JP2008067505A - スイッチング電源装置およびスイッチング電源装置における制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の変動による電源電圧の低下を極めて少なくする。
【解決手段】パルス周波数変調信号生成部１３は、負荷２０への供給電圧に応じてパルス周波数が変調される信号ＰＦＭＯＵＴを出力する。パルス幅変調信号生成部１４は、負荷２０への供給電圧に応じてパルス幅が変調される信号ＰＷＭＯＵＴを出力する。選択部１７は、信号ＰＦＭＯＵＴを選択している状態において、周波数判定部１５の判定結果を参照し、信号ＰＦＭＯＵＴの一周期におけるローレベルの継続時間が予め設定した時間以下となった場合に、半導体スイッチ１１のオンオフ信号として信号ＰＷＭＯＵＴを選択し、信号ＰＷＭＯＵＴを選択している状態において、電圧判定部１６が、負荷２０における直流電圧（ＶＯＵＴ）が所定の電圧を超えたことを検出した場合には、半導体スイッチ１１のオンオフ信号として信号ＰＦＭＯＵＴを選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置およびスイッチング電源装置における制御方法に係り、特に、パルス幅変調信号およびパルス周波数変調信号によってスイッチングを行う電源装置および制御方法に係る。

スイッチング電源装置あるいはＤＣ−ＤＣコンバータは、様々な電気機器、電子機器において広く使用されている。このようなスイッチング電源装置では、広範囲の入力電圧および負荷の変動に対応して出力電圧の安定性が求められる場合が多い。そこで、出力電圧を安定的に制御可能とするように、スイッチングを行う際にパルス幅変調信号およびパルス周波数変調信号のいずれかを選択し、選択した信号によってスイッチングを行う電源装置が知られている。

例えば、特許文献１には、負荷を流れる負荷電流が所定値を越えて小さくなる領域においてはパルス周波数変調信号を選択するとともに、負荷に供給される電圧レベルが変化するときは負荷電流の大きさにかかわらずパルス幅変調信号を選択するＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。このようなＤＣ−ＤＣコンバータで負荷が重くなっていく状態では、負荷に対する出力電圧が低下していき、出力電圧が所定の電圧値を下回った場合に、スイッチング信号としてパルス幅変調信号を選択するように制御される。すなわち、出力電圧の低下を切っ掛けとして、負荷への電力供給をより高めるためにパルス幅変調信号が選択される。

特開２００４−９６９８２号公報

ところで、電子機器にあっては、負荷の変動に伴う出力電圧の変化が極力少ないことを要求する機器が多い。特に昨今の低電圧の電源によって動作するような電子機器、例えば携帯用の通信端末装置では、負荷の変動が多いにも拘らず電源電圧の低下に対する許容度が極めて小さい。このような電子機器にあっては、特許文献１のような出力電圧が所定の電圧値を下回った場合に、スイッチング信号としてパルス幅変調信号を選択するような制御では、負荷の変動による出力電圧の低下を充分小さく抑えることができない。すなわち、出力電圧の低下を切っ掛けとして、パルス幅変調信号を選ぶように動作するため、一時的な出力電圧の低下を避けることができない。

本発明の１つのアスペクトに係るスイッチング電源装置は、負荷への供給電圧に応じてパルス周波数が変調される第１の信号および負荷への供給電圧に応じてパルス幅が変調される第２の信号のいずれか一方を選択し、選択した信号によって半導体スイッチをオンオフして、所定の電圧レベルに変換された直流電圧を負荷に供給する。このスイッチング電源装置は、第１の信号の周波数が所定の値を超えたか否かを判定する周波数判定部と、周波数判定部の判定結果に基づいて第１および第２の信号のいずれか一方を選択する選択部と、を備える。

本発明の１つのアスペクトに係るスイッチング電源装置における制御方法は、負荷への供給電圧に応じてパルス周波数が変調される第１の信号および負荷への供給電圧に応じてパルス幅が変調される第２の信号のいずれか一方を選択し、選択した信号によって半導体スイッチをオンオフして、所定の電圧レベルに変換された直流電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置における制御方法である。この方法は、第１の信号の周波数が所定の値を超えたか否かを判定するステップと、判定結果に基づいて前記第１および第２の信号のいずれか一方を選択するステップと、を含む。

本発明によれば、パルス周波数変調信号の周波数が所定の値を超えたか否かを判定することで半導体スイッチをオンオフする信号を選択するように動作する。したがって、出力電圧の低下を切っ掛けとすることなく、負荷への電力供給をより高めるためにパルス幅変調信号を選択するので、負荷の変動による出力電圧の低下を極めて小さく抑えることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。図１において、スイッチング電源装置１０は、半導体スイッチ１１、平滑回路１２、パルス周波数変調信号生成部１３、パルス幅変調信号生成部１４、周波数判定部１５、電圧判定部１６、選択部１７を備える。そして、直流電圧Ｖｉｎを所定の電圧レベル（ＶＯＵＴ）に変換して負荷２０に供給する。

パルス周波数変調信号生成部１３は、負荷２０への供給電圧に応じてパルス周波数が変調される信号ＰＦＭＯＵＴを出力する。また、パルス幅変調信号生成部１４は、負荷２０への供給電圧に応じてパルス幅が変調される信号ＰＷＭＯＵＴを出力する。選択部１７は、パルス周波数変調信号生成部１３が出力する信号ＰＦＭＯＵＴおよびパルス幅変調信号生成部１４が出力する信号ＰＷＭＯＵＴのいずれか一方を選択し、選択した信号によって半導体スイッチ１１をオンオフする。半導体スイッチ１１によってオンオフされた直流電圧Ｖｉｎは、平滑回路１２によって平滑され所定の電圧レベルに変換された直流電圧（ＶＯＵＴ）として負荷２０に供給される。ここで、信号ＰＦＭＯＵＴおよび信号ＰＷＭＯＵＴは、２値信号であって、例えばハイレベルの期間に対応して半導体スイッチ１１がオンとされ、ローレベルの期間に対応して半導体スイッチ１１がオフとされる。

周波数判定部１５は、信号ＰＦＭＯＵＴの一周期におけるローレベルの継続時間が予め設定した時間以下であるか否か、言い換えれば信号ＰＦＭＯＵＴの周波数が所定の値を超えたか否かを判定する。例えば、信号ＰＦＭＯＵＴがローレベルである期間において積分動作を行い、ハイレベルである期間に積分内容をリセットし、積分結果である電圧と基準電圧とを比較することで、パルス周波数変調信号が所定の値を超えたか否かを判定する。

電圧判定部１６は、負荷２０における直流電圧（ＶＯＵＴ）が所定の電圧を超えたか否かを判定する。

選択部１７は、信号ＰＦＭＯＵＴを選択している状態において、周波数判定部１５の判定結果を参照し、信号ＰＦＭＯＵＴの一周期におけるローレベルの継続時間が予め設定した時間以下となった場合に、半導体スイッチ１１のオンオフ信号として信号ＰＷＭＯＵＴを選択する。また、選択部１７は、信号ＰＷＭＯＵＴを選択している状態において、電圧判定部１６が、負荷２０における直流電圧（ＶＯＵＴ）が所定の電圧を超えたことを検出した場合には、半導体スイッチ１１のオンオフ信号として信号ＰＦＭＯＵＴを選択する。そして、選択した信号によって半導体スイッチ１１をオンオフするように制御する。

以上のような構成のスイッチング電源装置１０は、信号ＰＦＭＯＵＴの周波数が所定の値を超えたか否かを判定することで、半導体スイッチ１１をオンオフする信号を選択するように動作する。すなわち、パルス周波数変調信号生成部１３におけるフィードバック系の信号を検出することで、負荷によって出力電圧が低下するまでに、半導体スイッチ１１をオンオフする信号として信号ＰＷＭＯＵＴを選択することができる。したがって、出力電圧の低下を切っ掛けとすることなく、負荷への電力供給をより高めるために信号ＰＷＭＯＵＴを選択するように動作するので、負荷の変動による出力電圧の低下を極めて少なくすることができる。以下、実施例に即し、詳細に説明する。

図２は、本発明の実施例に係るパルス周波数変調信号生成部および周波数判定部の回路図である。図２において、パルス周波数変調信号生成部１３は、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２、ＰＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４、Ｑ６、ＮＭＯＳトランジスタＱ５、Ｑ７、ダイオードＤ１、増幅器ＡＭＰ、比較器ＣＭＰ１、インバータ回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２、フリップフロップ回路ＦＦ１、電流源Ｉ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、キャパシタＣｏｎ、Ｃｏｆｆ、電圧源Ｖｒｅｆ、Ｖｂｉａｓを備える。

増幅器ＡＭＰは、負荷における電圧ＶＯＵＴを直列接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分割した電圧と電圧源Ｖｒｅｆの電圧との差分を増幅し、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２で構成されるカレントミラーに供給する。一端が接地されたキャパシタＣｏｆｆの他端の電圧Ｖ１は、ＰＭＯＳトランジスタＱ４がオンとなった場合にＰＭＯＳトランジスタＱ４からダイオードＤ１を介して急速に充電され、またカレントミラーを構成するＮＰＮトランジスタＱ２によって徐々に放電される。比較器ＣＭＰ１は、電圧Ｖ１と電圧源Ｖｂｉａｓの電圧とを比較し、電圧Ｖ１が電圧源Ｖｂｉａｓの電圧を下回った場合にフリップフロップ回路ＦＦ１のセット入力Ｓにハイレベルを出力してフリップフロップ回路ＦＦ１をセットする。なお、初期状態においては、信号ＰＦＭＯＮＯがローレベルとされ、ＰＭＯＳトランジスタＱ３は、オンとなってキャパシタＣｏｆｆを充電しておき、通常の動作状態ではＰＭＯＳトランジスタＱ３は、オフとなって他に影響を与えることはない。

フリップフロップ回路ＦＦ１の出力Ｑは、パルス周波数変調信号である信号ＰＦＭＯＵＴを出力する。フリップフロップ回路ＦＦ１がセットされると、信号ＰＦＭＯＵＴがハイレベルとなりＮＭＯＳトランジスタＱ５がオンとなってセット入力Ｓをローレベルとする。また、出力／ＱがローレベルとなってＰＭＯＳトランジスタＱ４、Ｑ６がオンとなり、ＮＭＯＳトランジスタＱ７がオフとなる。ＰＭＯＳトランジスタＱ６がオンとなった場合には電流源Ｉ１によってキャパシタＣｏｎが充電され、キャパシタＣｏｎの電位がインバータ回路ＩＮＶ１の閾値を超えると、インバータ回路ＩＮＶ１に縦続接続されるインバータ回路ＩＮＶ２の出力Ｖ５は、ハイレベルとなる。これによってフリップフロップ回路ＦＦ１は、リセットされ、ＰＭＯＳトランジスタＱ４、Ｑ６がオフとなり、ＮＭＯＳトランジスタＱ７がオンとなる。ＰＭＯＳトランジスタＱ４がオフとなることで、キャパシタＣｏｆｆの電圧Ｖ１は、カレントミラーを構成するＮＰＮトランジスタＱ２によって徐々に放電され低下していく。

次に周波数判定部１５について説明する。周波数判定部１５は、ＮＰＮトランジスタＱ８、Ｑ９、ＰＭＯＳトランジスタＱ１０、ダイオードＤ２、比較器ＣＭＰ２、インバータ回路ＩＮＶ３、ＡＮＤ回路ＡＮＤ、フリップフロップ回路ＦＦ２、ＦＦ３、電流源Ｉ２、抵抗Ｒ３、キャパシタＣ２、電圧源Ｖｂｉａｓを備える。

電流源Ｉ２の電流は、ＮＰＮトランジスタＱ８、Ｑ９で構成されるカレントミラーに供給される。一端が接地されたキャパシタＣ１の電圧Ｖ２は、フリップフロップ回路ＦＦ１の出力／Ｑがローレベルになった場合、ＰＭＯＳトランジスタＱ１０がオンとなってダイオードＤ２を介して急速に充電され、カレントミラーを構成するＮＰＮトランジスタＱ９によって徐々に放電される。比較器ＣＭＰ２は、電圧Ｖ２と電圧源Ｖｂｉａｓの電圧とを比較し、電圧Ｖ２が電圧源Ｖｂｉａｓの電圧を下回った場合にフリップフロップ回路ＦＦ２のセット入力Ｓにハイレベルを出力してフリップフロップ回路ＦＦ２をセットする。フリップフロップ回路ＦＦ２は、インバータ回路ＩＮＶ２の出力Ｖ５がハイレベルになることでリセットされる。フリップフロップ回路ＦＦ２の出力Ｑは、Ｄタイプのフリップフロップ回路ＦＦ３のラッチ入力Ｄに接続される。

フリップフロップ回路ＦＦ１の出力／Ｑは、抵抗Ｒ３の一端およびＡＮＤ回路ＡＮＤの一つの入力端に接続され、抵抗Ｒ３の他端は、一端が接地されたキャパシタＣ２の他端およびＡＮＤ回路ＡＮＤの他の入力端に接続される。ＡＮＤ回路ＡＮＤの出力端には、信号ＰＦＭＯＵＴの立ち上りエッジに対応したパルス信号Ｖ６が出力され、このパルス信号Ｖ６は、フリップフロップ回路ＦＦ３のクロック入力端子に供給される。フリップフロップ回路ＦＦ３は、フリップフロップ回路ＦＦ２の出力信号Ｖ４をパルス信号Ｖ６でラッチして信号Ｖｃｈａｎｇｅとして選択部１７に出力する。選択部１７は、信号Ｖｃｈａｎｇｅがハイレベルである場合には、パルス周波数変調信号である信号ＰＦＭＯＵＴを選択し、ローレベルである場合には、パルス幅変調信号である信号ＰＷＭＯＵＴを選択する。

次に、以上のように動作するパルス周波数変調信号生成部１３および周波数判定部１５のタイミングチャートについて説明する。図３は、本発明の実施例に係るパルス周波数変調信号生成部および周波数判定部の主要な信号のタイミングチャートである。図３において、信号ＰＦＭＯＵＴは、半導体スイッチ１１のオンオフを制御するパルス周波数変調信号であって、ハイレベルとなる期間Ｔ２では半導体スイッチ１１をオンとして電圧ＶＯＵＴが上昇する。また、ローレベルとなる期間Ｔ１では半導体スイッチ１１をオフとして電圧ＶＯＵＴが下降する。

キャパシタＣｏｆｆの電圧Ｖ１は、期間Ｔ２でオンとされるＰＭＯＳトランジスタＱ４によって電源電圧付近に保たれる。また、期間Ｔ１では、ＰＭＯＳトランジスタＱ４はオフとなって、キャパシタＣｏｆｆの電荷は、電圧ＶＯＵＴの平均電圧に対応した時定数でＮＰＮトランジスタＱ２を介して徐々に放電され、電圧Ｖ１は、下降する。すなわち、期間Ｔ１は、キャパシタＣｏｆｆの容量とＮＰＮトランジスタＱ２を流れる電流との比によって定められる。また、期間Ｔ２は、キャパシタＣｏｎの容量と電流源Ｉ１の電流との比によって定められる。

キャパシタＣ１の電圧Ｖ２は、期間Ｔ２でオンとされるＰＭＯＳトランジスタＱ１０によって電源電圧付近に保たれる。また、期間Ｔ１ではＰＭＯＳトランジスタＱ１０はオフとなって、キャパシタＣ１の電荷は、キャパシタＣ１の容量と電流源Ｉ２の電流との比によって定められる時定数でＮＰＮトランジスタＱ９を介して徐々に放電され、電圧Ｖ２は、接地電位に達する。

パルス信号Ｖ３は、電圧Ｖ２が電圧源Ｖｂｉａｓの電圧を下回ったか上回ったかに応じてハイレベルおよびローレベルとなる。パルス信号Ｖ４は、電圧Ｖ２が電圧源Ｖｂｉａｓの電圧を下回った場合にハイレベルなり、期間Ｔ２の最後のタイミングでローレベルとなる。

パルス信号Ｖ５は、期間Ｔ２の最後のタイミングを表す信号である。また、パルス信号Ｖ６は、期間Ｔ２の最初のタイミングを表す信号である。さらに、信号Ｖｃｈａｎｇｅは、パルス信号Ｖ６の立ち上りエッジにおけるパルス信号Ｖ４のレベルを保持した信号である。

以上のようなタイミングチャートにおいて、今、負荷電流が徐々に増加していく場合を考える。期間Ｔ２は、キャパシタＣｏｎの容量と電流源Ｉ１の電流との比によって定められていて変化することはない。これに対し期間Ｔ１は、キャパシタＣｏｆｆの容量と電圧ＶＯＵＴの平均電圧とに対応した時定数で定められるために、電圧ＶＯＵＴの平均電圧が下降するにしたがって短くなる。一方、信号Ｖ２における下降部は、キャパシタＣ１の容量と電流源Ｉ２の電流との比によって定められる時定数に対応するため一定の傾斜である。したがって、期間Ｔ１が所定値よりも短くなると、信号Ｖ２の最小電位が電圧源Ｖｂｉａｓの電圧を下回らなくなり、フリップフロップ回路ＦＦ２、ＦＦ３は、リセットされたままになる。このため、信号Ｖｃｈａｎｇｅは、ハイレベルからローレベルに遷移してしまう。すなわち、半導体スイッチ１１のオンオフ信号として信号ＰＦＭＯＵＴに替えて信号ＰＷＭＯＵＴが選択される。

図１において、このように負荷電流が徐々に増加していく場合、周波数判定部１５は、以上の説明のように動作し、選択部１７は、信号ＰＦＭＯＵＴに替えて信号ＰＷＭＯＵＴを選択する。したがって、信号ＰＦＭＯＵＴの周波数の増加を契機として、負荷２０への電力供給をより高めるために信号ＰＷＭＯＵＴを選択するように動作するので、負荷２０の変動による出力電圧の低下が抑えられる。なお、信号ＰＷＭＯＵＴを選択している状態で負荷電流が徐々に減少していった場合には、電圧判定部１６が負荷２０における直流電圧が所定の電圧を超えたことを検出して、選択部１７は、信号ＰＦＭＯＵＴを選択するようにしてもよい。

本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るパルス周波数変調信号生成部および周波数判定部の回路図である。 本発明の実施例に係るパルス周波数変調信号生成部および周波数判定部の主要な信号のタイミングチャートである。

符号の説明

１０ スイッチング電源装置
１１ 半導体スイッチ
１２ 平滑回路
１３ パルス周波数変調信号生成部
１４ パルス幅変調信号生成部
１５ 周波数判定部
１６ 電圧判定部
１７ 選択部
２０ 負荷
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ８、Ｑ９ ＮＰＮトランジスタ
Ｑ３、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ１０ ＰＭＯＳトランジスタ
Ｑ５、Ｑ７ ＮＭＯＳトランジスタ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
ＡＭＰ 増幅器
ＡＮＤ ＡＮＤ回路
ＣＭＰ１、ＣＭＰ２ 比較器
ＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ３ インバータ回路
ＦＦ１、ＦＦ２、ＦＦ３ フリップフロップ回路
Ｉ１、Ｉ２ 電流源
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 抵抗
Ｃ２、Ｃｏｎ、Ｃｏｆｆ キャパシタ
Ｖｒｅｆ、Ｖｂｉａｓ 電圧源

Claims (7)

1. 負荷への供給電圧に応じてパルス周波数が変調される第１の信号および前記負荷への供給電圧に応じてパルス幅が変調される第２の信号のいずれか一方を選択し、選択した信号によって半導体スイッチをオンオフして、所定の電圧レベルに変換された直流電圧を前記負荷に供給するスイッチング電源装置であって、
   前記第１の信号の周波数が所定の値を超えたか否かを判定する周波数判定部と、
   前記周波数判定部の判定結果に基づいて前記第１および第２の信号のいずれか一方を選択する選択部と、
   を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記第１の信号が第１および第２のレベルを有する２値信号であって、前記第１のレベルの期間に対応して前記半導体スイッチがオンとされ、
   前記周波数判定部は、前記第１の信号の一周期における前記第２のレベルの継続時間が予め設定した時間以下であるか否かを判定し、
   前記選択部は、前記第１の信号を選択している状態において、前記継続時間が予め設定した時間以下となった場合に、前記第２の信号を選択することを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記選択部は、前記第２の信号を選択している状態において、前記直流電圧が所定の電圧を超えた場合には、前記第１の信号を選択することを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。
4. 前記周波数判定部は、
   前記第２のレベルの期間において積分動作を行い、前記第１のレベルの期間に積分内容をリセットする積分回路と、
   前記積分回路の出力電圧と基準電圧とを比較する比較回路と、
   を備え、
   前記比較回路が出力する比較結果によって前記継続時間を判定することを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。
5. 負荷への供給電圧に応じてパルス周波数が変調される第１の信号および前記負荷への供給電圧に応じてパルス幅が変調される第２の信号のいずれか一方を選択し、選択した信号によって半導体スイッチをオンオフして、所定の電圧レベルに変換された直流電圧を前記負荷に供給するスイッチング電源装置における制御方法であって、
   前記第１の信号の周波数が所定の値を超えたか否かを判定するステップと、
   前記判定結果に基づいて前記第１および第２の信号のいずれか一方を選択するステップと、
   を含むことを特徴とするスイッチング電源装置における制御方法。
6. 前記第１の信号が第１および第２のレベルを有する２値信号であって、前記第１のレベルの期間に対応して前記半導体スイッチがオンとされ、
   前記判定するステップにおいて、前記第１の信号の一周期における前記第２のレベルの継続時間が予め設定した時間以下であるか否かを判定し、
   前記選択するステップにおいて、前記第１の信号を選択している状態であって、前記継続時間が予め設定した時間以下となった場合に、前記第２の信号を選択することを特徴とする請求項５記載のスイッチング電源装置における制御方法。
7. 前記第２の信号を選択している状態において、前記直流電圧が所定の電圧を超えた場合には、前記第１の信号を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６記載のスイッチング電源装置における制御方法。

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