JP2009016997A - スイッチング回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストを抑制しつつ、フィードバックにより波形生成を安定させ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができるスイッチング回路を提供すること。
【解決手段】 規範電圧波形追従駆動部４によりスイッチング素子４４を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路１において、規範電圧波形追従駆動部４へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成部３を備え、規範電圧波形追従駆動部４は、カレントミラーの回路構成によりフィードバックの差動処理を行う比較部４１を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スイッチング回路の技術分野に属する。

従来のスイッチング回路では、電界効果型出力トランジスタのゲート電圧をフィードバックしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２１８０６８号公報（第２−７頁、全図）

しかしながら、従来のスイッチング回路にあっては、コストの抑制と波形生成の安定、ノイズ特性、損失特性が充分ではなかった。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、コストを抑制しつつ、フィードバックにより波形生成を安定させ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができるスイッチング回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、フィードバック構成部によりスイッチング素子を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路において、前記フィードバック構成部へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成手段を備え、前記フィードバック構成部は、カレントミラーの回路構成によりフィードバックの差動処理を行う差動手段を備えた、ことを特徴とする。

よって、本発明にあっては、コストを抑制しつつ、フィードバックにより波形生成を安定させ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

以下、本発明のスイッチング回路を実現する実施の形態を、請求項１，２，３に係る発明に対応する実施例１に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１のスイッチング回路のブロック図である。
実施例１のスイッチング回路１は、制御パルス生成部２、規範電圧波形生成部３、規範電圧波形追従駆動部４、負荷５、電源６を主要な構成としている。
制御パルス生成部２は、規範電圧波形追従駆動部４を駆動制御するための波形となる制御パルスを生成し出力する。
規範電圧波形生成部３は、予めノイズと損失が要求される所定の値を満たす入力波形（本明細書において規範波形と呼ぶ）を生成し出力する。
規範電圧波形追従駆動部４は、入力される規範波形によりオンオフのスイッチシングを行う駆動部である。
負荷５は、スイッチングによる電圧のオンオフで駆動するものである。
電源６は、負荷５の駆動のための電源を供給する。

実施例１のスイッチング回路の規範電圧波形追従駆動部４について、さらに説明する。
図２は実施例１のスイッチング回路のブロック図である。図３は実施例１のスイッチング回路の回路構成を示す図である。
実施例１のスイッチング回路１において、規範電圧波形追従駆動部４は、比較部４１、閾値電圧オフセット部４２、スイッチング素子制御端子駆動部４３、スイッチング素子４４、出力電圧検知部４５を主要な構成としている。
比較部４１は、抵抗Ｒ１、トランジスタＱ１，Ｑ２からなり、カレントミラー回路を構成し、規範電圧波形と出力波形を比較し、差分を出力する。

閾値電圧オフセット部４２は、抵抗Ｒ３、トランジスタＱ３，Ｑ４、電源Ｖ１からなり、カレントミラー回路を構成し、スイッチング素子の特性に合わせて電圧レベルを直流的にオフセットする。
スイッチング素子制御端子駆動部４３は、抵抗Ｒ４〜Ｒ６、ダイオードＤ１，Ｄ２、トランジスタＱ５，Ｑ６からなり、エミッタフォロア回路（プッシュプル回路）を構成し、スイッチング素子４４のゲート駆動信号を出力する。
スイッチング素子４４は、例えばＭＯＳＦＥＴのパワートランジスタＭ１であり、負荷への電源電圧のオンオフを制御する。
出力電圧検知部４５は、コンデンサＣ１、可変抵抗Ｒ２からなり、スイッチング素子４４から負荷への出力を比較部４１へ入力して、フィードバック構成の帰還路を形成し、この帰還路で出力電圧の検知を行う。なお、コンデンサＣ１は位相進み補償を行う。

図４は実施例１のスイッチング回路の具体例を示す回路構成図である。
図４に示す具体例では、負荷５を抵抗Ｒ７、インダクタンスＬ１、パワートランジスタＭ２で構成している。

作用を説明する。
[良好なノイズ特性と損失特性の生成作用]
図５は実施例１のスイッチング回路の規範電圧波形追従駆動部４の入出力波形の立ち上がりの状態を示すタイムチャート図である。図６は実施例１のスイッチング回路の規範電圧波形追従駆動部４の入出力波形の立ち下がりの状態を示すタイムチャート図である。

実施例１のスイッチング回路１では、まず、制御パルス生成部２が立上り及び立下りを有するパルス、例えばPWMパルスを出力する。
規範電圧波形生成部３では、立上り又は立下りのタイミングを用いて、規範電圧波形を生成する。規範電圧波形は、例えば制御パルスをRCローパスフィルタで丸めるようにし、あるいは特定帯域の通過を抑制して、ノイズと損失を良好な特性にした信号波形である。
規範電圧波形追従駆動部４では、まず、比較部４１のカレントミラー回路構造において、抵抗Ｒ１と可変抵抗Ｒ２はそれぞれ入力（規範電圧波形）と出力の比率を決めており、例えば２倍の関係となる。

例えば、入力電圧が上昇すると、トランジスタＱ１側の電流が増えるのでトランジスタＱ２の電流も増えようとする。その際に、可変抵抗Ｒ２から流れている分の電流よりも多く必要とする分が閾値電圧オフセット部４２から流れ込み、スイッチング素子制御端子駆動部４３のトランジスタＱ５がオフ、トランジスタＱ６がオンする方向へ徐々に変化し、スイッチング素子４４であるパワートランジスタＭ１のゲート電位が下がりオフする方向に変化し出力電圧が上昇する。すなわち、入力電圧が上昇すると出力電圧も上昇する。低下は逆の動作となる。

閾値電圧オフセット部４２では、ダイオードＤ１、ダイオードＤ２からトランジスタＱ２のカレントミラー回路に流れ込む、もしくは流れ出す電流に対して、トランジスタＱ３，Ｑ４のカレントミラー回路部分を用いて予め一定の電流を供給することで、スイッチング素子制御端子駆動部４３の電位をプラス側へオフセットする。トランジスタＱ３から流れ込む電流値は可変抵抗Ｒ３により決定される。また、トランジスタＱ３，Ｑ４の構成を流れ込む構成から吸い込む構成にすればマイナス方向へオフセットする効果を得る。

スイッチング素子制御端子駆動部４３は、コンプリメンタリエミッタフォロア（プッシュプル回路）構成として、低インピーダンス駆動としている。スイッチング素子４４は、取り扱う電力が大きいほどゲートの入力容量が大きく、ミラー効果によりスイッチング時に大きく変化する特性があるため、低インピーダンスで駆動する。
また、出力電圧検知部４５のコンデンサＣ１により出力電圧の位相を進ませることにより、フィードバック構成における応答性を良くする。
実施例１のスイッチング回路１では、図５、図６に、入力波形を線１００ａで、出力波形を線１００ｂで示すように、入力波形と出力波形をカレントミラー回路部分の作用により、よく合うようにする。

また、実施例１のスイッチング回路１では、フィードバック構成により、規範電圧波形と出力電圧波形の差分を求め、差分がなくなるようにスイッチング素子を駆動することで、規範電圧波形に追従した出力電圧波形が得られる。
これにより、ノイズ及び損失の緻密な制御が可能となる。

本来、スイッチング回路における電磁ノイズと損失はトレードオフの関係にあり、スイッチング時の出力波形によりほぼ決まるものである。ノイズの少ない波形を実現するために、パワー素子のゲート側を調節するフィードフォワード構成を考えることができる。しかしながら、フィードフォワード構成を考えると、ゲート駆動インピーダンスを増やすことで容易にノイズを規定レベルまで低減できるが、これに伴い損失が増加するため、損失に耐えうる放熱構造をとらざるを得なくなり、装置が大型化してしまう。
また、フィードフォワード構成を考えると、出力波形はスイッチング素子の特性（ミラー効果等）に支配され、ゲート側で出力をきめ細かく制御することは困難であり、構成が複雑になる。

実施例１のスイッチング回路１では、フィードバック構成を取る規範電圧波形追従駆動部４を備えるため、スイッチング素子の特性の影響を受けにくくし、規範電圧波形生成部３で生成した規範波形を規範電圧波形追従駆動部４に入力することにより、規範波形との差分を少なくするようにしてスイッチング素子を駆動する。これにより装置に依存しないノイズ特性と損失特性を実現する。

言い換えると、実施例１のスイッチング回路１では、規範電圧波形生成部３で生成した規範波形を規範電圧波形追従駆動部４に入力し、規範電圧波形追従駆動部４では、比較部４１と閾値電圧オフセット部４２でカレントミラー回路を用いることにより、入力信号と出力信号をよく合わせる。これにより、入力される規範波形によく合わせた波形を出力して駆動に用いることができる。そのため、ノイズと損失が良好な特性を実現することができる。

さらに、具体的に説明する。
図７は図４の回路構成における各部の信号のタイムチャートである。
図４の回路におけるＡ点の信号波形を図７に線１０１ａで、Ｂ点の信号波形を図１０に線１０１ｂで、Ｃ点の信号波形を図１０に線１０１ｃで、Ｄ点の信号波形を図１０に線１０１ｄで示す。
特に図１０に線１０１ａ、線１０１ｄで示すように、入出力波形はよく合っていて、ノイズと損失が良好な特性を実現できている（図７(a),(d)参照）。

また、実施例１のスイッチング回路１では、比較部４１、閾値電圧オフセット部４２、スイッチング素子制御端子駆動部４３、スイッチング素子４４、出力電圧検知部４５を、抵抗、コンデンサ、トランジスタ、ダイオード、で構成し、高価な電子部品を用いていないため、コストを抑制した構成としている。

次に、効果を説明する。
実施例１のスイッチング回路にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1)規範電圧波形追従駆動部４によりスイッチング素子４４を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路１において、規範電圧波形追従駆動部４へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成部３を備え、規範電圧波形追従駆動部４は、カレントミラーの回路構成によりフィードバックの差動処理を行う比較部４１を備えたため、入力波形と出力波形をよく合わせるようにして、コストを抑制しつつ、フィードバックにより波形生成を安定させ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

(2)規範電圧波形追従駆動部４は、カレントミラーの回路構成によりスイッチング素子４４の駆動レベルに合わせるように波形レベルのシフト処理を行う閾値電圧オフセット部４２を備えたため、入力波形と出力波形をよく合わせるようにしつつ、スイッチング素子４４の駆動に充分な電圧レベルの波形整形を行うことができる。

(3)規範電圧波形追従駆動部４は、フィードバックにおける比較部４１への帰還路に、波形の位相を進ませるコンデンサＣ１を備えたため、応答性を向上させることができる。

(4)スイッチング素子４４を駆動するための制御パルスを生成する制御パルス生成部２と、制御パルス生成部２で生成出力された信号波形を、特性周波数の通過をフィルタで抑制することにより、予めノイズ特性と損失特性を設定した規範電圧波形にして出力する規範電圧波形生成部３と、フィードバック回路構成により、入力される規範電圧波形に出力波形を近づける波形整形を行う規範波形追従駆動部４と、規範波形追従駆動部４からの制御信号に従って負荷５を駆動させるスイッチング素子４４を備え、規範波形追従駆動部４は、２つのトランジスタＱ１，Ｑ２をベース入力が共有する対称状に配置したカレントミラーの回路構成によりフィードバックの差動処理を行う比較部４１と、２つのトランジスタＱ３，Ｑ４をベース入力が共有する対称状に配置したカレントミラーの回路構成によりスイッチング素子４４の駆動レベルに合わせるように波形レベルのシフト処理を行う閾値電圧オフセット部４２と、２つのトランジスタＱ５，Ｑ６がプッシュプル動作を行うよう配置したエミッタフォロワの回路構成によりスイッチング素子４４の駆動信号を出力するスイッチング素子制御端子駆動部４３と、フィードバックのために出力電圧を検知する出力電圧検知部４５を備えたため、制御パルスから生成したノイズと損失の特性を良好にする規範波形を生成し、この規範波形に追従する駆動信号を、カレントミラーにより入力波形と出力波形をよく合わせるようにし、またトランジスタを用いてコストを抑制した回路構成によりコストを抑制し、フィードバック構成により波形生成を安定させ、良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

以上、本発明のスイッチング回路を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
負荷の例としては、モータや照明、他の動作装置などが挙げられる。

実施例１のスイッチング回路のブロック図である。 実施例１のスイッチング回路のブロック図である。 実施例１のスイッチング回路の回路構成を示す図である。 実施例１のスイッチング回路の具体例を示す回路構成図である。 実施例１のスイッチング回路の規範電圧波形追従駆動部の入出力波形の立ち上がりの状態を示すタイムチャート図である。 実施例１のスイッチング回路の規範電圧波形追従駆動部の入出力波形の立ち下がりの状態を示すタイムチャート図である。 図４の回路構成における各部の信号のタイムチャートである。

符号の説明

１ スイッチング回路
２ 制御パルス生成部
３ 規範電圧波形生成部
４ 規範電圧波形追従駆動部
５ 負荷
６ 電源
４１ 比較部
４２ 閾値電圧オフセット部
４３ スイッチング素子制御端子駆動部
４４ スイッチング素子
４５ 出力電圧検知部
１００ａ 線
１００ｂ 線
１０１ａ〜１０１ｄ 線
Ｃ１ コンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｄ２ ダイオード
Ｌ１ インダクタンス
Ｍ１ パワートランジスタ
Ｍ２ パワートランジスタ
Ｑ１〜Ｑ６ トランジスタ
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 可変抵抗
Ｒ３ 可変抵抗
Ｒ４〜Ｒ７ 抵抗
Ｖ１ 電源
Ｖ２ 電源

Claims (4)

1. フィードバック構成部によりスイッチング素子を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路において、
   前記フィードバック構成部へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成手段を備え、
   前記フィードバック構成部は、カレントミラーの回路構成によりフィードバックの差動処理を行う差動手段を備えた、
   ことを特徴とするスイッチング回路。
2. 請求項１に記載のスイッチング回路において、
   前記フィードバック構成部は、カレントミラーの回路構成により前記スイッチング素子の駆動レベルに合わせるように波形レベルのシフト処理を行うレベルシフト手段を備えた、
   ことを特徴とするスイッチング回路。
3. 請求項１または請求項２に記載のスイッチング回路において、
   前記フィードバック構成部は、フィードバックにおける前記差動手段への帰還路に、波形の位相を進ませる位相進み補償手段を備えた、
   ことを特徴とするスイッチング回路。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のスイッチング回路において、
   前記スイッチング素子を駆動するための制御パルスを生成する制御パルス生成手段と、
   前記制御パルス生成手段で生成出力された信号波形を、特性周波数の通過をフィルタで抑制することにより、予めノイズ特性と損失特性を設定した規範電圧波形にして出力する規範電圧波形生成手段と、
   フィードバック回路構成により、入力される規範電圧波形に出力波形を近づける波形整形を行うフィードバック回路部と、
   前記フィードバック回路部からの制御信号に従って前記負荷を駆動させるスイッチング素子と、
   を備え、
   前記フィードバック回路部は、
   ２つのトランジスタをベース入力が共有する対称状に配置したカレントミラーの回路構成によりフィードバックの差動処理を行う差動手段と、
   ２つのトランジスタをベース入力が共有する対称状に配置したカレントミラーの回路構成により前記スイッチング素子の駆動レベルに合わせるように波形レベルのシフト処理を行うレベルシフト手段と、
   ２つのトランジスタがプッシュプル動作を行うよう配置したエミッタフォロワの回路構成により前記スイッチング素子の駆動信号を出力するスイッチング素子制御端子駆動手段と、
   フィードバックのために出力電圧を検知する出力電圧検知手段と、
   を備えた、
   ことを特徴とするスイッチング回路。

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