JP2012170201A

JP2012170201A - デジタル電源装置

Info

Publication number: JP2012170201A
Application number: JP2011028047A
Authority: JP
Inventors: Yuji Hidaka; 有治日高
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】所望の降圧レベルをプログラマブルに設定可能なデジタル電源装置を提供する。
【解決手段】降圧型のスイッチングレギュレータを備えたデジタル電源装置においてデルタシグマ変調をスイッチング手法として用い、デルタシグマ変調回路におけるフィードバック係数値を、スイッチングレギュレータの出力電圧を処理するデジタルシグナルプロセッサにより設定された値により可変の構成とする。これにより、スイッチングレギュレータの降圧レベルを動的に変更可能なデジタル電源装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明はデジタル電源装置に関する。

近年数多くの電子機器において、小型で高効率かつ集積化が可能であるという理由からスイッチングレギュレータが広く採用されている。スイッチングレギュレータは、図２の概念図に示すように、直流電圧源からの入力電圧Ｖｉｎに対してスイッチング素子２のオン、オフを制御し、これにより生成されるパルス列６をコイル３及びコンデンサ４より構成されるＬＣフィルタによって平滑化することでパルス列６の平均値が所望の定電圧になるようにし、この定電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして出力負荷５に供給する。図２では入力電圧Ｖｉｎが変動していることを示している。

なかでも、降(昇)圧型レギュレータは出力電圧が入力電圧の変動範囲に含まれる場合に用いられるものであり、出力電圧が入力電圧より高い場合は昇圧型レギュレータ、出力電圧が入力電圧より低い場合は降圧型レギュレータが用いられる。供給電圧が不安定な場合、出力電圧が供給電圧の変動範囲内に含まれる場合の電圧安定化には降圧型(あるいは昇圧型)レギュレータの使用が必須となっている（非特許文献１）。

また、スイッチングレギュレータのスイッチング方式としてはＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調が一般に採用されているが、近年デルタシグマ（ΔΣ）変調をスイッチング方式として採用するレギュレータに関する開発も広く行われるようになっている。

デルタシグマ変調はオーディオや通信信号処理などでＡ／Ｄ変換手法として近年広く採用されている。デルタシグマ変調は信号帯域の量子化ノイズを高帯域側へ押し上げるノイズシェーピングと呼ばれる特性を持ち、ＬＳＩ化に適していることから、現在も技術開発が活発に行われている。

図３を参照して一次デルタシグマ変調回路の概念について説明する。図３（ａ）において、一次デルタシグマ変調回路は、入力１１が入力される加算器８、積分器９、出力１２としてビットストリームを出力する量子化器１０及び量子化誤差のフィードバック系１３を含む。このような構成に基づいて変調された信号は、図３（ｂ）に示すように、フィードバック系のフィードバック係数ＫがＫ＝１の時、その出力ビットストリームの局所時間平均値が入力振幅に一致するという特性を持つ。

デルタシグマ変調回路においては、様々な回路トポロジーが提案されており、ビットストリームの出力形式はその回路トポロジーに依存するものの、局所時間平均値が入力振幅と一致するようビットストリームが生成される点は同じである。

馬場清太郎著、「電源回路設計成功のかぎ」CQ出版株式会社

近年の厳しい市場競争、及びそれに伴う製品寿命の短縮化に伴い、電子機器システム設計者は開発に伴う工数を大幅に短縮化することが求められている。また、同時に電子機器システムに搭載される電子装置、例えばデジタル電源装置においても電子機器システムの開発期間短縮化に貢献する為の特徴的な機能を提供することが求められている。

そのような機能の一つとして考えられるのは、電子モジュールが持つ特性を、必要な状況に応じて設定を変更できる機能、つまりプログラマブル性である。例えば、降圧型スイッチングレギュレータを用いるデジタル電源装置の場合、降圧レベルを動的に変更可能なデジタル電源装置の提案が考えられる。

しかし、デジタル電源装置においてスイッチング手法としてデルタシグマ変調を用いる分野に関して、降圧レベルを可変とする手法は現在のところ提案されていない。

本発明は、上記のような観点に鑑みてなされたものである。

本発明の好ましい例においては、降圧型のスイッチングレギュレータを備えたデジタル電源装置においてデルタシグマ変調をスイッチング手法として用い、デルタシグマ変調回路におけるフィードバック係数Ｋを、スイッチングレギュレータの出力電圧を処理するＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）により設定された値により可変の構成とする。

本発明の態様によれば、出力電圧の変化に応じてスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部を有する降圧型のスイッチングレギュレータを含むデジタル電源装置において、前記制御部は、該スイッチングレギュレータの出力電圧を処理する処理部と、該処理部からの出力に基づいてフィードバック系のフィードバック係数を変化させて前記スイッチング素子のスイッチングを制御するデルタシグマ変調回路を含むことにより、当該スイッチングレギュレータの電圧レベルを動的に変更可能としたことを特徴とするデジタル電源装置が提供される。

本発明によるデジタル電源装置はＤＳＰによる降圧レベルのプログラマブル制御を可能にする。これにより、例えば半導体記憶装置を使用した電子機器において、より簡易な制御を可能にするデジタル電源装置を提供でき、半導体記憶装置を使用するユーザに、より高い利便性を提供することが可能になる。

本発明によるデジタル電源装置の実施形態を示す図である。一般的なスイッチングレギュレータ及びその動作に関する概念を説明するための図である。一般的な一次デルタシグマ変調回路とその入力信号振幅と出力ビットストリームの特性について説明するための図である。

図１は、本発明によるデジタル電源装置の実施形態を示した図である。

このデジタル電源装置は降圧型のスイッチングレギュレータを含む。以下では、スイッチングレギュレータのスイッチング形式として一次デルタシグマ変調を適用した場合を例に説明を行う。

本実施形態に係るデジタル電源装置を構成する降圧型のスイッチングレギュレータは、入力電圧Ｖｉｎを入力とするスイッチング素子１７、スイッチング素子１７の出力側に接続されてＬＣフィルタを構成するコイル１８とコンデンサ２０、スイッチング素子１７の制御系を含み、定出力電圧Ｖｏｕｔを出力負荷２２に供給する。スイッチング素子１７はＭＯＳＦＥＴ等の三端子能動素子で実現される。スイッチング素子１７の出力側とグラウンドとの間にはフライホイールダイオード１９が接続されている。

スイッチング素子１７の制御系は、ＬＣフィルタの出力を入力とするＡ（Ａｎａｌｏｇ）／Ｄ（Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータ２３と、Ａ／Ｄコンバータ２３からのデジタル出力を受けてデジタル演算を行うＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）２４とを出力電圧の処理部として有するほか、ＤＳＰ２４とスイッチング素子１７の制御端子との間に接続されたデルタシグマ変調回路２５を有する。ＤＳＰ２４は、Ａ／Ｄコンバータ２３からのデジタル出力に対して演算処理を行ない、デルタシグマ変調回路２５の入力１１と、デルタシグマ変調回路２５のフィードバック係数Ｋの書き換えを指示する書き換え信号２６を出力する。この種のＤＳＰにおける演算処理は良く知られているので、詳しい説明は省略する。また、ＤＳＰ２４に対し、図示しない設定部からの設定入力によりフィードバック係数Ｋの書き換えを指示することもできる。

このスイッチングレギュレータは、入力電圧Ｖｉｎに対してスイッチング素子１７をオン、オフ制御することで生成されるパルス列をコイル１８、コンデンサ２０より構成されるＬＣフィルタによって平均化し、得られる出力電圧Ｖｏｕｔが所望の定電圧値になるよう、ＤＳＰ２４がデルタシグマ変調回路２５を介してスイッチング素子１７の制御を実行する。

本実施形態におけるデルタシグマ変調回路２５は、図３で説明したように、加算器８、積分器９、量子化器１０を含むほか、量子化誤差のフィードバック系として乗算器１４と記憶素子１５を有する。加算器８はＡ／Ｄコンバータ２３経由でＤＳＰ２４から送られてくる電圧値を示す入力１１を受ける。量子化器１０はビットストリーム（図３ｂ参照）を出力１２として出力し、スイッチング素子１７のオン、オフを制御する。乗算器１４は、量子化器１０の出力と記憶素子１５の出力を乗算して加算器８にフィードバックする。記憶素子１５はＤＳＰ２４からの書き換え信号２６により記憶値を書き換え、フィードバック係数Ｋを規定する信号を乗算器１４に出力する。乗算器１４の入力はシングルビットであるので、マルチプレクサでも代用できる。記憶素子１５は、フリップフロップやＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）のほか、記憶手段として使用できるものであれば何で実現されても良い。

前述のデルタシグマ変調の特性により、ＤＳＰ２４からの書き換え信号２６によって記憶素子１５の値を書き換えることで、入力電圧Ｖｉｎに対するスイッチング素子１７のオン、オフの周期が変更制御され、スイッチングレギュレータの出力電圧Ｖｏｕｔが変化する。その結果、ＤＳＰ２４からデルタシグマ変調回路２５に与える書き換え信号２６の設定を変えることで所望の降圧レベルをプログラマブルに設定することが可能になる。つまり、ＤＳＰ２４は、出力電圧Ｖｏｕｔの値に応じその変動を抑制するためのスイッチング素子１７のスイッチング周期を適切にするために必要なデルタシグマ変調回路２５のフィードバック係数Ｋを算出し、記憶素子１５の書き換えを行なう機能を有すると共に、ＤＳＰ２４に対して与えられる設定入力に応じて記憶素子１５の書き換えを行なってフィードバック係数Ｋを変更する機能を有する。

以上のように、本デジタル電源装置はＤＳＰによる降圧レベルのプログラマブル制御が可能であり、これにより、例えば半導体記憶装置を使用した電子機器において、より簡易な制御を可能にするデジタル電源装置を提供でき、半導体記憶装置を使用するユーザに、より高い利便性を提供することが可能になる。

本発明にもとづく降圧型のスイッチングレギュレータは様々な電子機器に搭載する電源システムへの使用に好適であり、より高い利便性を顧客に提供することが可能になる。

２、１７スイッチング素子
３、１８コイル
４、２０コンデンサ
５、２２出力負荷
８加算器
９積分器
１０量子化器
１４乗算器
１５記憶素子
１９フライホイールダイオード
２４ＤＳＰ
２５デルタシグマ変調回路

Claims

出力電圧の変化に応じてスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部を有する降圧型のスイッチングレギュレータを含むデジタル電源装置において、
前記制御部は、該スイッチングレギュレータの出力電圧を処理する処理部と、該処理部からの出力に基づいてフィードバック系のフィードバック係数を変化させて前記スイッチング素子のスイッチングを制御するデルタシグマ変調回路を含むことにより、当該スイッチングレギュレータの電圧レベルを動的に変更可能としたことを特徴とするデジタル電源装置。
前記デルタシグマ変調回路は、前記フィードバック系として、前記フィードバック係数を規定する数値を記憶する書き換え可能な記憶手段と、該記憶手段からの数値と当該デルタシグマ変調回路の出力とを乗算し乗算結果をフィードバックする乗算器と、を有することを特徴とする請求項１に記載のデジタル電源装置。
前記処理部は、前記スイッチングレギュレータの出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータと、該Ａ／Ｄコンバータの出力を受けて演算処理を行ない、前記出力電圧のデジタル値に応じて、電圧信号を前記デルタシグマ変調回路の入力信号として出力すると共に、前記記憶手段の数値を書き換える書き換え信号を出力することのできるデジタルシグナルプロセッサと、を有することを特徴とする請求項２に記載のデジタル電源装置。
前記デルタシグマ変調回路はさらに、前記デジタルシグナルプロセッサからの前記電圧信号と前記乗算器からのフィードバック値とを加算する加算器と、該加算器の出力を積分する積分器と、該積分器の出力を受けてビットストリームを出力する量子化器と、を有し、該量子化器の出力が当該デルタシグマ変調回路の出力として前記乗算器に入力されることを特徴とする請求項３に記載のデジタル電源装置。
当該デルタシグマ変調回路は、可変のフィードバック係数をＫとするとき、その出力として入力信号の１／Ｋの局所時間平均値を持つパルス列を生成し、該１／Ｋの局所時間平均値を持つパルス列を前記スイッチング素子のスイッチング信号として用いることにより、前記フィードバック係数Ｋに反比例する降圧レベルを設定可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のデジタル電源装置。