JP2014049861A - 半導体装置、それを備えたスイッチング電源装置及び半導体装置のキャリブレーション方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一実施の形態によれば、PWM信号生成装置100は、基準クロック信号CLK又は遅延信号DOUTを選択的に出力するセレクタ101と、遅延素子D1〜D64により構成されセレクタ101の出力に遅延を付加して遅延信号DOUTとして出力する遅延付加部102と、遅延信号DOUTに基づいてカウントアップ動作するカウンタ103と、カウンタ103のカウント値と第1設定信号の値とが一致した場合に比較結果CPOUTを立ち上げる粗デューティ決定回路104と、比較結果CPOUTが立ち上がっている場合に遅延素子D1〜D64の何れかの出力を第2設定信号に基づき選択して出力するセレクタ107と、基準クロック信号CLK及びセレクタ107の出力に応じたPWM信号DOを生成する出力回路108と、を備える。
【選択図】図1
Description
図1は、実施の形態1にかかるPWM信号生成装置(半導体装置)100の構成例を示す図である。本実施の形態にかかるPWM信号生成装置100は、複数の遅延素子及びカウンタを用いて基準クロック信号CLKのデューティ比を調整することにより、高周波のクロック信号を用いることなく高分解能のPWM信号を生成する。それにより、本実施の形態にかかるPWM信号生成装置100は、関連する技術と異なり高周波のクロック信号を生成するクロック信号生成回路を別途設ける必要が無いため、消費電力の増大及び回路規模の増大を抑制することができる。以下、具体的に説明する。
セレクタ101は、基準クロック信号CLK又は遅延信号DOUT(後述)を切替信号RSIGに基づき選択し選択信号DINとして出力する。遅延付加部102は、選択信号DINに遅延を付加して遅延信号DOUTとして出力する。
カウンタ103は、遅延信号DOUTに基づきカウントアップ動作する。例えば、カウンタ103は、遅延信号DOUTの立ち上がりに同期してカウントアップ動作する。なお、カウンタ103のカウント値は、例えば、リセット信号RSTがアクティブ(Lレベル)になることで"0"に初期化される。
粗デューティ決定回路104は、外部から供給される設定信号DATAの一部(以下、第1設定信号とも称する)と、カウンタ103のカウント値CTOUTと、を比較して比較結果CPOUTを出力する。例えば、設定信号DATAの一部(第1設定信号)とカウンタ103のカウント値CTOUTとが一致する場合、粗デューティ決定回路104はHレベルの比較結果CPOUT(一致信号)を出力する。一方、設定信号DATAの一部(第1設定信号)とカウンタ103のカウント値CTOUTとが一致しない場合、粗デューティ決定回路104はLレベルの比較結果CPOUTを出力する。本実施の形態では、設定信号DATAの一部(第1設定信号)が、8ビット幅の設定信号DATAのうちの上位2ビットである場合を例に説明する。
微デューティ決定回路105は、比較結果CPOUTに基づいて、設定信号DATAの残りの一部(以下、第2設定信号とも称す)を切替信号MSELとして出力するか否かを制御する。例えば、比較結果CPOUTがHレベルの場合(第1設定信号とカウント値CTOUTとが一致する場合)、微デューティ決定回路105は、設定信号DATAの残りの一部(第2設定信号)を切替信号MSELとして出力する。一方、比較結果CPOUTがLレベルの場合(第1設定信号とカウント値CTOUTとが不一致の場合)、微デューティ決定回路105は、設定信号DATAの残りの一部(第2設定信号)を切替信号MSELとして出力しない。この場合、微デューティ決定回路105は、例えば、値"0"の切替信号MSELを出力する。本実施の形態では、設定信号DATAの残りの一部(第2設定信号)が、8ビット幅の設定信号DATAのうちの下位6ビットである場合を例に説明する。
切替制御部106は、リセット信号RST、遅延素子D32の出力、及び、比較結果CPOUTに基づいて切替信号RSIGを出力する。具体的には、切替制御部106は、リセット信号RSTの解除(リセット信号RSTの立ち上がり)に同期して、Lレベルの切替信号RSIGを出力する。それにより、セレクタ101は、基準クロック信号CLKを選択して選択信号DINとして出力する。また、切替制御部106は、リセット信号RSTの解除後、遅延素子D32の出力の最初の論理値変化(立ち上がり)に同期して、Hレベルの切替信号RSIGを出力する。それにより、セレクタ101は、遅延信号DOUTを選択して選択信号DINとして出力する。さらに、切替制御部106は、比較結果CPOUTの立ち上がり(一致の検出)に同期して、Lレベルの切替信号RSIGを出力する。それにより、セレクタ101は、基準クロック信号CLKを選択して選択信号DINとして出力する。
セレクタ107は、複数の遅延素子D1〜D64の何れかの出力を切替信号MSELに基づいて選択して選択信号MOUTとして出力する。例えば、比較結果CPOUTがHレベルの場合(第1設定信号とカウント値CTOUTとが一致する場合)、微デューティ決定回路105から第2設定信号が切替信号MSELとして出力される。それにより、セレクタ107は、複数の遅延素子D1〜D64の何れかの出力を第2設定信号に基づき選択し選択信号MOUTとして出力する。具体的には、セレクタ107は、第2設定信号が"2"(10進数)を示す場合、遅延素子D2の出力を選択して選択信号MOUTとして出力する。
出力回路108は、基準クロック信号CLK及び選択信号MOUTに応じた出力信号OTOUTを出力する。この出力信号OTOUTは、PWM信号DOとして外部に出力される。より具体的には、出力回路108は、基準クロック信号CLKの立ち上がりに同期して出力信号OTOUT(PWM信号DO)を立ち上げ、選択信号MOUTの立ち上がりに同期して出力信号OTOUT(PWM信号DO)を立ち下げる。
続いて、図2を用いて、PWM信号生成装置100の動作を説明する。図2は、PWM信号生成装置100の動作を示すタイミングチャートである。以下では、基準クロック信号CLKの周波数が2MHzである場合を例に説明する。また、上記したように、設定信号DATAが8ビット、第1設定信号が設定信号DATAの上位2ビット、第2設定信号が設定信号DATAの下位6ビットである場合を例に説明する。
図3は、実施の形態2にかかるPWM信号生成装置(半導体装置)200の構成例を示す図である。図1に示すPWM信号生成装置100は、複数の遅延素子D1〜D64の特性ばらつき等の影響により、高分解能のPWM信号を生成することができない可能性が有る。そこで、本実施の形態にかかるPWM信号生成装置200は、通常動作前にキャリブレーション処理を実施することにより複数の遅延素子の特性ばらつきの影響を抑制する。以下、具体的に説明する。
フルコード出力回路201は、設定信号DATAと同じビット幅のフルコード信号FCODEを出力する。具体的には、フルコード出力回路201は、値"11111111"(2進数)を示すフルコード信号FCODEを出力する。
セレクタ202は、イネーブル信号CRBENに基づいて設定信号DATA又はフルコード信号FCODEを選択的に選択信号PCODEとして出力する。例えば、イネーブル信号CRBENがLレベルの場合、セレクタ202は、フルコード信号FCODEを選択して選択信号PCODEとして出力する。一方、イネーブル信号CRBENがHレベルの場合、セレクタ202は、設定信号DATAを選択して選択信号PCODEとして出力する。
コード調整回路204は、セレクタ202からの選択信号PCODEに対し補正信号CRSIGにて表される係数(後述)を乗算し、設定信号DCODEとして出力する。なお、設定信号DCODEのビット幅は、設定信号DATAと同じ8ビット幅である。PWM信号生成装置200では、設定信号DATAに代えて設定信号DCODEが粗デューティ決定回路104及び微デューティ決定回路105に供給される。
ゲーティング回路205は、後述するイネーブル信号CRBENに基づき出力信号OTOUTをPWM信号DOとして出力するか否かを制御する。例えば、イネーブル信号CRBENがLレベルの場合、ゲーティング回路205は、出力信号OTOUTに関わらず固定レベル(ここではLレベル)のPWM信号DOを出力する。一方、イネーブル信号CRBENがHレベルの場合、ゲーティング回路205は、出力信号OTOUTをPWM信号DOとして出力する。
補正判定回路203は、出力信号OTOUTのデューティ比が所望のデューティ比に達しているか否かを判定し、判定結果に応じた補正信号CRSIGを出力する。より具体的には、補正判定回路203は、出力信号OTOUTのデューティ比がフルコード信号FCODEにより決定される100%のデューティ比に達しているか否かを判定し、判定結果に応じた補正信号CRSIGを出力する。例えば、基準クロック信号CLKの立ち上がり時の出力信号OTOUTがLレベルの場合、補正判定回路203は、出力信号OTOUTのデューティ比が所望のデューティ比に達していないと判定し、補正信号CRSIGの値を増加させる。一方、基準クロック信号CLKの立ち上がり時の出力信号OTOUTがHレベルの場合、補正判定回路203は、出力信号OTOUTのデューティ比が所望のデューティ比に達していると判定し、補正信号CRSIGの値を減少させる。補正判定回路203は、例えば、二分探索アルゴリズムや線形探索アルゴリズムを用いて、最終的な補正信号CRSIGの値を決定する。補正判定回路203の各種アルゴリズムを用いた動作については後述する。
切替制御部206は、切替制御部106と比較して、さらに、イネーブル信号CRBENの立ち上がりに同期してLレベルの切替信号RSIGを出力する。それにより、セレクタ101は、基準クロック信号CLKを選択して選択信号DINとして出力する。切替制御部206のその他の動作については、切替制御部106と同様であるためその説明を省略する。
続いて、図4及び図5を用いて、PWM信号生成装置200の動作を説明する。図4は、PWM信号生成装置200の動作を示すフローチャートである。図5は、PWM信号生成装置200のキャリブレーション処理の詳細を示すフローチャートである。以下では、基準クロック信号CLKの周波数が2MHzである場合を例に説明する。また、上記したように、設定信号DATAが8ビット、第1設定信号が設定信号DATAの上位2ビット、第2設定信号が設定信号DATAの下位6ビットである場合を例に説明する。
続いて、図6を用いて、PWM信号生成装置200の通常動作の詳細を説明する。図6は、PWM信号生成装置200の通常動作を示すタイミングチャートである。以下では、基準クロック信号CLKの周波数が2MHzである場合を例に説明する。また、上記したように、設定信号DATAが8ビット、第1設定信号が設定信号DATAに上位2ビット、第2設定信号が設定信号DATAの下位6ビットである場合を例に説明する。さらに、補正信号CRSIGにて表される係数が1.0である場合を例に説明する。
図7は、実施の形態3にかかるPWM信号生成装置(半導体装置)300の構成例を示す図である。本実施の形態にかかるPWM信号生成装置(半導体装置)300は、PWM信号生成装置200と同じく通常動作前にキャリブレーション処理を実施する機能を有する。以下、具体的に説明する。
補正判定回路303は、補正信号CRSIG2及びイネーブル信号CRBENを出力する。なお、補正信号CRSIG2は、補正信号CRSIGに対応する。補正判定回路303の基本動作については、補正判定回路203と同様であるため、その説明を省略する。
セレクタ309は、複数の遅延素子D1〜D64の何れかの出力を補正信号CRSIG2に基づいて選択し選択信号DMOUTとして出力する。なお、セレクタ101及びカウンタ103には、遅延信号DOUTに代えて選択信号DMOUTが供給される。このセレクタ309の選択により、カウンタ103のカウントアップ周期が調整される。例えば、セレクタ309により後段の遅延素子の出力が選択されると、カウンタ103のカウントアップ周期は大きくなる。一方、セレクタ309により前段の遅延素子の出力が選択されると、カウンタ103のカウントアップ周期は小さくなる。
続いて、図8及び図9を用いて、PWM信号生成装置300の動作を説明する。図8は、PWM信号生成装置300の動作を示すフローチャートである。図9は、PWM信号生成装置300のキャリブレーション処理の詳細を示すフローチャートである。以下では、基準クロック信号CLKの周波数が2MHzである場合を例に説明する。また、上記したように、設定信号DATAが8ビット、第1設定信号が設定信号DATAの上位2ビット、第2設定信号が設定信号DATAの下位6ビットである場合を例に説明する。
続いて、図10を用いて、PWM信号生成装置300の通常動作の詳細を説明する。図10は、PWM信号生成装置300の通常動作を示すタイミングチャートである。以下では、基準クロック信号CLKの周波数が2MHzである場合を例に説明する。また、上記したように、設定信号DATAが8ビット、第1設定信号が設定信号DATAに上位2ビット、第2設定信号が設定信号DATAの下位6ビットである場合を例に説明する。さらに、補正信号CRSIG2の値が"64"を示す場合を例に説明する。
本実施の形態では、実施の形態1〜3にかかるPWM信号生成装置のスイッチング電源への適用事例について説明する。以下では、代表して、PWM信号生成装置200がスイッチング電源に適用された場合について説明する。
続いて、図12を用いて、スイッチング電源装置1の動作を説明する。図12は、スイッチング電源装置1の通常動作を示すタイミングチャートである。
10 制御部
20 直流変換部
30 負荷
11 クロック生成部
12 演算部
13 AD変換部
21 スイッチ回路
22 整流平滑回路
23 電圧検出回路
100 PWM信号生成装置
101 セレクタ
102 遅延付加部
103 カウンタ
104 粗デューティ決定回路
105 微デューティ決定回路
106 切替制御部
107 セレクタ
108 出力回路
200 PWM信号生成装置
201 フルコード出力回路
202 セレクタ
203 補正判定回路
204 コード調整回路
205 ゲーティング回路
206 切替制御部
303 補正判定回路
309 セレクタ
D1〜D64 遅延素子
Claims (20)
- 基準クロック又は遅延信号を選択的に出力する第1選択部と、
直列接続された複数の遅延素子により構成され、前記第1選択部の出力に遅延を付加して前記遅延信号として出力する遅延付加部と、
前記遅延信号に基づいてカウントアップ動作するカウンタと、
前記カウンタのカウント値と第1設定信号の値とが一致した場合に一致信号を出力する一致検出部と、
前記一致検出部から前記一致信号が出力されている場合に前記複数の遅延素子の何れかの出力を第2設定信号に基づき選択して出力する第2選択部と、
前記基準クロック及び前記第2選択部の出力に応じたPWM信号を生成する信号生成部と、を備えた半導体装置。 - 前記第1選択部は、リセット信号の解除に同期して前記基準クロックを選択して出力し、前記リセット信号の解除後、前記複数の遅延素子のうち所定の遅延素子の出力の最初の論理値変化に同期して前記遅延信号を選択して出力する、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1選択部は、前記カウンタのカウント値と前記第1設定信号の値とが一致したことに同期して前記基準クロックを選択して出力する、請求項2に記載の半導体装置。
- 前記一致検出部から前記一致信号が出力されている場合に、前記第2設定信号に応じた切替信号を出力する切替制御部をさらに備え、
前記第2選択部は、前記複数の遅延素子の何れかの出力を当該切替信号に基づき選択して出力する、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記PWM信号のデューティ比と前記第1及び前記第2設定信号により決定されるデューティ比との差分を検出し、その検出結果に基づいて前記PWM信号のデューティ比を調整する信号補正部をさらに備えた請求項1に記載の半導体装置。
- 前記信号補正部は、
前記PWM信号のデューティ比が前記第1及び前記第2設定信号により決定されるデューティ比に達しているか否かを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて前記PWM信号のデューティ比を調整する調整部と、を備えた請求項5に記載の半導体装置。 - 前記調整部は、前記第1及び前記第2設定信号に対し前記判定結果に応じた係数を乗算して出力することにより、前記PWM信号のデューティ比を調整する、請求項6に記載の半導体装置。
- 前記調整部は、第3選択部であって、前記複数の遅延素子の何れかの出力を前記判定結果に基づいて選択し前記遅延信号として出力することにより、前記PWM信号のデューティ比を調整する、請求項6に記載の半導体装置。
- 前記調整部は、
前記PWM信号のデューティ比が前記第1及び前記第2設定信号により決定されるデューティ比に達していない場合、前記PWM信号のデューティ比の下限値及び上限値の中央値を新たな下限値に設定するとともに、前記PWM信号のデューティ比を前記新たな下限値及び前記上限値の中央値に調整し、
前記PWM信号のデューティ比が前記第1及び前記第2設定信号により決定されるデューティ比に達している場合、前記PWM信号のデューティ比の下限値及び上限値の中央値を新たな上限値に設定するとともに、前記PWM信号のデューティ比を前記下限値及び前記新たな上限値の中央値に調整する、請求項6に記載の半導体装置。 - 前記調整部は、前記第1及び前記第2設定信号に対し前記判定結果に応じた係数を乗算して出力することにより、前記PWM信号のデューティ比を調整し、
前記判定部による判定及び前記調整部による調整は、前記第1及び前記第2設定信号のそれぞれのビット幅に基づき決定される回数繰り返される、請求項9に記載の半導体装置。 - 前記調整部は、第3選択部であって、前記複数の遅延素子の何れかの出力を前記判定結果に基づいて選択し前記遅延信号として出力することにより、前記PWM信号のデューティ比を調整し、
前記判定部による判定及び前記調整部による調整は、前記複数の遅延素子の数に基づいて決定される回数繰り返される、請求項9に記載の半導体装置。 - 直列接続された複数の遅延素子により構成され、基準クロックに遅延を付加して遅延信号として出力する遅延付加部と、
前記複数の遅延素子の何れかの出力を設定信号に基づき選択して出力する選択部と、
前記基準クロック及び前記選択部の出力に応じたPWM信号を生成する信号生成部と、
前記PWM信号のデューティ比と前記設定信号により決定されるデューティ比との差分を検出し、その検出結果に基づいて前記PWM信号のデューティ比を調整する信号補正部と、を備えた半導体装置。 - 前記信号補正部は、
前記PWM信号のデューティ比が前記設定信号により決定されるデューティ比に達しているか否かを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて前記PWM信号のデューティ比を調整する調整部と、を備えた請求項12に記載の半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置と、
入力電圧を前記半導体装置から出力された前記PWM信号のデューティ比に応じた電圧レベルまで昇圧又は降圧し出力電圧として出力する直流変換部と、
前記出力電圧に応じた電圧をディジタル信号に変換するAD変換部と、
前記ディジタル信号に応じた前記第1及び前記第2設定信号を生成する演算部と、を備えたスイッチング電源装置。 - 基準クロック又は遅延信号を選択的に出力する第1選択部と、
直列接続された複数の遅延素子により構成され、前記第1選択部の出力に遅延を付加して前記遅延信号として出力する遅延付加部と、
前記遅延信号に基づいてカウントアップ動作するカウンタと、
前記カウンタのカウント値と第1設定信号の値とが一致した場合に一致信号を出力する一致検出部と、
前記一致検出部から前記一致信号が出力されている場合に前記複数の遅延素子の何れかの出力を第2設定信号に基づき選択して出力する第2選択部と、
前記基準クロック及び前記第2選択部の出力に応じたPWM信号を生成する信号生成部と、を備えた半導体装置のキャリブレーション方法であって、
前記PWM信号のデューティ比が前記第1及び前記第2設定信号により決定されるデューティ比に達しているか否かを判定し、
その判定結果に基づいて前記PWM信号のデューティ比を調整する、半導体装置のキャリブレーション方法。 - 前記第1及び前記第2設定信号に対し前記判定結果に応じた係数を乗算して出力することにより、前記PWM信号のデューティ比を調整する、請求項15に記載の半導体装置のキャリブレーション方法。
- 前記複数の遅延素子の何れかの出力を前記判定結果に基づいて選択し前記遅延信号として出力することにより、前記PWM信号のデューティ比を調整する、請求項15に記載の半導体装置のキャリブレーション方法。
- 前記PWM信号のデューティ比が前記第1及び前記第2設定信号により決定されるデューティ比に達していない場合、前記PWM信号のデューティ比の下限値及び上限値の中央値を新たな下限値に設定するとともに、前記PWM信号のデューティ比を前記新たな下限値及び前記上限値の中央値に調整し、
前記PWM信号のデューティ比が前記第1及び前記第2設定信号により決定されるデューティ比に達している場合、前記PWM信号のデューティ比の下限値及び上限値の中央値を新たな上限値に設定するとともに、前記PWM信号のデューティ比を前記下限値及び前記新たな上限値の中央値に調整する、請求項15に記載の半導体装置のキャリブレーション方法。 - 前記PWM信号のデューティ比が前記第1及び前記第2設定信号により決定されるデューティ比に達しているか否かを判定する判定処理と、前記第1及び前記第2設定信号に対し前記判定結果に応じた係数を乗算して出力することにより前記PWM信号のデューティ比を調整する調整処理と、を前記第1及び前記第2設定信号のそれぞれのビット幅に基づき決定される回数繰り返す、請求項18に記載の半導体装置のキャリブレーション方法。
- 前記PWM信号のデューティ比が前記第1及び前記第2設定信号により決定されるデューティ比に達しているか否かを判定する判定処理と、前記複数の遅延素子の何れかの出力を前記判定結果に基づいて選択し前記遅延信号として出力することにより前記PWM信号のデューティ比を調整する調整処理と、を前記複数の遅延素子の数に基づいて決定される回数繰り返す、請求項18に記載の半導体装置のキャリブレーション方法。
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