィードバック及び調整装置内部からのフィードフォワード情報に対しても応答が可能である。

本発明のその他の目的、特徴、及び有利な点については、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することによってより明らかとなるであろう。ここで、各図面を通じて同じ参照番号は同じ構成要素を示している。

本発明によれば、出力電圧を調整して厳格な許容範囲内に維持し、かつ負荷電流の著しい変化に対応することができる電圧調整装置を提供することができる。

上述のように、電圧調整装置は負荷に対して調節された出力電圧を発生させる。電圧調整装置は、出力電圧を実質的に一定の値に維持するために、負荷電流、負荷電圧あるいはその両方の変化に応答して出力電流、出力電圧あるいはその両方を変化させる。

負荷電流における変化はランダムあるいは確定性のものに分類できる。ライトのスイッチ操作は確定変化の一例である。スイッチがＯＮ操作された際に電球が所定量の電流を引き出す旨、正確な予測を成すことができる。フィードバック制御のみを有する電圧調整装置は、負荷電流のランダム及び確定変化に対して同じ形態で応答する。しかし、負荷電流の多くのタイプの変化は事実上確定性のものである。これらの負荷電流変化は特定の理由のために生じ、かつ再現性を有している。

図１Ａを参照し、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）システム１０は、ハードディスクスタック７０を回転させる回転スピンドルモータ３０、前記スタック７０の表面上の異なるトラックにヘッドアームを位置決めするために用いられるボイスコイルモータ（ＶＣＭ）アクチュエータ４０、そしてハードディスク上のデータを読み取りかつ書き込むための各ヘッドアーム上の読み取り／書き込みヘッドを含む。ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）及びモータコントローラチップ２０は、スピンドルモータの回転及びアクチュエータの動作に必要な電気−機械変換を実行する出力を管理する。ＨＤＤコントローラ２５は、ＨＤＤシステム１０の全ての動作を管理する。

ハードディスクドライブがハードディスクからのデータ読み取り命令を受信すると、ハードディスクドライブシステム１０はアクチュエータ４０を操作し、所望の読み取り位置上に読み取り／書き込みヘッドを位置決めさせる。読み取り／書き込みヘッドが所望の読み取り位置に位置決めされると、ＨＤＤコントローラ２５はデータチャネル５０に読み出しゲート信号を送信する。読み出しゲート信号は、データチャネルにディスクからデータの取り込みを始めさせるための要求である。読み出しゲート信号に応答して、データチャネル５０はディスク上の磁気データ読み取りに必要な動作を開始する。

ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）コントローラ２５はライトゲート信号をアサートし、ハードディスク上にデータを書き込む。またＨＤＤコントローラ２５はサーボゲート信号をアサートし、読み取り／書き込みヘッドにハードディスクからのサーボ情報の読み取りを行わせる。サーボ情報は、アクチュエータによる正確なデータトラック上への読み取り／書き込みヘッドの位置決めを助成する位置情報である。

ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）のデータチャネルは、読み出しゲート、書き込みゲート、及びサーボゲート信号に応答して電圧調整装置から予想可能な量の電流を引き出す。ＨＤＤコントローラがデータチャネルに対して読み出しゲート信号を送信するたびに、データチャネルは続いて予想可能な量の電流を引き出し、読み出し信号を解析する。また、ライトゲート信号あるいはサーボゲート信号に応答してデータチャネルによって引き出される電流の量は、反復及び予測が可能である。

図１Ｂは、本発明の第1の実施の形態に基づいた電圧調整システム１００を示している。電圧調整システム１００は、電圧調整装置１０１、加算ノード１０２、フィードフォワード項１０３、及び１つまたは複数のフィードバック項１０４を含む。データチャネル１０５は、電圧調整装置１０１の出力から電流を引き出すハードディスクドライブの負荷である。

電圧調整装置１０１は、同期スイッチング電圧調整装置、非同期スイッチング電圧調整装置、リニア電圧調整装置、あるいは電圧調整装置の他のいずれかのタイプである。電圧調整装置１０１は入力電圧Ｖ_ＩＮを受信し、その出力においてはデータチャネル１０５に対して出力電圧Ｖ_ＯＵＴを出力する。電圧調整装置１０１がスイッチング調整装置である場合は、連続的出力電圧及び／あるいは電流フローを維持するための出力インダクタ及び出力コンデンサが通常含まれている。

各フィードバック項１０４は、電圧調整装置１０１の出力からフィードバック信号を受信する。フィードバック信号は、例えば出力電圧に比例する電圧フィードバック信号、あるいは出力電流を示す電流フィードバック信号である。各フィードバック項１０４は、フィードバック情報を用いて制御信号を発生させる。制御信号は、出力段階パス用素子あるいはスイッチ（トランジスタベースあるいはゲート）の電圧調整装置に対して発信され、調整装置出力電流、出力電圧、あるいはその両方を制御する。

具体例として、フィードバック項１０４は、調整装置出力端子と結合した抵抗分割器、及び誤差増幅器あるいは比較器の入力を含む。誤差増幅器は、電圧フィードバック信号及び基準電圧間の誤差を増幅させ、エラー信号を発生させる。比較器はエラーが高いか低いかを判定し、対応する論理制御信号を出力する。電圧調整装置は、エラー信号あるいは論理制御信号を用いて、出力電圧が実質的に一定となるように出力スイッチングトランジスタの負荷サイクルを制御する。

フィードバック項１０４は、種々のフィードバック制御技術の１つあるいは複数を用い、フィードバック信号に応答して出力電流を制御する。例えばフィードバック項１０４は、電圧調整装置に用いられることでよく知られている電圧モードあるいは電流モード技術のいずれかを含む。

電圧調整システム１００は、複数のフィードバック信号に応答する複数のフィードバック項１０４を含む。例えば、電圧調整システム１００は出力電圧からの電圧フィードバック信号及び出力電流からの電流フィードバック信号に応答することが可能である。電流及び電圧フィードバック信号の両方を用いて、加算ノード１０２あるいは調整装置の制御ループ内の各ポイントで、電圧調整装置のための合成制御信号を発生させることができる。電圧調整装置１０１は、合成制御信号を用いて出力電流、出力電圧、あるいはその両方を調節し、出力電圧を実質的に一定に維持する。

また電圧調整システム１００は、読み出しゲート信号に応答するフィードフォワード項１０３を有している。フィードフォワード項１０３は、電圧調整システムの外部のソースから発生し、かつ負荷の確定変化を示す入力信号に応答して、電圧調整装置１０１に対してフィードフォワード信号を出力する。図１Ｂの例において、入力信号はハードディスクドライブシステムから発生した読み出しゲート信号である。

ＨＤＤコントローラが読み出しゲート信号をアサートすると、データチャネル負荷１０５は、電圧調整装置１０１からかなり多くの負荷電流を引き出すことによって応答する。読み出しゲート信号は、データチャネル１０５の負荷電流の確定変化を示す。フィードフォワード項１０３は読み出しゲート信号を受信し、それに応じて読み出しゲートフィードフォワード信号を出力として発生する。

読み出しゲート及び読み出しゲートフィードフォワード信号の例が図１Ｃに示されている。読み出しゲート信号は論理信号である。フィードフォワード項１０３は、読み出しゲート信号を読み出しゲートフィードフォワード信号に変換する。読み出しゲート信号の立ち下がりエッジは、データのセクターの読み取り動作の開始を示し、読み出しゲート信号の立ち上がりエッジは読み取り動作の終了を示す。フィードフォワード項は、読み出しゲート信号の各立ち下がりエッジの後、読み出しゲートフィードフォワード信号に下向きパルスを発生させ、読み出しゲート信号の各立ち上がりエッジの後、読み出しゲートフィードフォワード信号に上向きパルスを発生させる。

フィードフォワード項１０３は、加算ノード１０２で電圧調整装置１０１に対して読み出しゲートフィードフォワード信号を提供する。１つまたは複数のフィードバック制御信号及び読み出しゲートフィードフォワード信号は加算ノード１０２で合成され、図１Ｂに示されるように電圧調整装置１０１に提供される。電圧調整装置１０１は、加算ノード１０２で発生した合成信号を用いて負荷１０５に提供される出力電流（及び／あるいはその他の制御信号）を調整する。

読み出しゲート信号の変化は、データチャネル１０５によって引き出される負荷電流の確定変化を示している。電圧調整装置１０１が読み出しゲート機能を示す信号を加算ノード１０２から受信すると、電圧調整装置１０１は出力電流を増加させ、負荷電流がまさに経由しようとしている確定変化とマッチするようにする。

例えば、読み出しゲートフィードフォワード信号の下向きエッジが読み取りチャネル機能の開始を示すと、電圧調整装置１０１はデータチャネル負荷電流の予測される増量と等しい量、出力電流を増加させる。読み出しゲート機能が完了した後、電圧調整装置１０１は読み出しゲートフィードフォワード信号の立ち上がりエッジに応答して、データチャネル負荷電流の予測される減少量に等しい量だけ出力電流を減少させる。本発明のさらに他の実施の形態においては、読み出しゲート論理信号が反転され、適した信号の極性あるいは位相をつくりだして電圧調整装置における所望の応答を実現する。

本発明の有利な点として、Ｖ_ＯＵＴが大きく変化する前に、電圧調整装置１０１にその出力を調節させ、負荷の確定変化とマッチするようにする点が挙げられる。フィードフォワード項１０３は、フィードバック項１０４がＶ_ＯＵＴの変化に応答する前に、調整装置１０１の出力電流を負荷電流の確定変化とマッチさせる。

図２Ａは、本発明の第２の実施の形態における電圧調整システム２００を示している。システム２００はシステム１００の全ての要素、及び追加フィードフォワード項２０１を含む。フィードフォワード項２０１はサーボゲート信号を受信する。サーボゲート信号は、ＨＤＤコントローラによって発生し、データチャネル１０５にハードディスク上のサーボトラックを読み取らせるための信号である。

デジタルサーボゲート信号の一例が図２Ｂに示されている。フィードフォワード項２０１はサーボゲート信号に応答してサーボゲートフィードフォワード信号を発生させる。サーボゲートフィードフォワード信号の立ち上がり及び立ち下がりパルスは、デジタルサーボゲート信号の立ち上がり及び立ち下がりエッジにそれぞれ相当する。フィードバック制御信号、フィードフォワード項２０１からの読み出しゲートフィードフォワード信号、及びサーボゲートフィードフォワード信号はノード１０２で合計され、続いて調整装置１０１に提供される。

図２Ｂの例において、データチャネル１０５はサーボ読み取り動作の開始時に生じるサーボゲート信号の立ち下がりエッジに応答して、予想可能な分量だけ付加電流を増加させる。データチャネル１０５は負荷電流を増加させ、サーボ読み取り動作を実行する。データチャネル１０５は、サーボ読み取り動作の終了時に生じるサーボゲート信号の立ち上がりエッジに応答して、予想可能な分量だけ負荷電流を減少させる。

従って、データチャネル１０５はサーボ読み取りの間、予想可能な量だけ負荷電流を増加させ、サーボ読み取りの後は予想可能な量だけ負荷電流を減少させる。本発明に基づいて、電圧調整装置１０１はサーボゲート信号に応答して出力電流を調節し、負荷電流の予測される変化にマッチさせ、出力電圧は実質的に一定に保たれる。

図３は、本発明の第３の実施の形態における、負荷電流の確定変化を示すフィードフォワード情報に応答する電圧調整システム３００を示している。電圧調整システム３００は、システム１００の全ての要素、項セレクトレジスタ３０１、可変重み付けレジスタ３０２、加算回路３０３、及びハードウェア／ソフトウェア制御ユニット３０４を含む。電圧調整システム３００は、負荷１０５で負荷電流に影響を与える複数の異なる確定的イベントを示すフィードフォワード信号に応答する。

制御ユニット３０４は、ソフトウェアベースの、あるいはハードウェアベースのシステムであってもよい。制御ユニット３０４は、負荷１０５によって引き出される負荷電流の確定変化を示す制御信号を提供する。例えば、制御ユニット３０４は読み出しゲート信号、サーボゲート信号、ライトゲート信号等を提供する。制御ユニット３０４によってこれらの制御信号の現在の状態が項セレクトレジスタ３０１に記憶される。例えば、レジスタ３０１の各記憶装置は１つの制御ビット（１あるいは０）を記憶し、各制御信号の状態を示す。

レジスタ３０１に記憶された制御ビットは可変重み付けレジスタ３０２に伝送される。レジスタ３０２において、制御ビットに、ある数、Ａｌ〜Ａｎと呼ばれる重み係数の“ｎ”の内の１つをそれぞれ乗じて、各制御信号のための所望の重さを提供する。前記重み係数は、調整装置１０１の出力電流上での所望の効果に関し、各“ｎ”制御信号に与えられる重さに基づいた値に設定される。例えば前記重み係数を、読み出しゲート信号が、調整装置１０１の出力電流においてサーボゲート信号より多くの効果を有することができるように選択することも可能である。

可変重み付けレジスタ３０２の出力は加算回路３０３で合計される。加算回路３０３の合計された出力信号は、フィードフォワード項１０３によってフィードフォワード信号に変換される。フィードフォワード信号は、加算ノード１０２でフィードバック制御信号と合計される。ノード１０２の合計出力信号は調整装置１０１に提供され、出力電流を制御する。

図４は、本発明のさらに他の実施の形態において、負荷電流の確定変化を示すフィードフォワード情報に応答するスイッチング電圧調整システム４００の配線図を示している。電圧調整システム４００はＰチャネルスイッチングトランジスタ４０１を含む。トランジスタ４０１のソースが結合され、入力電圧Ｖ_ＩＮを受信する。トランジスタ４０１のドレインは出力インダクタ４０５及びショットキ・ダイオード４１７と結合される。また出力インダクタ４０５は、負荷に提供される電荷を蓄積する出力コンデンサ４１６にも結合される。前記負荷は調整された出力電圧Ｖ_ＯＵＴを受信する。

本発明のさらに他の実施の形態において、Ｐチャネルスイッチングトランジスタ４０１は、駆動回路４１５、バイポーラジャンクションスイッチングトランジスタ（例えばＮＰＮあるいはＰＮＰ ＢＪＴ）、パス用素子等々からの対応するサポートを有するＮチャネルスイッチングトランジスタと交換される。ダイオード４１７は、駆動回路４１５からの対応するサポートを有し、同期整流を可能にする第２スイッチングトランジスタと交換される。

システム４００は、出力電圧の変化に応答して出力電圧を調整するために用いられるフィードバック項を有している。フィードバック項はフィードバックループによって実施される。フィードバックループは、レジスタ４１１〜４１３、増幅器／比較器４１０、周波数制御４１４、及び駆動回路４１５を含む。３つのフィードバックレジスタ４１１、４１２、及び４１３は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔに比例するフィードバック電圧Ｖ_ＦＢを発生させる抵抗分割器を形成する。

ヒステリシス比較器４１０は、フィードバック電圧とバンドギャップ基準電圧Ｖ_ＢＧＲを比較して制御信号を発生させる。ヒステリシス比較器はレジスタ４１２に基づいて設定される２つのしきい値電圧を有している。

交代に、回路４１０が、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ及びバンドギャップ基準電圧Ｖ_ＢＧＲ間の誤差を増幅して制御信号を発生させる誤差増幅器４１０となってもよい。制御信号は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴにおける目標値からのずれを示している。

回路４１０からの制御信号は周波数制御回路４１４に提供される。周波数制御回路４１４は、回路４１０からの制御信号に応答して負荷サイクル制御信号を発生させる。駆動回路４１５は、負荷サイクル制御信号に応答してスイッチングトランジスタのＯＮ及びＯＦＦ操作をする。周波数制御回路４１４は、一定のスイッチング周波数のためにパルス幅変調を用いて（例えば誤差増幅器を用いて）、あるいは可変周波数（例えば、ヒステリシス比較器を用いて提供される比較器出力信号によって決定される）のためにパルス周波数変調を用いて、スイッチングトランジスタ４０１の負荷サイクルを調整する。

スイッチングトランジスタ４０１がＯＮになると、電流がＶ_ＩＮからトランジスタ４０１及びインダクタ４０５を通じて負荷に向かって流れ、インダクタ４０５の電流は上昇する。トランジスタ４０１がＯＦＦになると、電流はグラウンドからショットキ・ダイオード４１７及びインダクタ４０５を通じて負荷に向かって流れる。インダクタ４０５の電流は、トランジスタ４０１がＯＦＦになると下降する。

周波数制御回路４１４は、スイッチングトランジスタ４０１の負荷サイクルを調整し、それによってインダクタ４０５を通って流れる平均出力電流が負荷電流とマッチし、Ｖ_ＯＵＴを実質的に一定の値に維持する。増幅器／比較器４１０が出力電圧Ｖ_ＯＵＴの変化を感知すると、フィードバックループはスイッチングトランジスタ４０１の負荷サイクルを変化させ、それによって平均インダクタ電流が負荷電流とマッチする。

システム４００は、インダクタ電圧過渡から信号を引き出すことによって補償を行うフィードフォワード回路４０２〜４０３、及び出力における変化を補償するフィードバックコンデンサ４１８を含む。フィードバックコンデンサ４１８は、出力コンデンサ４１６と加算ノード１０２との間でレジスタ４１３と並列に結合される。出力電圧リップルが原因となって、各スイッチングサイクルの間、電流はコンデンサ４１８を通じて供給される。コンデンサ４１８は過渡信号へのセンシングインピーダンスを低減させ、出力電圧リップルを低減させる。またコンデンサ４１８は、可変周波数調整装置の動作周波数を増大させる。コンデンサ４１８は制御回路を、出力電圧の変化に対して抵抗分割器よりも早く応答させる。しかし、コンデンサ４１８を通ずるフィードバックパスは、調整装置がトランジスタ４０１の負荷サイクルを調節する前に、出力電圧の変化を必要とする。

レジスタ４０２及びコンデンサ４０３は、システム４００におけるトランジスタ４０１のドレイン及び加算ノード１０２との間で直列連結される。またレジスタ４０２及びコンデンサ４０３を付加し、比較器４１０の非反転入力においてフィードバック電圧にランプ信号を注入することによって出力電圧リップルを低減させる。例えば比較器４１０によって、トランジスタ４０１はＶ_ＯＵＴが増大してフィードバックヒステリシスポイントに到達する前にレジスタ４０２及びコンデンサ４０３からの電圧に応答してＯＦＦとなり、負荷電流が素早く減少した場合にＶ_ＯＵＴのオーバーシュートの低減を助ける。

また比較器４１０によって、トランジスタ４０１はＶ_ＯＵＴが下降してヒステリシスポイント以下になる前にレジスタ４０２及びコンデンサ４０３からの減少するランプ電圧に応答してＯＮとなり、負荷電流が急激に増大する場合にＶ_ＯＵＴのアンダーシュートを低減させる。またレジスタ４０２及びコンデンサ４０３を通ずる交流電流は、トランジスタ４０１のスイッチング負荷サイクルが出力電圧Ｖ_ＯＵＴ上に負荷電流の機能として有する変調効果を除去するのを助ける。しかしレジスタ４０２及びコンデンサ４０３を通ずるパスは、負荷電流の確定変化を示すフィードフォワード項を提供しない。

受動素子４１１〜４１３、４１８、４０２、及び４０３、これら全ては調整され、増幅器／比較器４１０の非反転入力におけるフィードバック電圧Ｖ_ＦＢの値に基づいた加重寄与を提供する。本発明のもう１つの実施の形態において、これが反転した配置であってもよい。

本発明のフィードフォワード回路は、電圧調整システム４００に負荷電流の確定変化を示すフィードフォワード情報を提供する。フィードフォワード回路は、レジスタ４０８及びコンデンサ４０９を含む。コンデンサ４０９は、その入力の内の１つにおいて読み出しゲート信号を受信する。コンデンサ４０９及びレジスタ４０８は、図１Ｃに示すように、読み出しゲート信号を読み出しゲートフィードフォワード信号に変換する。コンデンサ４０９は読み出しゲート信号の直流成分をブロックし、読み出しゲート信号の交流成分のみを通過させる。従って、読み出しゲート信号が定常状態にある場合、読み出しゲート信号は電圧調整装置の出力電流に影響を与えない。読み出しゲートフィードフォワード信号が定常状態に戻った後、フィードバックループは出力電圧のランダムな変化に応答して出力電流を効果的に調整する。

出力及びフィードバック電圧に対して交流成分が存在している範囲で、読み出しゲート信号の安定状態レベルは応答に対して影響を与える。回路での等価インピーダンス上の影響を防ぐための信号のバッファリング及び能動フィルタリングは、この影響を防ぐための方法である。

レジスタ４０８は減衰係数を提供する。レジスタ４０８及びコンデンサ４０９は、本発明のフィードフォワード回路の１つの例に過ぎない。またフィードフォワード回路は、実装されたソフトウェアあるいはハードウェア要素のその他の形態であってもよい。

読み出しゲートフィードフォワード信号の電圧変化は読み出しゲート信号のエッジに相当する。これらは、読み取り動作の開始時及び終了時に電圧フィードバック信号Ｖ_ＦＢに影響を及ぼす。上述のように、読み出しゲートの立ち下がりエッジは読み取り動作を開始させる。レジスタ４０８及びコンデンサ４０９は、読み出しゲート信号の立ち下がりエッジに応答して、加算ノード１０２で読み出しゲートフィードフォワード信号に立ち下がり電圧を発生させる。ノード１０２における立ち下がり電圧によってフィードバック電圧Ｖ_ＦＢは低減し、入れ替わりに、フィードバックループがトランジスタ４０１のオン時間を増加させ、負荷に対してより多くの電流を送出する。従って、フィードフォワード回路は電圧調整システム４００に対して、その出力電流を増大させ読み取り動作の間の負荷電流の確定的増加とマッチさせる。本発明においては、出力電流及び負荷電流を正確にマッチさせることによって、読み取り機能の開始時に、出力電圧がその許容範囲以下に落ち込むのを防ぐ。

読み出しゲート信号の立ち上がりエッジは読み取り動作を終了させる。レジスタ４０８及びコンデンサ４０９は、読み出しゲート信号の立ち上がり電圧に応答して、加算ノード１０２で読み出しゲートフィードフォワード信号に立ち上がりエッジを発生させる。ノード１０２における立ち上がり電圧によってフィードバック電圧Ｖ_ＦＢは増大し、入れ替わりに、フィードバックループがトランジスタ４０１のオン時間を減少させ、負荷に対してより少ない出力電流を送出する。従って、フィードフォワード回路は電圧調整システム４００に対して、その出力電流を低減させ読み取り動作後の負荷電流の確定的減少とマッチさせる。本発明においては、出力電流及び負荷電流を正確にマッチさせることによって、読み取り機能の終了後に、出力電圧がその許容範囲をオーバーシュートするのを防ぐ。

本発明の電圧調整システムの部品は、個別の部品として、あるいは個別の部品及びＩＣチップの複合体として、１つのＩＣチップに完全に実装することができる。例えば、比較器４１０、周波数制御４１４、及び駆動回路４１５を、シングルチップ上に集積することが可能である。この例において、スイッチングトランジスタ４０１、出力コンデンサ４１６、出力インダクタ４０５、レジスタ４１１〜４１３、レジスタ４０２、レジスタ４０８、及びコンデンサ４０３、４０９、及び４１８は、全て外部の個別の部品である。

しかし、外部の部品を多く用いることには不利な点もある。具体的には多くの外部部品を用いることによって、コストが増大し、より多くの基板スペースを必要とする。また、受動素子トポロジーを変化させることは、調整装置、負荷、及びフィードフォワードソースによって示されるように、センシングノードにおけるインピーダンスを変化させることになる。

図４のフィードフォワード回路４０８及び４０９を二重化し、さらに追加のフィードフォワード信号を受信することも可能である。しかし複数のフィードフォワード信号が電圧調整装置に提供される場合、複数の経路に同時に応答するバランスをとるための解決方法が必要となる。さらに他の実施の形態において、各ソースからの信号をバッファリングし、これによって他の経路上での影響に左右されることなく、低インピーダンスを利用してそれぞれの寄与度を結合する（つまり、加えるあるいは差し引く）ことができるようにする。その結果、個々の要素は必要に応じてそれぞれ個別に重み付けをすることが可能となる。これを実施するための方法の１つとして、図３において示される、フィードフォワード項を実装するための外部部品の必要を取り除くプログラム可能制御レジスタ３０１を用いる方法もある。その他の実施の形態に基づくと、電圧調整装置集積回路に追加のピンを加えて、例えば、非常にフレクシブルなゲインの調整が可能となる。追加回路の不利な点として、調整装置のフィードバックエラー（ゲイン及びオフセット）における電位の増加が挙げられる。

図５は、本発明の１つの実施の形態に基づいた、フィードフォワード情報に応答する電圧調整システム５００の一般化されたブロック図を示す。電圧調整システム５００は、電圧調整装置５０１、フィードバック回路５０２、及びフィードフォワード回路５０３及び５０４から構成されている。電圧調整システム５００は負荷５０５に対して出力電流を提供する。フィードバック回路５０２は、調整装置出力から１つまたは複数のフィードバック信号を発生させる。フィードフォワード回路５０３は、調整装置内部のノードから１つまたは複数のフィードフォワード信号を発生させる。フィードフォワード回路５０４は、負荷電流の確定変化を示す外部フィードフォワード情報に応答するいずれの数のフィードフォワード信号も発生させる。例えば、フィードフォワード回路５０４は確定負荷を示す１つまたは複数の信号を受信し、電圧調整装置の出力状態を制御するために用いられる１つまたは複数の出力信号を発生させる。調整システム５００は、いずれの数のフィードフォワード回路５０４、例えば、確定負荷を示すいずれの数の入力信号も受信し、電圧調整装置の出力状態を制御するいずれの数のフィードフォワード信号も発生する１つまたは複数のフィードフォワード回路５０４を含んでいてもよい。

フィードバック回路５０２によって発生したフィードバック信号、フィードフォワード回路５０３によって発生したフィードフォワード信号、及びフィードフォワード回路５０４からの確定信号が、電圧調整装置５００の別々の入力に対して提供される。例えば、フィードバック回路５０２からのフィードバック信号及び回路５０４からのフィードフォワード信号が、電圧調整装置５０１の別々の入力に対して提供される。もう１つの例として、回路５０４によって発生した２つのフィードフォワード信号が、電圧調整装置５０１の別々の入力に対して提供される。

図６は、電圧調整装置の別々の入力にて複数のフィードフォワード項を受信する電圧調整システム６００のブロック図を示している。電圧調整システム６００は、出力ステージ６０１、抵抗分割器６０３、フィードフォワード項６０４及び６０７、基準電圧制御回路６０６、回路素子６０５、及び電圧調整装置制御及び駆動回路６０８から構成されている。フィードフォワード項６０４、及び６０７のそれぞれは負荷電流の確定変化を示す調整システム６００に信号を提供する。

出力ステージ６０１は、出力インダクタ、出力コンデンサ、及び出力トランジスタを含んでおり、これらは例えば、パス用素子あるいはスイッチングトランジスタであってもよい。回路素子６０５は、例えばヒステリシス比較器あるいは誤差増幅器であってもよい。電圧調整システム６００は、Ｖ_ＩＮから出力ステージ６０１を通じてＶ_ＯＵＴの負荷６０２に対して出力電流を提供する。抵抗分割器６０３は、増幅器／比較器６０５の非反転入力において分圧電圧フィードバック信号Ｖ_ＦＢを発生させる。増幅器／比較器６０５は、電圧フィードバック信号と基準電圧制御６０６からの基準電圧Ｖ_ＲＥＦとを比較して制御信号を発生させる。電圧調整装置制御及び駆動回路６０８は、制御信号を用いて、出力ステージ６０１を通じて負荷６０２に提供される電流の量を制御する。

フィードフォワード項６０４は、変化がＶ_ＯＵＴで十分に反映される前に負荷の確定変化を示す加算ノード６０９に対してフィードフォワード信号を提供する。図４のレジスタ４０８及びコンデンサ４０９は、フィードフォワード項６０４の１つの例である。項６０４からのフィードフォワード信号は、読み出しゲート信号、ライトゲート信号、サーボゲート信号等に対する応答であってもよい。

基準電圧制御回路６０６は、増幅器／比較器６０５の反転入力に提供される基準電圧Ｖ_ＲＥＦを発生させる。基準電圧制御回路６０６は通常、増幅器／比較器６０５の反転入力に対して一定の基準電圧を提供する。フィードフォワード項６０７は、変化がＶ_ＯＵＴで反映される前に負荷６０２の負荷電流の確定変化を示す基準電圧制御６０６に対してフィードフォワード信号を提供する。項６０７からのフィードフォワード信号は、読み出しゲート信号、ライトゲート信号、サーボゲート信号等に対しての応答であってもよい。

制御回路６０６は、項６０７からのフィードフォワード信号に応答して基準電圧Ｖ_ＲＥＦを調節する。制御回路６０６は、例えば予測される内部ペンディング負荷変化に基づいて基準電圧Ｖ_ＲＥＦをトリミングする機能を有するマイクロプロセッサを含む。前記マイクロプロセッサは、例えばコミュニケーションバスを通じて基準電圧トリミング制御レジスタを用いて基準電圧をトリミングする。

基準電圧制御６０６が予期される負荷電流の増加を示す項６０７からフィードフォワード信号を受信すると、制御回路６０６は基準電圧Ｖ_ＲＥＦを増大させる。増加した基準電圧に応答して、増幅器／比較器６０５はその出力制御信号を調節し、それによって出力ステージ６０１がより多くの出力電流を負荷６０２に提供する。例えば、増加した基準電圧に応答して、誤差増幅器６０５は、その出力エラー信号を減少させ、その結果出力ステージ６０１のスイッチングトランジスタの負荷サイクルが増大する。その他の例として、比較器６０５によって、その出力信号が長時間に渡って低いままに保たれ、出力ステージ６０１におけるスイッチングトランジスタの負荷サイクルを増大させる。

基準電圧制御６０６が予期される負荷電流の減少を示す項６０７からフィードフォワード信号を受信すると、制御回路６０６が基準電圧Ｖ_ＲＥＦを減少させる。減少した基準電圧に応答して、増幅器／比較器６０５はその出力制御信号を調節し、それによって出力ステージ６０１がより少ない出力電流を負荷６０２に提供する。

本発明のフィードフォワード情報は、明確な、確定的負荷特性を有する動作モードの備わったいかなる装置においても使用することができる。モード変更はいずれも、予測可能な対応する負荷変化を伴う可能性が高い。モードの変更は、外的な要因（例えば、ボタン操作、呼び出し要求の受信、等々）、あるいは内的な要因（例えば、呼び出しを置く、放置によるスリープモードタイムアウトなどのファームウェアによって起こるイベント、等々）のいずれかによって引き起こされる。

携帯電話は、呼び出し及び受信、キー操作への応答、データの送信／受信／表示、バック照明等と関連するイベントを有している。ＤＶＤは、可／不可表示、及び選択／全面リフレッシュなどのディスプレイドライバ・イベントを有している。ＣＤ、ＤＶＤ、及びハードディスクドライブ（ＨＤＤ）は、読み取り／書き込み、アイドル、アクティブアイドル、スリープ等のデータアクセスに関連するイベントを有している。これらのイベントのいずれも、電圧調整装置から引き出された負荷電流の確定変化に関連するモード変更に相当している。本発明のフィードフォワード情報は、モード変更によって出力電圧に大きな偏差が生じる前に、モード変更に応答して電圧調整装置の出力電流を調節するために用いることができる。本発明によって、電圧調整装置は出力電圧をより厳密な許容範囲内に維持することが可能となる。

また、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）電流プロファイル、あるいはハードディスクドライブ制御装置あるいはサーボ制御装置のルックアップテーブルに含まれるその他のデータを用いて、本発明に基づくフィードフォワード制御信号を発生させることもできる。例えば、読み取り／書き込み内部メモリ（ＤＲＡＭあるいはＦｌａｓｈ）あるいはホストバスインターフェイス上の通信によって、電圧調整装置の負荷電流に確定変化を起こすことができる。従ってこれらの機能の開始が、フィードフォワード項に電圧調整装置に負荷電流の予測される変化を前もって補償させるための誘因となる。

機能の内のいくつかは、前記機能の開始に関する単一論理信号のいずれか１つを有していないかもしれない。しかし、埋め込み型ファームウェアはこれらの機能がいつ開始されるのかについて認識しており、予測制御信号を発生させ、これから引き起こされようとしているイベント、あるいはこれから応答しようとしているコマンドについて電圧調整システムを前もって補償するようにプログラミングすることも可能である。

図解及び説明のため、ここまで本発明の例示的な実施の形態について述べてきた。これは、上述の内容が包括的であるということを意図するものではなく、または本発明をここに開示した形態に限定することを意図するものではない。本発明においては、許容可能な範囲の修正、種々の変更、及び代用が意図される。場合によっては、本発明の特徴を、上述のその他の特徴の対応する使用を伴うことなく用いることも可能である。本発明の範囲を逸脱することなく、上述の種々の技術を考慮に入れたうえで、多くの修正及び変更が可能である。なお、本発明の範囲はこの詳細な説明によって限定されるものではなく、正確には添付の特許請求の範囲によって限定される。

本発明の電圧調整システムにおいて用いられるハードディスクドライブシステムの一例を示す図である。 本発明の1つの実施の形態に基づいた、負荷電流の確定変化を示すフィードフォワード情報に応答する電圧調整システムのブロック図を表している。 本発明の１つの実施の形態に基づいた、読み出しゲート信号及び読み出しゲートフィードフォワード信号の例を表す図である。 本発明のもう１つの実施の形態に基づいた、負荷電流に影響を与える２つの確定的イベントを示す信号からのフィードフォワード情報に応答する電圧調整システムのブロック図を表している。 本発明の１つの実施の形態に基づいた、サーボゲート信号及びサーボゲートフィードフォワード信号の例を表す図である。 本発明のさらにもう１つの実施の形態に基づいた、負荷電流に影響を与える複数の異なる確定的イベントを示す信号からのフィードフォワード情報に応答する電圧調整システムのブロック図を示している。 本発明のさらにもう１つの実施の形態に基づいた、負荷電流の確定変化を示すフィードフォワード情報に応答するスイッチング電圧調整システムの配線図を示している。 本発明のさらにもう１つの実施の形態に基づいた、内部及び外部フィードフォワード情報に応答する電圧調整システムの一般化されたブロック図を示している。 本発明のもう１つの実施の形態に基づいた、電圧調整装置の別々の入力における負荷電流の確定変化を示す複数のフィードフォワード項を受信する電圧調整システムのブロック図を示している。

符号の説明

１０…ハードディスクドライブシステム、
２０…ＶＣＭ及びモータ制御装置、
２５…ＨＤＤ制御装置、
３０…モータ、
４０…ＶＣＭアクチュエータ、
５０…チャネル、
１００，２００，３００，４００，５００，６００…電圧調整システム、
１０１，５０１…電圧調整装置、
１０２…加算回路、
１０３…フィードフォワード項、
１０４…フィードバック項、
１０５…データチャネル（負荷）、
３０１…項セレクトレジスタ、
３０２…可変重み付けレジスタ、
３０３…加算回路、
３０４…ハードウェア／ソフトウェア制御、
４０１…スイッチングトランジスタ、
４１０…ヒステリシス比較器、
４１４…周波数制御、
４１５…駆動回路、
５０２…フィードバック回路、
５０３…フィードフォワード回路、
５０４…フィードフォワード回路、
５０５…負荷、
６０１…出力ステージ、
６０２…負荷、
６０３…抵抗分割器、
６０４…フィードフォワード項、
６０６…基準電圧制御、
６０７…フィードフォワード項、
６０８…電圧調整装置制御及び駆動回路。

Claims (21)

1. フィードフォワード情報に応答する電圧調整システムであって、
   入力電圧を受け、調整された出力電圧を出力端子において負荷に対して提供する電圧調整装置と、
   負荷を通ずる電流の確定変化を示す前記電圧調整装置に少なくとも１つの第１フィードフォワード信号を提供する第１フィードフォワード回路とを有し、
   前記第１フィードフォワード回路は、前記電圧調整システムの外部のソースから発生した少なくとも１つの第１入力信号に応答して前記第１フィードフォワード信号を提供し、前記電圧調整装置は前記第１フィードフォワード信号に応答して出力制御信号を調節することを特徴とする電圧調整システム。
2. 前記電圧調整装置は、確定変化が調整された出力電圧に十分に反映される前に前記フィードフォワード信号を受けることを特徴とする請求項１記載の電圧調整システム。
3. 前記電圧調整システムはさらに、調整された出力電圧に応答して前記電圧調整装置の入力に対してフィードバック信号を提供するフィードバック回路を含むことを特徴とする請求項１記載の電圧調整システム。
4. 前記電圧調整システムはさらに、前記電圧調整装置の内部的条件に応答して前記電圧調整装置にフィードフォワード信号を提供する第２フィードフォワード回路を含むことを特徴とする請求項３記載の電圧調整システム。
5. 前記第１フィードフォワード回路は、コンデンサと直列接続されたレジスタを含むことを特徴とする請求項１記載の電圧調整システム。
6. 前記電圧調整システムはさらに、前記電圧調整装置の出力端子及び前記電圧調整装置内の比較器に結合している抵抗分割器を含み、
   前記第1フィードフォワード回路は前記抵抗分割器に結合されていることを特徴とする請求項５記載の電圧調整システム。
7. 前記第１フィードフォワード回路は、ハードディスクドライブ制御装置によって発生した読み出しゲート信号に応答して、前記電圧調整装置に対して前記第1フィードフォワード信号を提供することを特徴とする請求項１記載の電圧調整システム。
8. 前記第１フィードフォワード回路は、ハードディスクドライブ制御装置によって発生したサーボゲート信号に応答して、前記電圧調整装置に対して前記第１フィードフォワード信号を提供することを特徴とする請求項１記載の電圧調整システム。
9. 前記第１フィードフォワード回路は、ハードディスクドライブ制御装置によって発生したライトゲート信号に応答して、前記電圧調整装置に対して前記第１フィードフォワード信号を提供することを特徴とする請求項１記載の電圧調整システム。
10. 前記電圧調整システムはさらに、少なくとも１つの第２フィードフォワード信号を、負荷を通ずる電流の確定変化を示す電圧調整装置に提供する第２フィードフォワード回路を有し、
    前記第２フィードフォワード回路は、前記電圧調整システムの外部のソースから発生した少なくとも１つの第２入力信号に応答して前記第２フィードフォワード信号を提供し、前記電圧調整装置は前記第２フィードフォワード信号に応答して出力制御信号を調節することを特徴とする請求項１記載の電圧調整システム。
11. 前記電圧調整システムはさらに、調整された出力電圧に応答して前記電圧調整装置の第１入力に対してフィードバック信号を提供するフィードバック回路と、
    前記電圧調整装置の第２入力に対して基準電圧信号を提供する基準電圧制御回路とを有し、
    前記第1フィードフォワード回路は、前記フィードバック回路に対して前記第１フィードフォワード信号を提供し、前記第２フィードフォワード回路は、前記基準電圧制御回路に対して前記第２フィードフォワード信号を提供し、前記基準電圧制御回路は前記第2フィードフォワード信号に応答して前記基準電圧信号を変化させることを特徴とする請求項１０記載の電圧調整システム。
12. 前記電圧調整システムはさらに、負荷を通ずる電流に確定変化を引き起こす条件を示す信号を記憶する第１レジスタと、
    負荷を通ずる電流に確定変化を引き起こす各条件の可変重量を示す係数を記憶する前記第１レジスタに結合され、前記係数に前記第１レジスタに記憶される信号を乗じて重み付け出力信号を発生させる第２レジスタと、
    前記重み付け出力信号を合計し、合計した結果を前記第１フィードフォワード回路に提供する加算回路とを有することを特徴とする請求項１記載の電圧調整システム。
13. 電圧調整システムからの負荷に対して調整された出力電圧を提供する方法であって、
    前記電圧調整システムの出力ステージからのフィードバック信号に応答して前記電圧調整システムの出力電流を調節するステップと、
    前記電圧調整システムの外部のソースから発生した少なくとも１つの第１入力信号に応答して、負荷を通ずる電流の確定変化を示す少なくとも１つの第１フィードフォワード信号を発生させるステップと、
    前記第１フィードフォワード信号に応答して前記電圧調整システムの出力制御信号を調節するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
14. 前記方法はさらに、前記電圧調整システムの出力ステージの条件に応答して発生する第２フィードフォワード信号に応答して、前記電圧調整システムの出力電流を調節するステップを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記第１フィードフォワード信号及び前記第２フィードフォワード信号は、前記電圧調整システムの別々の入力に対して提供されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 前記方法はさらに、前記電圧調整システムの外部のソースから発生した少なくとも１つの第２入力信号に応答して、負荷を通ずる電流の第２の確定変化を示す第２フィードフォワード信号を発生させるステップと、
    前記第２フィードフォワード信号に応答して前記電圧調整システムの出力電流を調節するステップとを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
17. 前記第１フィードフォワード信号及び前記第２フィードフォワード信号は、前記電圧調整システムの別々の入力に対して提供されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記第１フィードフォワード信号を発生させるステップはさらに、読み出しゲート信号に応答して前記第１フィードフォワード信号を発生させるステップを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
19. 前記第１フィードフォワード信号を発生させるステップはさらに、サーボゲート信号に応答して前記第１フィードフォワード信号を発生させるステップを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
20. 前記第１フィードフォワード信号を発生させるステップはさらに、
    可変重み係数に前記負荷電流の確定変化を示す複数の信号を乗じて重み付き信号を発生させるステップと、
    前記重み付き信号を合計し、合計された信号を発生させるステップと、
    前記合計された信号に応答して前記第１フィードフォワード信号を発生させるステップとを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
21. フィードフォワード情報に応答する電圧調整システムであって、
    入力電圧を受け、出力端子において負荷に調整された出力電圧を提供する手段と、
    前記電圧調整システムの外部のソースから発生した少なくとも１つの入力信号に応答して負荷を通ずる電流の確定変化を示し、前記入力電圧を受ける手段に提供される少なくとも１つのフィードフォワード信号を発生させる手段とを有し、
    前記入力電圧を受ける手段は、前記フィードフォワード信号に応答してその出力電流を調節することを特徴とする電圧調整システム。

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