JP2014113011A - スイッチング電源の制御回路ならびにそれを用いたスイッチング電源および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】軽負荷状態において、スイッチング周波数が安定しているスイッチング電源を提供する。
【解決手段】昇降圧型のスイッチング電源の制御回路100が提供される。昇圧用、降圧用それぞれのフィードバックループに、誤差増幅器10、オシレータ12、オシレータ14、パルス変調器16、パルス変調器24、ドライバ40のセットが設けられる。誤差増幅器10は、フィードバック信号VFBと、所定の基準電圧VREFとの誤差に応じた誤差信号VERRを生成する。対応するパルス変調器16は、誤差信号VERR応じた信号と周期信号VOSC1もとづいて、パルス信号S1(S3)を生成する。パルス変調器24は、誤差信号VERRに応じたパルス幅を有するパルス信号S2(S4)を生成する。スイッチング素子M1〜M4は、パルス信号S1〜S4にもとづいてスイッチングされる。
【選択図】図1
【解決手段】昇降圧型のスイッチング電源の制御回路100が提供される。昇圧用、降圧用それぞれのフィードバックループに、誤差増幅器10、オシレータ12、オシレータ14、パルス変調器16、パルス変調器24、ドライバ40のセットが設けられる。誤差増幅器10は、フィードバック信号VFBと、所定の基準電圧VREFとの誤差に応じた誤差信号VERRを生成する。対応するパルス変調器16は、誤差信号VERR応じた信号と周期信号VOSC1もとづいて、パルス信号S1(S3)を生成する。パルス変調器24は、誤差信号VERRに応じたパルス幅を有するパルス信号S2(S4)を生成する。スイッチング素子M1〜M4は、パルス信号S1〜S4にもとづいてスイッチングされる。
【選択図】図1
Description
本発明は、スイッチング電源に関する。
入力電圧よりも高い電圧もしくは低い電圧を生成するために、スイッチング電源が利用される。スイッチング電源は、出力インダクタ、出力キャパシタ、スイッチングトランジスタおよびスイッチングトランジスタのオンオフを制御するための制御回路を備える。
スイッチング電源の軽負荷時における効率を高めるために、軽負荷状態においてスイッチング素子のオン、オフ切りかえの頻度、つまりスイッチング周波数を低下させる場合がある。これにより、スイッチング素子のオン抵抗による損失、スイッチング素子のゲート容量の充放電電流に起因する損失、整流素子における損失の低減が図られる。
しかしながら、負荷が軽くなり、スイッチング周波数が低下すると、20〜20kHz程度の可聴帯域に入り、スイッチング電源を搭載するセット(電子機器)のユーザが、スイッチングを音響ノイズとして知覚するようになり、好ましく無い場合がある。また、音響ノイズとして聞こえなくても、スイッチング周波数が変動することが好ましくない場合もある。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、軽負荷状態において、スイッチング周波数が安定しているスイッチング電源の提供にある。
本発明のある態様は、昇降圧型のスイッチング電源の制御回路に関する。制御回路は、スイッチング電源の電気的状態を示すフィードバック信号と所定の第1基準電圧との誤差に応じた第1誤差信号を生成する第1誤差増幅器と、第1周波数の第1周期信号を生成する第1オシレータと、スロープ部分を有する第1周波数より低い第2周波数の第2周期信号を生成する第2オシレータと、第1誤差信号に応じた信号と第1周期信号にもとづいて、第1周波数を有し、かつ誤差信号に応じたパルス幅を有する第1パルス信号を生成するとともに、第1パルス信号のパルス幅を所定の第1最小パルス幅より短くならないようにクランプする第1パルス変調器と、第1誤差信号に応じた信号を第2周期信号と比較することにより第1誤差信号に応じたパルス幅を有する第2パルス信号を生成する第2パルス変調器と、第1パルス信号と第2パルス信号を合成し、第1駆動パルス信号を生成する第1ロジック部と、フィードバック信号と、所定の第2基準電圧との誤差に応じた第2誤差信号を生成する第2誤差増幅器と、第3周波数の第3周期信号を生成する第3オシレータと、スロープ部分を有する第3周波数より低い第4周波数の第4周期信号を生成する第4オシレータと、第2誤差信号に応じた信号と第3周期信号にもとづいて、第3周波数を有し、かつ第2誤差信号に応じたパルス幅を有する第3パルス信号を生成するとともに、第3パルス信号のパルス幅を所定の第2最小パルス幅より短くならないようにクランプする第3パルス変調器と、第2誤差信号に応じた信号を第4周期信号と比較することにより、第2誤差信号に応じたパルス幅を有する第4パルス信号を生成する第4パルス変調器と、第3パルス信号と第4パルス信号を合成し、第2駆動パルス信号を生成する第2ロジック部と、第1駆動パルス信号に応じて、スイッチング電源の昇圧用のスイッチング素子を駆動するとともに、第2駆動パルス信号に応じて、スイッチング電源の降圧用のスイッチング素子を駆動するドライバと、を備える。
スイッチング電源が昇圧動作を行うとき、重負荷状態においては、第1パルス信号のパルス幅が調節され、軽負荷状態においては、第1パルス信号のパルス幅が第1最小パルス幅に固定されるとともに、負荷に応じて第2パルス信号のパルス幅が変化し、第1パルス信号がマスクされる。その結果、軽負荷状態において、パルスの数を減らすことができ、効率を高めることができるとともに、スイッチング周波数を第2周波数に固定できる。
スイッチング電源が降圧動作を行うとき、重負荷状態においては、第3パルス信号のパルス幅が調節され、軽負荷状態においては、第3パルス信号のパルス幅が第2最小パルス幅に固定されるとともに、負荷に応じて第4パルス信号のパルス幅が変化し、第3パルス信号がマスクされる。その結果、軽負荷状態において、パルスの数を減らすことができ、効率を高めることができるとともに、スイッチング周波数を第4周波数に固定できる。
スイッチング電源では、急峻な負荷変動や入力電圧変動など(以下、環境変動と総称する)に起因して、誤差増幅器が生成する誤差信号の安定点が変化するが、その変化速度は、フィードバックループの帯域により制約されることになる。したがって昇圧用と降圧用のフィードバックループで単一の誤差増幅器を共有する構成では、環境変動にともない昇圧動作と降圧動作の切り替わりに大きな遅延が生じることにより、出力電圧の変動が大きくなる。これに対してこの態様の制御回路によれば、昇圧用と降圧用に別々の誤差増幅器を設け、昇圧動作と降圧動作で固有の誤差信号を参照することにより、境変動にともなう昇圧動作と降圧動作の切り替わりに要する遅延を短縮でき、出力電圧の変動を抑制できる。
スイッチング電源が降圧動作を行うとき、重負荷状態においては、第3パルス信号のパルス幅が調節され、軽負荷状態においては、第3パルス信号のパルス幅が第2最小パルス幅に固定されるとともに、負荷に応じて第4パルス信号のパルス幅が変化し、第3パルス信号がマスクされる。その結果、軽負荷状態において、パルスの数を減らすことができ、効率を高めることができるとともに、スイッチング周波数を第4周波数に固定できる。
スイッチング電源では、急峻な負荷変動や入力電圧変動など(以下、環境変動と総称する)に起因して、誤差増幅器が生成する誤差信号の安定点が変化するが、その変化速度は、フィードバックループの帯域により制約されることになる。したがって昇圧用と降圧用のフィードバックループで単一の誤差増幅器を共有する構成では、環境変動にともない昇圧動作と降圧動作の切り替わりに大きな遅延が生じることにより、出力電圧の変動が大きくなる。これに対してこの態様の制御回路によれば、昇圧用と降圧用に別々の誤差増幅器を設け、昇圧動作と降圧動作で固有の誤差信号を参照することにより、境変動にともなう昇圧動作と降圧動作の切り替わりに要する遅延を短縮でき、出力電圧の変動を抑制できる。
第1パルス変調器は、第1誤差信号が低下するに従い、第1パルス信号のパルス幅を短くし、第1誤差信号があるしきい値レベルより小さくなると第1パルス信号のパルス幅を第1最小パルス幅にてクランプしてもよい。第2パルス変調器は、第1パルス信号のパルス幅がクランプされた状態において、第1誤差信号が低下するに従い、第2パルス信号のパルス幅を短くしてもよい。第3パルス変調器は、第2誤差信号が低下するに従い、第3パルス信号のパルス幅を短くし、第2誤差信号があるしきい値レベルより小さくなると第3パルス信号のパルス幅を第2最小パルス幅にてクランプしてもよい。第4パルス変調器は、第3パルス信号のパルス幅がクランプされた状態において、第2誤差信号が低下するに従い、第4パルス信号のパルス幅を短くしてもよい。
第1パルス変調器および第3パルス変調器はそれぞれ、電圧モードの変調器であってもよい。
第1周期信号は、第2周期信号より高い電圧範囲にスロープ部分を有し、第3周期信号は、第4周期信号より高い電圧範囲にスロープ部分を有してもよい。第1パルス変調器は、第1誤差信号を第1周期信号と比較し、第1パルス信号を生成する第1コンパレータを含み、第1パルス信号のパルス幅を第1最小パルス幅より短くならないようにクランプするよう構成されてもよい。第3パルス変調器は、第2誤差信号を第3周期信号と比較し、第3パルス信号を生成する第3コンパレータを含み、第3パルス信号のパルス幅を第2最小パルス幅より短くならないようにクランプするよう構成されてもよい。
第3周期信号は、第2周期信号より低い電圧範囲にスロープ部分を有してもよい。
この場合、第1誤差信号が第1、第2周期信号の電圧範囲に含まれるときに、昇圧動作を、第2誤差信号が第3、第4周期信号の電圧範囲に含まれるときに、降圧動作を行うことができる。
この場合、第1誤差信号が第1、第2周期信号の電圧範囲に含まれるときに、昇圧動作を、第2誤差信号が第3、第4周期信号の電圧範囲に含まれるときに、降圧動作を行うことができる。
第1パルス変調器および第3パルス変調器はそれぞれ、電流モードの変調器であってもよい。
第1パルス変調器は、スイッチング電源のインダクタに流れる電流に応じた電流検出信号を、第1誤差信号と比較し、第1セットパルスを生成する第5コンパレータと、そのセット端子に第1セットパルスが入力され、そのリセット端子に第1周期信号が入力され、第1パルス信号を出力する第1SRフリップフロップと、を含んでもよい。第1パルス変調器は、第1SRフリップフロップから出力される第1パルス信号のパルス幅を第1最小パルス幅より短くならないようにクランプするよう構成されてもよい。
第3パルス変調器は、スイッチング電源のインダクタに流れる電流に応じた電流検出信号を、第2誤差信号と比較し、第2セットパルスを生成する第6コンパレータと、そのセット端子に第2セットパルスが入力され、そのリセット端子に第1周期信号が入力され、第3パルス信号を出力する第2SRフリップフロップと、を含んでもよい。第3パルス変調器は、第2SRフリップフロップから出力される第3パルス信号のパルス幅を第2最小パルス幅より短くならないようにクランプするよう構成されてもよい。
第3パルス変調器は、スイッチング電源のインダクタに流れる電流に応じた電流検出信号を、第2誤差信号と比較し、第2セットパルスを生成する第6コンパレータと、そのセット端子に第2セットパルスが入力され、そのリセット端子に第1周期信号が入力され、第3パルス信号を出力する第2SRフリップフロップと、を含んでもよい。第3パルス変調器は、第2SRフリップフロップから出力される第3パルス信号のパルス幅を第2最小パルス幅より短くならないようにクランプするよう構成されてもよい。
第1パルス変調器は、第1周波数を有し、かつ第1最小パルス幅を有する第1最小パルス幅信号を生成する第1最小パルス幅信号生成部と、第1パルス信号と第1最小パルス幅信号を論理演算することにより、第1パルス信号のパルス幅を第1最小パルス幅より短くならないようにクランプする論理ゲートと、をさらに含んでもよい。第3パルス変調器は、第3周波数を有し、かつ第2最小パルス幅を有する第2最小パルス幅信号を生成する第2最小パルス幅信号生成部と、第3パルス信号と第2最小パルス幅信号を論理演算することにより、第3パルス信号のパルス幅を第2最小パルス幅より短くならないようにクランプする論理ゲートと、をさらに含んでもよい。
ある態様の制御回路は、第1誤差信号を所定の第1電圧より低くならないようにクランプする第1クランプ回路をさらに備えてもよい。これにより、降圧動作から昇圧動作への切り替わりに要する遅延をさらに短縮できる。
ある態様の制御回路は、第2誤差信号を所定の第2電圧より高くならないようにクランプする第2クランプ回路をさらに備えてもよい。これにより、昇圧動作から降圧動作への切り替わりに要する遅延をさらに短縮できる。
第2パルス変調器は、第1誤差信号を第2周期信号と比較し、第2パルス信号を生成する第2コンパレータを含んでもよい。第4パルス変調器は、第2誤差信号を第4周期信号と比較し、第4パルス信号を生成する第4コンパレータを含んでもよい。
第1オシレータは、第1キャパシタと、第1キャパシタの電圧が所定の第1上限レベルに達すると放電を開始し、第1キャパシタの電圧が所定の第1下限レベルに達すると充電を開始する第1充放電回路と、を含み、第1キャパシタの電圧を、第1周期信号として出力するとともに、充放電回路の充電状態と放電状態の切りかえに応じてレベルが遷移する第1同期クロックを出力してもよい。第2オシレータは、第2キャパシタと、同期クロックを分周する分周器と、分周された第1同期クロックと同期して、第2キャパシタの充放電を行う第2充放電回路と、を含み、第2キャパシタの電圧を第2周期信号として出力してもよい。第3オシレータは、第3キャパシタと、第3キャパシタの電圧が所定の第2上限レベルに達すると放電を開始し、第2キャパシタの電圧が所定の第2下限レベルに達すると充電を開始する第3充放電回路と、を含み、第3キャパシタの電圧を、第3周期信号として出力するとともに、充放電回路の充電状態と放電状態の切りかえに応じてレベルが遷移する第2同期クロックを出力してもよい。第4オシレータは、第4キャパシタと、第2同期クロックを分周する分周器と、分周された第2同期クロックと同期して、第4キャパシタの充放電を行う第4充放電回路と、を含み、第4キャパシタの電圧を第4周期信号として出力してもよい。
第2オシレータは、第1パルス信号の第1最小パルス幅の区間においてスロープを有し、それ以外の区間で平坦な第2周期信号を生成し、第4オシレータは、第3パルス信号の第2最小パルス幅の区間においてスロープを有し、それ以外の区間で平坦な第4周期信号を生成してもよい。
この場合、不感帯が発生するのを防止できる。
この場合、不感帯が発生するのを防止できる。
本発明の別の態様は、昇降圧型のスイッチング電源に関する。スイッチング電源は、第1端および第2端を有するインダクタと、出力ラインと接地ラインの間に設けられた出力キャパシタと、入力ラインとインダクタの第1端の間に設けられた降圧用のスイッチングトランジスタと、インダクタの第1端と接地ラインの間に設けられた降圧用の同期整流トランジスタと、インダクタの第2端と接地ラインの間に設けられた昇圧用のスイッチングトランジスタと、インダクタの第2端と出力ラインの間に設けられた昇圧用の同期整流トランジスタと、第1駆動パルス信号に応じて、昇圧用のスイッチングトランジスタおよび昇圧用の同期整流トランジスタを駆動するとともに、第2駆動パルス信号に応じて、降圧用のスイッチングトランジスタおよび降圧用の同期整流トランジスタを駆動する上述のいずれかの制御回路と、を備える。
スイッチング電源は、降圧用の同期整流トランジスタに代えて、降圧用の同期整流ダイオードを備え、昇圧用の同期整流トランジスタに代えて、昇圧用の同期整流ダイオードを備えてもよい。
本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、上述のスイッチング電源を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明のある態様によれば、軽負荷状態において、スイッチング周波数が安定しているスイッチング電源を提供できる。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが部材Bに接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。また、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図1は、実施の形態に係るスイッチング電源2を備える電子機器1の構成を示す回路図である。電子機器1は、たとえば携帯電話端末、PDA(Personal Digital Assistants)、携帯型オーディオプレイヤ、デジタルカメラなどの電池駆動型デバイスであり、スイッチング電源2および負荷回路4を備える。スイッチング電源2は、その入力ラインP1に、図示しない電池やACアダプタからの直流の入力電圧VINを受け、それを昇圧または降圧して、出力ラインP2に接続される負荷回路4に対して出力電圧VOUTを供給する昇降圧型のDC/DCコンバータである。負荷回路4は、その電源として電池電圧より高い電圧を必要とする回路であり、特に限定されない。
スイッチング電源2は、出力回路102、抵抗R1、R2および制御回路100を備える。図1においてトランジスタM1〜M4は制御回路100に外付けされているが、それらは内蔵されてもよい。
出力回路102は、インダクタL1、出力キャパシタC1、スイッチング素子(単にトランジスタともいう)M1〜M4を備える。第1スイッチング素子M1は、降圧用のスイッチングトランジスタであり、第2スイッチング素子M2は、降圧用の同期整流トランジスタM2である。第3スイッチング素子M3は、昇圧用の同期整流トランジスタであり、第4スイッチング素子M4は、昇圧用のスイッチングトランジスタである。出力キャパシタC1の第1端は出力ラインP2と接続され、その第2端は接地される。第1スイッチング素子M1は、入力ラインP1とインダクタL1の第1端の間に設けられる。第2スイッチング素子M2は、インダクタL1の第1端と接地ラインの間に設けられる。第4スイッチング素子M4は、インダクタL1の第2端と接地ラインの間に設けられる。第3スイッチング素子M3は、インダクタL1の第2端と出力ラインP2の間に設けられる。
制御回路100は、フィードバックによって出力ラインP2の出力電圧VOUTを所定の目標値に安定化させる電圧モード制御を行い、トランジスタM1〜M4をスイッチングする。
出力電圧VOUTは、抵抗R1、R2によって分圧され、出力電圧VOUTに応じた検出信号VFBとして、制御回路100のフィードバック(FB)端子に入力される。
制御回路100は、第1誤差増幅器10a、第2誤差増幅器10b、第1オシレータ12a、第2オシレータ14a、第1パルス変調器16a、第2パルス変調器24a、第1ロジック部30a、第3オシレータ12b、第4オシレータ14b、第3パルス変調器16b、第4パルス変調器24b、第2ロジック部30b、ドライバ40、第1クランプ回路80a、第2クランプ回路80bを備え、ひとつの半導体基板に一体集積化される。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を1つのICとして集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
第1誤差増幅器10a、第1オシレータ12a、第2オシレータ14a、第1パルス変調器16a、第1ロジック部30a、ドライバ40は。昇圧用のフィードバックループを形成する。また第2誤差増幅器10b、第3オシレータ12b、第4オシレータ14b、第3パルス変調器16b、第2ロジック部30b、ドライバ40は、降圧用のフィードバックループを形成する
はじめに昇圧用のフィードバックループについて説明する。
第1誤差増幅器10aは、スイッチング電源2の電気的状態である出力電圧VOUTを示すフィードバック信号VFBと、所定の基準電圧VREF1との誤差を増幅し、誤差に応じた第1誤差信号VERR1を生成する。第1誤差増幅器10aは、たとえばgmアンプ11、キャパシタC2、抵抗R3を含む。gmアンプ11は、フィードバック信号VFBと第1基準電圧VREF1の誤差に応じた出力電流を生成する。gmアンプ11の出力電流によってキャパシタC2が充放電されることにより、第1誤差信号VERR1が生成される。抵抗R3およびキャパシタC2は位相補償の機能も果たす。誤差信号VERR1の電圧レベルは、VFB>VREF1のとき低下し、VFB<VREF1のとき上昇する。第1誤差増幅器10aの構成は図1のそれには限定されず、公知のさまざまな形式の誤差増幅器が利用できる。
第1誤差増幅器10aは、スイッチング電源2の電気的状態である出力電圧VOUTを示すフィードバック信号VFBと、所定の基準電圧VREF1との誤差を増幅し、誤差に応じた第1誤差信号VERR1を生成する。第1誤差増幅器10aは、たとえばgmアンプ11、キャパシタC2、抵抗R3を含む。gmアンプ11は、フィードバック信号VFBと第1基準電圧VREF1の誤差に応じた出力電流を生成する。gmアンプ11の出力電流によってキャパシタC2が充放電されることにより、第1誤差信号VERR1が生成される。抵抗R3およびキャパシタC2は位相補償の機能も果たす。誤差信号VERR1の電圧レベルは、VFB>VREF1のとき低下し、VFB<VREF1のとき上昇する。第1誤差増幅器10aの構成は図1のそれには限定されず、公知のさまざまな形式の誤差増幅器が利用できる。
本実施の形態において、第1パルス変調器16a、第3パルス変調器16bは、電圧モード制御を行う。
第1オシレータ12aは、第1周波数f1を有し、かつ周期的なスロープ部分を有する第1周期信号VOSC1を生成する。たとえば第1周波数f1は、高負荷状態においてスイッチング電源2が十分なフィードバック制御を実現できる値に設定される。第1周期信号VOSC1は、三角波であってもよいし、のこぎり波であってもよい。第1周期電圧VOSC1は、VH1を上限、VL1を下限とする第1電圧範囲VRNG1をとる。
第2オシレータ14aは、第1周期信号VOSC1より低い第2電圧範囲VRNG2にスロープ部分を有する第2周期信号VOSC2を生成する。第2電圧範囲VRNG2は、VH2を上限、VL2を下限とする。第2周期信号VOSC2の第2周波数f2は、第1周波数f1より低く設定される。第2周波数f2は、可聴帯域である20〜20kHzより高い周波数とすることが望ましい。第2周期信号VOSC2は、三角波であってもよいし、のこぎり波であってもよい。
第1周波数f1と第2周波数f2の関係でいえば、第1周波数f1は、第2周波数f2の整数倍、さらに好ましくは2m倍(mは自然数)であることが望ましい。これにより、一方の周波数を、分周もしくは逓倍することにより、他方の周波数を生成することが容易となる。本実施の形態では、第1周波数f1=400kHz、第2周波数f2=400/16=25kHzであるとする。
第1パルス変調器16aは、第1誤差信号VERR1に応じた信号を、第1周期信号VOSC1と比較することにより第1パルス信号S1を生成する。図1において、第1誤差信号VERR1に応じた信号は、第1誤差信号VERR1そのものであるが、それをレベルシフトしたり、分圧したり、その他の信号処理を行った信号を、第1周期信号VOSC1と比較してもよい。
第1パルス信号S1のパルス幅(デューティ比)τ1は、第1誤差信号VERR1に応じて変化する。つまりパルス幅変調される。また第1パルス変調器16aは、第1パルス信号S1のパルス幅τ1が所定の第1最小パルス幅τMIN1より短くならないようにクランプ可能に構成される。
第1パルス変調器16aは、第1誤差信号VERR1を第1周期信号VOSC1と比較することにより、第1パルス信号S1を生成する。具体的には、第1パルス変調器16aは、第1コンパレータ18a、第1最小パルス幅信号生成部20a、第1論理ゲート22aを備える。第1コンパレータ18aは、第1誤差信号VERR1を第1周期信号VOSC1と比較し、VERR1>VOSC1のときハイレベルとなる第1中間パルス信号S1’を生成する。第1中間パルス信号S1’のパルス幅(デューティ比)は、第1誤差信号VERR1が低下するほど短くなる。
第1最小パルス幅信号生成部20aは、第1周波数f1を有し、第1最小パルス幅τMIN1を有する第1最小パルス幅信号S5を生成する。第1論理ゲート22aは、第1中間パルス信号S1’と、第1最小パルス幅信号S5を論理合成、具体的には論理和をとることにより、第1パルス信号S1を生成する。第1パルス信号S1のパルス幅τ1は、第1最小パルス幅τMIN1にてクランプされ、それ以下とはならない。なお、第1パルス信号S1のパルス幅をクランプする手段は、図1の構成には限定されず、当業者であればその他の構成が採用しうることが理解される。
第2パルス変調器24aは、第1誤差信号VERR1に応じた信号を、第2周期信号VOSC2と比較することにより、第1誤差信号VERR1に応じたパルス幅τ2を有する第2パルス信号S2を生成する。第2パルス変調器24aは、第2コンパレータ26aを含む。第2コンパレータ26aは、第1誤差信号VERR1を第2周期信号VOSC2と比較し、VERR1>VOSC2のときハイレベルとなる第2パルス信号S2を生成する。第2パルス信号S2のパルス幅(デューティ比)τ2は、第1誤差信号VERR1が低下するほど短くなる。つまり第2パルス信号S2もパルス幅変調される。
第1パルス変調器16aは、第1誤差信号VERR1が低下するに従い、第1パルス信号S1のパルス幅τ1を短くする。そして第1誤差信号VERR1が所定のしきい値レベルVthより小さくなると、第1パルス信号S1のパルス幅τ1を第1最小パルス幅τMIN1より短くならないようにクランプする。一方、第2パルス変調器24aは、第1パルス信号S1のパルス幅がクランプされた状態において、第1誤差信号VERR1が低下するに従い、第2パルス信号S2のパルス幅を短くする。
第1ロジック部30aは、第1パルス信号S1と第2パルス信号S2を論理演算により合成し、第1駆動パルス信号S7を生成する。具体的には、第1ロジック部30aはANDゲートを含み、2つの信号S1とS2の論理積をとり、第2パルス信号S2を用いて第1パルス信号S1をマスクすることにより、第1駆動パルス信号S7を生成する。
昇圧動作時に、ドライバ40の第1ドライバ40aは、第1駆動パルス信号S7に応じて、スイッチング電源2の昇圧用のスイッチング素子M3およびM4を相補的にスイッチングする。ドライバ40に含まれる第1ドライバ40aと第2ドライバ40bは相補的にスイッチング動作するよう構成される。具体的には、昇圧動作時には、第1ドライバ40aのみが、降圧動作時には第2ドライバ40bのみがスイッチング動作する。昇圧時には第2ドライバ40bは、スイッチングトランジスタM1を固定的にオン、同期整流トランジスタM2を固定的にオフする。
第1クランプ回路80aは、第1誤差信号VERR1を所定の第1電圧V1より低くならないようにクランプする。第1電圧V1は、第2周期信号VOSC2の電圧範囲の下限VL2よりわずかに低いレベルとすることが好ましい。
続いて降圧用のフィードバックループを説明する。
第2誤差増幅器10bは、フィードバック信号VFBと、所定の第2基準電圧VREF2との誤差を増幅し、それらに応じた第2誤差信号VERR2を生成する。第2誤差増幅器10bは、第1誤差増幅器10aと同様に構成される。
第2誤差増幅器10bは、フィードバック信号VFBと、所定の第2基準電圧VREF2との誤差を増幅し、それらに応じた第2誤差信号VERR2を生成する。第2誤差増幅器10bは、第1誤差増幅器10aと同様に構成される。
第3オシレータ12bは、第3周波数f3の第3周期信号VOSC3を生成する。第3周期信号VOSC3は、VH3を上限、VL3を下限とする第3電圧範囲VRNG3で変化する。本実施の形態において、第3周波数f3は、第1周波数f1と等しいものとするが、変形例においてそれらは異なってもよい。また本実施の形態において、第3電圧範囲VRNG3は、第2電圧範囲VRNG2より低く設定される。
第4オシレータ14bは、第3周期信号VOSC3よりも低い第4電圧範囲VRNG4にスロープ部分を有し、第3周波数f3より低い第4周波数f4を有する第4周期信号VOSC4を生成する。第4電圧範囲VRNG4は、VH4を上限、VL4を下限とする。
第3パルス変調器16bは、第2誤差信号VERR2に応じた信号と第3周期信号VOSC3にもとづいて、第3周波数f3を有し、かつ第2誤差信号VERR2に応じたパルス幅を有する第3パルス信号S3を生成する。また第3パルス変調器16bは、第3パルス信号S3のパルス幅を所定の第2最小パルス幅τMIN2より短くならないようにクランプする。第3パルス変調器16bは、第3コンパレータ18b、第2最小パルス幅信号生成部20b、第4論理ゲート22bを含み、第1パルス変調器16aと同様に構成される。なお第3パルス変調器16bの構成も、図1のそれには限定されない。
第4パルス変調器24bは、第2誤差信号VERR2に応じた信号を第4周期信号VOSC4と比較することにより、第2誤差信号VERR2に応じたパルス幅を有する第4パルス信号S4を生成する。第4パルス変調器24bは第4コンパレータ26bを含み、第2パルス変調器24aと同様に構成される。
第2ロジック部30bは、第3パルス信号S3と第4パルス信号S4を論理演算により合成し、第2駆動パルス信号S8を生成する。ドライバ40の第2ドライバ40bは、第2駆動パルス信号S8に応じて、スイッチング電源2の降圧用のスイッチング素子M1、M2を相補的にスイッチングする。降圧動作時に、第1ドライバ40aは、スイッチングトランジスタM4を固定的にオフ、同期整流トランジスタM3を固定的にオンする。
第2クランプ回路80bは、第2誤差信号VERR2を所定の第2電圧V2より高くならないようにクランプする。第2電圧V2は、第3周期信号VOSC3の電圧範囲よりもわずかに高いレベルとすることが好ましい。
以上が制御回路100を備えるスイッチング電源2の構成である。続いてその動作を説明する。
はじめにスイッチング電源2の昇圧動作を説明する。
昇圧動作時には、第1誤差増幅器10aが生成する第1誤差信号VERR1にもとづいて、スイッチング素子M3、M4がスイッチングし、スイッチング素子M1はオン、スイッチング素子M2はオフしている。
昇圧動作時には、第1誤差増幅器10aが生成する第1誤差信号VERR1にもとづいて、スイッチング素子M3、M4がスイッチングし、スイッチング素子M1はオン、スイッチング素子M2はオフしている。
図2(a)〜(e)は、図1のスイッチング電源2の定常状態における昇圧動作を示すタイムチャートである。図2(a)には、昇圧用のフィードバックループにおいて生成される、第1周期信号VOSC1、第2周期信号VOSC2およびさまざまなレベルの第1誤差信号VERRa〜dが示される。図2(b)〜(e)は、誤差信号VERRa〜VERRdそれぞれにおける各パルスの波形を示す。
図2(b)に示すように、第1誤差信号VERR1が比較的大きいとき(VERRa)、第1パルス信号S1は、誤差信号VERRに応じたパルス幅τ1を有する。このときVERR1>VOSC2であるため、第2パルス信号S2はハイレベルを持続する。その結果、第1駆動パルス信号S7は、第1パルス信号S1と同じパルス信号となる。
第1誤差信号VERR1が低下するに従い、第1パルス信号S1のパルス幅τ1は短くなり、第1誤差信号VERR1があるレベルより低くなると、第1パルス信号S1のパルス幅τ1は、第1最小パルス幅τMIN1にてクランプされる。図2(c)に示すように、第1誤差信号VERRbに対しても、第2パルス信号S2はハイレベルを持続する。このときの第1駆動パルス信号S7は、第1最小パルス幅τMIN1を有し、周波数がf1のパルス信号となる。
図2(d)を参照する。さらに第1誤差信号VERR1が低下しても(VERRc)、第1パルス信号S1のパルス幅τ1は、第1最小パルス幅τMIN1にて固定される。そして、第2パルス信号S2のパルス幅が、誤差信号VERR1に応じて決定される。つまり、第1駆動パルス信号S7に含まれるパルスの数が、第1誤差信号VERR1に応じて変化する。
図2(e)を参照する。さらに第1誤差信号VERR1が低下すると(VERRd)、第2パルス信号S2のパルス幅τ2が小さくなる。そして、第1駆動パルス信号S7の各サイクルの一番後ろのパルスのパルス幅τ1が、第2パルス信号S2のパルス幅τ2の減少にともない短くなっていき、やがて一番最後のパルスが消失する。第2パルス信号S2のパルス幅τ2がさらに短くなるに従い、第2パルス信号S2の各ハイレベル期間に含まれる、第1駆動パルス信号S7のパルスの数が減少する。やがて、第2パルス信号S2の各ハイレベル期間には、それぞれ先頭の第1駆動パルス信号S7のみが含まれるようになる。さらに第2パルス信号S2のパルス幅τ2が、第1最小パルス幅τMIN1より短くなると、第1駆動パルス信号S7のパルス幅が減少していく。
以上がスイッチング電源2の昇圧動作である。
このスイッチング電源2によれば、昇圧動作時に、負荷が重いときには、VL1<VERR1<VH1の領域で動作するため、第1パルス信号S1のデューティ比が調節され、第1周波数f1でスイッチング素子M3、M4が駆動される。
このスイッチング電源2によれば、昇圧動作時に、負荷が重いときには、VL1<VERR1<VH1の領域で動作するため、第1パルス信号S1のデューティ比が調節され、第1周波数f1でスイッチング素子M3、M4が駆動される。
負荷が軽くなるに従い第1誤差信号VERR1が低下し、第1パルス信号S1のデューティ比が小さくなる。やがてVERR1<Vthとなると、第1最小パルス幅τ1でスイッチング素子M3がスイッチングされる。
さらに負荷が軽くなると、VL2<VERR1<VH2の範囲で動作する。負荷が軽くなるに従い、第2パルス信号S2のパルス幅τ2が短くなり、第1パルス信号S1の一部がマスクされ、スイッチングトランジスタM4の実効的なオン時間が低下していく。
最終的には、第2パルス信号S2が短くなると、第1駆動パルス信号S7には第1パルス信号S1の先頭のパルスのみが残り、スイッチング素子M3、M4の駆動周波数は、第2周波数f2と等しくなる。そして、軽負荷状態において、きわめて短いパルスで、間欠的にスイッチングトランジスタM4をスイッチングすることができる。
つまりスイッチング電源2では、軽負荷状態においても、スイッチングトランジスタM4のスイッチング周波数が、第2周波数f2までしか低下しない。つまり、軽負荷状態において、間欠モード(パルス周波数変調モードともいう)で動作する従来のスイッチング電源に比べて、周波数の変動を抑制することができる。
第2周波数f2を可聴帯域より高く設定すれば、音響ノイズの発生を抑制することもできる。
続いてスイッチング電源2の降圧動作を説明する。
図3(a)〜(e)は、図1のスイッチング電源2の定常状態における降圧動作を示すタイムチャートである。
図3(a)〜(e)は、図1のスイッチング電源2の定常状態における降圧動作を示すタイムチャートである。
降圧動作時には、第2誤差増幅器10bが生成する第2誤差信号VERR2にもとづいて、スイッチング素子M1、M2がスイッチングし、スイッチング素子M3がオン、スイッチング素子M4がオフしている。
図3(a)には、降圧用のフィードバックループにおいて生成される、第3周期信号VOSC3、第4周期信号VOSC4およびさまざまなレベルの第2誤差信号VERRa〜dが示される。図3(b)〜(e)は、誤差信号VERRa〜VERRdそれぞれにおける各パルスの波形を示す。降圧時の第2駆動パルス信号S8のパルス幅の変化は、昇圧時の第1駆動パルス信号S7のパルス幅の変化と同様である。
このスイッチング電源2によれば、降圧動作時に、負荷が重いときには、VL3<VERR2<VH3の領域で動作するため、第3パルス信号S3のデューティ比が調節され、第3周波数f3でスイッチング素子M1、M2が駆動される。
負荷が軽くなるに従い第2誤差信号VERR2が低下し、第3パルス信号S3のデューティ比が小さくなる。やがてVERR2<Vthとなると、第2最小パルス幅τMIN2でスイッチング素子M3がスイッチングされる。
さらに負荷が軽くなると、VL4<VERR2<VH4の範囲で動作する。負荷が軽くなるに従い、第4パルス信号S4のパルス幅τ4が短くなり、第3パルス信号S3の一部がマスクされ、スイッチング素子M1の実効的なオン時間が低下していく。
最終的には、第4パルス信号S4が短くなると、第2駆動パルス信号S8には第3パルス信号S3の先頭のパルスのみが残り、スイッチング素子M1、M2の駆動周波数は、第4周波数f4と等しくなる。そして、軽負荷状態において、きわめて短いパルスで、間欠的にスイッチング素子M1、M2をスイッチングすることができる。
つまりスイッチング電源2では、降圧動作の軽負荷状態においても、スイッチング素子M1、M2のスイッチング周波数が、第4周波数f4までしか低下しない。つまり、軽負荷状態において、間欠モード(パルス周波数変調モードともいう)で動作する従来のスイッチング電源に比べて、周波数の変動を抑制することができる。
第4周波数f4を可聴帯域より高く設定すれば、音響ノイズの発生を抑制することもできる。
以上がスイッチング電源2の基本的な構成、動作および効果である。
続いてスイッチング電源2の別の利点を説明する。この利点は、比較技術との対比によって明確となるため、先に比較技術について説明する。
図4は、比較技術に係る制御回路100rを備えるスイッチング電源2rの構成を示す回路図である。制御回路100rでは、昇圧用と降圧用のフィードバックループで単一の誤差増幅器10が共有され、誤差増幅器10が生成する誤差信号VERRが、第1パルス変調器16a、第2パルス変調器24a、第3パルス変調器16b、第4パルス変調器24bに供給される。この制御回路100rにおいても、定常状態では図1の制御回路100と同様に動作する。
ところが、制御回路100rは、急峻な負荷変動や入力電圧変動などの環境変動が生ずると、誤差信号VERRが変動し、以下の問題が生ずる。
図5は、図1のスイッチング電源2および図4のスイッチング電源2rの、負荷変動時の動作を示す波形図である。図5の実線は図1のスイッチング電源2の動作を、破線は図4のスイッチング電源2rの動作を示す。はじめに破線を参照し、図4のスイッチング電源2rの動作を説明する。
時刻t0より前、負荷電流(出力電流)IOは実質的にゼロの初期値Iaであり、軽負荷で定常状態となっている。この間、誤差信号VERRは非常に小さい安定点Vaまで低下しており、スイッチング電源2rは、低い第4周波数f4で、降圧動作を行う。
時刻t0に負荷電流IOが、ある値Ibに急激に増大する。負荷電流IOによって出力キャパシタC1が放電されると、出力電圧VOUTは低下する。これにより、誤差信号VERRの安定点が変化し、フィードバックループの帯域により制約された速度(傾き)で時間とともに増大していき、やがて、電流値Ibに対応する安定点Vbまで到達する。
誤差信号VERRが初期値Vaから安定点Vbに遷移する過程において、まずはじめに誤差信号VERRが第4周期信号VOSC4、第3周期信号VOSC3と交差し、第2駆動パルス信号S8が生成される。そして、第2駆動パルス信号S8に応じて第2ドライバ40bが、降圧用のスイッチング素子M1、M2を駆動する。
さらに誤差信号VERRが増大すると、誤差信号VERRが第2周期信号VOSC2、第1周期信号VOSC1と交差し、スイッチング電源2rは昇圧動作に遷移する。そして、第1駆動パルス信号S7に応じてスイッチング素子M3、M4がスイッチングし、やがて時刻t3に出力電圧VOUTが目標レベルに安定化される。
図4のスイッチング電源2rでは、昇圧用と降圧用のフィードバックループで、単一の誤差増幅器10を共有され、フィードバックループの応答遅れによって、昇圧動作と降圧動作の切り替わりに大きな遅延が生じ、その結果、出力電圧VOUTの変動が大きく、またもとの目標電圧に安定化するまでの時間が長くなる。
続いて実線を参照して、図1のスイッチング電源2の動作を説明する。
図1のスイッチング電源2では、時刻t0より前に、第1誤差信号VERR1が、第1電圧V1でクランプされている。時刻t0に負荷電流Ioが増大すると、第1誤差信号VERR1が、第1電圧V1を始点として安定点Vbに向かって増大し始めるため、図4のスイッチング電源2rに比べて、短い時間で第1誤差信号VERR1が第2周期信号VOSC2、第1周期信号VOSC1と交差し始め、時刻t1に昇圧動作すなわちスイッチング素子M3、M4のスイッチングが開始される。そして、時刻t3よりも早い時刻t2に、出力電圧VOUTは目標レベルに安定化される。また出力電圧VOUTの変動量(アンダーシュート幅、ドロップ量)も、大幅に小さくすることができる。
図1のスイッチング電源2では、時刻t0より前に、第1誤差信号VERR1が、第1電圧V1でクランプされている。時刻t0に負荷電流Ioが増大すると、第1誤差信号VERR1が、第1電圧V1を始点として安定点Vbに向かって増大し始めるため、図4のスイッチング電源2rに比べて、短い時間で第1誤差信号VERR1が第2周期信号VOSC2、第1周期信号VOSC1と交差し始め、時刻t1に昇圧動作すなわちスイッチング素子M3、M4のスイッチングが開始される。そして、時刻t3よりも早い時刻t2に、出力電圧VOUTは目標レベルに安定化される。また出力電圧VOUTの変動量(アンダーシュート幅、ドロップ量)も、大幅に小さくすることができる。
図1のスイッチング電源2によれば、負荷電流IOUTが急激に減少する場合にも同様の効果を得ることができる。この場合、スイッチング電源2は、昇圧動作から降圧動作に遷移する。具体的には初期状態では、第1誤差信号VERR1が安定点Vbに安定化された状態で、スイッチング素子M3、M4がスイッチングされる。負荷変動が発生する前に、第2誤差信号VERR2は、第2電圧V2にクランプされている。
そして負荷電流IOがIa減少すると、出力電圧VOUTが増大し、第2誤差信号VERR2が安定点Vaに向かって変化しはじめる。このとき第2誤差信号VERR2は、安定点Vbではなく、第2電圧V2を始点として変化するため、すみやかに降圧動作を開始することができる。その結果、出力電圧VOUTの変動量(オーバーシュート幅)を低減でき、また、出力電圧VOUTが目標値に収束するのに要するセトリング時間を短縮できる。
続いてその変形例や、具体的な構成例を説明する。
図1のスイッチング電源2において、誤差信号VERR1あるいはVERR2が変化しても、第1駆動パルス信号S7、第2駆動パルス信号S8の実効的なオン時間が変化しない不感帯が存在することは、系の安定性の観点から好ましくない。たとえば不感帯に起因する現象として、軽負荷状態において、第2パルス信号S2のパルス幅が振動し、第2パルス信号S2の1周期に含まれる第1パルス信号S1の個数が、振動する場合がある。
図1のスイッチング電源2において、誤差信号VERR1あるいはVERR2が変化しても、第1駆動パルス信号S7、第2駆動パルス信号S8の実効的なオン時間が変化しない不感帯が存在することは、系の安定性の観点から好ましくない。たとえば不感帯に起因する現象として、軽負荷状態において、第2パルス信号S2のパルス幅が振動し、第2パルス信号S2の1周期に含まれる第1パルス信号S1の個数が、振動する場合がある。
たとえば図2(a)には、第1電圧範囲VRNG1の下限レベルVH1と第2電圧範囲VRNG2の上限レベルVH2がほぼ等しい場合が示されるが、この場合、第1誤差信号VERR1が変化しても、第1駆動パルス信号S7が変化しない不感帯(デッドバンド)が、VH2<VERR1<Vthの範囲に発生する。これを防止するためには、VH2>VL1とし、さらにVH2≒Vthとすればよい。これにより、誤差信号VERR1が低下して第1パルス信号S1のパルス幅がクランプされると、直ちに第2パルス信号S2のパルス幅が短くなるため、不感帯を解消できる。
図3(a)に示される第2誤差信号VERR2についても同様であり、VH4>VL3とし、さらにVH4≒Vthとすればよい。
また、VL2<VERR1<VH2の範囲においても、不感帯が存在することに留意すべきである。つまり第2パルス信号S2の後縁(ネガティブエッジ)が、第1パルス信号S1がローレベルの区間で変化するとき、第1誤差信号VERR1の変化は、第1駆動パルス信号S7の変化として現れない。この問題は、第2周期信号VOSC2の波形を工夫することにより解決できる。
図6は、不感帯を解消するための第2周期信号VOSC2の波形図である。第2オシレータ14aは、第1パルス信号S1がハイレベルとなる第1最小パルス幅τMIN1の区間においてスロープを有し、それ以外の区間で平坦となるように、第2周期信号VOSC2を生成することが望ましい。これにより不感帯を解消できる。
第4周期信号VOSC4についても同様であり、第4オシレータ14bは、第3パルス信号S3がハイレベルとなる第2最小パルス幅τMIN2の区間においてスロープを有し、それ以外の区間で平坦となるように、第4周期信号VOSC4を生成してもよい。これにより不感帯を解消できる。
図7は、制御回路100の一部の具体的な構成例を示す回路図である。図7には、制御回路100のうち、第1オシレータ12a、第2オシレータ14a、第1最小パルス幅信号生成部20aが示される。
第1オシレータ12aは、第1キャパシタCa1と、第1充放電回路50と、を含む。第1キャパシタCa1の一端は接地されている。第1充放電回路50は、第1キャパシタCa1の電圧V1が第1上限レベルVH1に達すると放電を開始し、第1キャパシタCa1の電圧V1が第1下限レベルVL1に達すると充電を開始する。第1オシレータ12aは、第1キャパシタCa1の電圧V1を、第1周期信号VOSC1として出力する。
第1充放電回路50は、電流源CS1、CS2、CS3、コンパレータCMP1、抵抗R11、R12、スイッチSW1を含む。電流源CS1は、第1キャパシタCa1に充電電流ICHを供給する。電流源CS2は、オン、オフが切りかえ可能に構成され、オン状態において第1キャパシタCa1を放電電流IDISで放電する。
電流源CS3、抵抗R11、R12およびスイッチSW1は、電圧VL1、VH1を生成する電圧源を構成する。電流源CS3は、基準電流IREFを生成する。スイッチSW1のオン状態において、第1下限レベルVL1=IREF×R11が生成される。スイッチSW1のオフ状態において、第1上限レベルVH1=IREF×(R11+R12)が生成される。コンパレータCMP1は、第1キャパシタCa1の電圧を、基準電圧VL1/VH1と比較し、比較結果に応じてスイッチSW1のオン、オフを切りかえるとともに、電流源CS2のオン、オフを切りかえる。
この第1オシレータ12aによって、ピークがVH1、ボトムがVL1となるのこぎり波の第1周期信号VOSC1が生成される。
コンパレータCMP1の出力信号(同期クロック)CLKは、充放電回路(CS1、CS2)の充電状態と放電状態の切りかえに応じてレベルが遷移する。同期クロックCLKは、インバータN3によって反転され、第1最小パルス幅信号生成部20aおよび第1充放電回路50へと出力される。
第1最小パルス幅信号生成部20aは、ローパスフィルタLPF1、LPF2、バッファBUF1、インバータN1、N2、NANDゲートNA1、を含む。ローパスフィルタLPF1は、入力された同期クロックCLK#(#は論理反転を示す)をフィルタリングする。バッファBUF1は、ローパスフィルタLPF1の出力を受けるヒステリシスバッファ(シュミットバッファ)である。ローパスフィルタLPF1およびバッファBUF1は、同期クロックCLK1を、第1最小パルス幅τMIN1遅延し、同期クロックCLK1を生成する。
さらにローパスフィルタLPF2、バッファBUF2によって、同期クロックCLKが遅延され、同期クロックCLK2が生成される。同期クロックCLK1と同期クロックCLK2の反転信号CLK2#との論理積をとることにより、第1最小パルス幅τMIN1を有する第1最小パルス幅信号S5が生成される。
第2オシレータ14aは、第2キャパシタCa2、分周器52、第2充放電回路54を備える。分周器52は、同期クロックCLK#を分周する。分周器52は、1/2分周器を、m段含む(mは整数)。4段の分周器が設けられる場合、同期クロックCLK#は1/16分周される。つまり分周器52からは、第2周波数f2を有するパルス信号S16が出力される。
第2充放電回路54は、電流源CS4、CS5、放電スイッチSW2を含む。
分周器52において、各ステージで生成される分周されたm個の信号は、ANDゲートA1を通過する。ANDゲートA1からは、同期クロックCLK#のパルスのうち、16回に1回アサート(ハイレベル)されるパルス信号S17が生成される。このパルス信号S17は、第2周波数f2を有し、パルス幅は同期クロックCLKのそれと等しい。パルス信号S17がアサートされると、電流源CS5がオンし、第2キャパシタCa2が充電される。電流源CS5による充電によって、第2周期信号VOSC2が第2下限レベルVL2まで急激に増大する。第1下限レベルVL2は、電流源CS5からの充電電流ICH2に応じて定められる。
VL2=τMIN1×ICH2/Ca2
VL2=τMIN1×ICH2/Ca2
その後、第1最小パルス幅信号S5がアサート(ハイレベル)されるたびに、電流源CS4がオンし、充電電流ICH1が第2キャパシタCa2に供給され、第2キャパシタCa2が充電される。充電電流ICH1の電流値は、図6の第2周期信号VOSC2の2番目以降のスロープの傾きを規定する。
最小パルス幅信号生成部36は、第1最小パルス幅信号生成部20aと同様に構成される。最小パルス幅信号生成部36は、第2周波数f2のパルス信号S16を受け、最小パルス幅を有する最小パルス幅信号S14を生成する。放電スイッチSW2は、最小パルス幅信号S14がアサートされるたびにオンし、第2キャパシタCa2の電荷が放電される。
図7の第2オシレータ14aによれば、図3に示すように、第1最小パルス幅信号S5のオン区間において、スロープを有する第2周期信号VOSC2を生成できる。
第3オシレータ12b、第4オシレータ14b、第2最小パルス幅信号生成部20bは図7の第1オシレータ12a、第2オシレータ14a、第1最小パルス幅信号生成部20aと同様に構成することができる。
上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
実施の形態では、同期整流型の昇降圧型のスイッチング電源について説明したが、本発明はそれには限定されず、ダイオード整流型のスイッチング電源にも適用可能である。この場合、図1の降圧用の同期整流トランジスタM2および昇圧用の同期整流トランジスタM3それぞれに代えて、降圧用および昇圧用の同期整流ダイオードを設ければよい。
実施の形態では、第1誤差信号VERR1と第2誤差信号VERR2を、別々の電圧範囲に割り当てる場合を説明したが、それらはオーバーラップしていてもよい。この場合、第1周期信号VOSC1と第3周期信号VOSC3それぞれのスロープを同じ電圧範囲に割り当て、第2周期信号VOSC2と第4周期信号VOSC4それぞれのスロープを同じ電圧範囲に割り当ててもよい。
また、実施の形態では電圧モードのスイッチング電源を説明したが、ピーク電流モードや平均電流モードなどの、別の方式のスイッチング電源にも適用できる。この場合、フィードバックの方式に応じて、第1パルス変調器16aおよび第3パルス変調器16bの構成を変更すればよいことは当業者に理解されるところである。
(第1の変形例)
図8は、第1の変形例に係るスイッチング電源2aの構成を示す回路図である。スイッチング電源2aは、ダイオード整流型であり、図8の出力回路102aは、昇圧用のスイッチング素子M3に代えて整流用ダイオードD3を、降圧用のスイッチング素子M2に代えて整流用ダイオードD2を備える。
図8は、第1の変形例に係るスイッチング電源2aの構成を示す回路図である。スイッチング電源2aは、ダイオード整流型であり、図8の出力回路102aは、昇圧用のスイッチング素子M3に代えて整流用ダイオードD3を、降圧用のスイッチング素子M2に代えて整流用ダイオードD2を備える。
また、制御回路100aは、ピーク電流モードの第1パルス変調器16a、第3パルス変調器16bを備える。ここでは、図1との相違点を説明し、共通点の説明は適宜省略する。
はじめに昇圧用のフィードバックループについて説明する。
アンプ60aは、昇圧用のスイッチングトランジスタM1に流れる電流に応じた第1電流検出信号VCS1を生成する。たとえばスイッチングトランジスタM4のソースと接地ライン間には、検出抵抗(不図示)が設けられる。アンプ60aは、検出抵抗Rsの電圧降下を増幅することにより、インダクタL1に流れる電流に比例した第1電流検出信号VCS1を生成してもよい。なお、第1電流検出信号VCS1の生成方法はこれには限定されず、たとえば検出抵抗に代えてスイッチングトランジスタM4のオン抵抗を利用してもよい。
アンプ60aは、昇圧用のスイッチングトランジスタM1に流れる電流に応じた第1電流検出信号VCS1を生成する。たとえばスイッチングトランジスタM4のソースと接地ライン間には、検出抵抗(不図示)が設けられる。アンプ60aは、検出抵抗Rsの電圧降下を増幅することにより、インダクタL1に流れる電流に比例した第1電流検出信号VCS1を生成してもよい。なお、第1電流検出信号VCS1の生成方法はこれには限定されず、たとえば検出抵抗に代えてスイッチングトランジスタM4のオン抵抗を利用してもよい。
第1オシレータ12aは、第1周波数f1を有するリセットパルスSRESETおよび位相補償用のスロープ信号VSLOPEを生成する。リセットパルスSRESETおよびスロープ信号VSLOPEは、図1における第1周期信号VOSC1に対応する。
第1パルス変調器16aは、リセットパルスSRESETおよび位相補償用のスロープ信号VSLOPEにもとづいて、第1周波数f1を有し、かつ第1誤差信号VERR1に応じたパルス幅を有する第1パルス信号S1を生成するとともに、第1パルス信号S1のパルス幅を所定の第1最小パルス幅τMIN1より低くならないようクランプする。
第5コンパレータ18aは、第1電流検出信号VCS1にスロープ信号VSLOPEを重畳した信号を、第1誤差信号VERR1と比較し、比較結果に応じたセットパルスSSETを生成する。
第1SRフリップフロップ19aのセット端子には、セットパルスSSETが入力され、リセット端子には、第1オシレータ12aからのリセットパルスSRESETが入力され、第1SRフリップフロップ19aの出力端子からは、パルス幅変調された第1パルス信号S1’が出力される。
第1SRフリップフロップ19aのセット端子には、セットパルスSSETが入力され、リセット端子には、第1オシレータ12aからのリセットパルスSRESETが入力され、第1SRフリップフロップ19aの出力端子からは、パルス幅変調された第1パルス信号S1’が出力される。
降圧用のフィードバックループも、昇圧用のフィードバックループど同様に構成される。
アンプ60bは、降圧用のスイッチングトランジスタM1に流れる電流に応じた第2電流検出信号VCS2を生成する。たとえばスイッチングトランジスタM1と直列に、検出抵抗(不図示)が設けられる。アンプ60bは、検出抵抗の電圧降下を増幅することにより、インダクタL1に流れる電流に比例した第2電流検出信号VCS2を生成してもよい。なお、第2電流検出信号VCS2の生成方法はこれには限定されず、たとえば検出抵抗に代えてスイッチングトランジスタM1のオン抵抗を利用してもよい。
アンプ60bは、降圧用のスイッチングトランジスタM1に流れる電流に応じた第2電流検出信号VCS2を生成する。たとえばスイッチングトランジスタM1と直列に、検出抵抗(不図示)が設けられる。アンプ60bは、検出抵抗の電圧降下を増幅することにより、インダクタL1に流れる電流に比例した第2電流検出信号VCS2を生成してもよい。なお、第2電流検出信号VCS2の生成方法はこれには限定されず、たとえば検出抵抗に代えてスイッチングトランジスタM1のオン抵抗を利用してもよい。
第3オシレータ12bは、第3周波数f3を有するリセットパルスSRESETおよび位相補償用のスロープ信号VSLOPEを生成する。リセットパルスSRESETおよびスロープ信号VSLOPEは、図1における第3周期信号VOSC3に対応する。
第3パルス変調器16bは、リセットパルスSRESETおよび位相補償用のスロープ信号VSLOPEにもとづいて、第3周波数f3を有し、かつ第2誤差信号VERR2に応じたパルス幅を有する第3パルス信号S3を生成するとともに、第3パルス信号S3のパルス幅を所定の第2最小パルス幅τMIN2より低くならないようクランプする。
第6コンパレータ18bは、第2電流検出信号VCS2にスロープ信号VSLOPEを重畳した信号を、第2誤差信号VERR2と比較し、比較結果に応じたセットパルスSSETを生成する。
第2SRフリップフロップ19bのセット端子には、セットパルスSSETが入力され、リセット端子には、第3オシレータ12bからのリセットパルスSRESETが入力され、第2SRフリップフロップ19bの出力端子からは、パルス幅変調された第3パルス信号S3’が出力される。
第2SRフリップフロップ19bのセット端子には、セットパルスSSETが入力され、リセット端子には、第3オシレータ12bからのリセットパルスSRESETが入力され、第2SRフリップフロップ19bの出力端子からは、パルス幅変調された第3パルス信号S3’が出力される。
図8のスイッチング電源2aによれば、図1のスイッチング電源2と同様の効果を得ることができる。
さらに当業者であれば、本発明が、平均電流モードのスイッチングレギュレータにも適用可能であることが理解される。平均電流モードの変調器は、公知の構成を利用すればよいため、説明を省略する。
本実施の形態において、信号のハイレベル、ローレベルの論理値、電圧信号の大小の関係は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。
最後に、電子機器1の具体例を説明する。図9(a)、(b)は、スイッチング電源を備える電子機器を示す図である。図9(a)の電子機器500は、タブレットPCや携帯型ゲーム機、携帯型オーディオプレイヤであり、筐体502の内部には、電池3、スイッチングレギュレータ2(制御IC100)、負荷回路4が内蔵される。負荷回路4はたとえばCPUである。
図9(b)の電子機器600は、デジタルカメラである。筐体602の内部には、電池3、スイッチングレギュレータ2、撮像素子4a、画像処理プロセッサ4b等が内蔵される。スイッチングレギュレータ2は、負荷である撮像素子4a、画像処理プロセッサ4bに電源電圧を供給する。
実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
1…電子機器、2…スイッチング電源、4…負荷回路、100…制御回路、102…出力回路、P1…入力ライン、P2…出力ライン、L1…インダクタ、C1…出力キャパシタ、D1…整流素子、M1…スイッチングトランジスタ、10a…第1誤差増幅器、10b…第2誤差増幅器、11…gmアンプ、C2…キャパシタ、R3…抵抗、12a…第1オシレータ、14a…第2オシレータ、16a…第1パルス変調器、18a…第1コンパレータ、20a…第1最小パルス幅信号生成部、22a…第1論理ゲート、24a…第2パルス変調器、26a…第2コンパレータ、30a…第1ロジック部、32…第2論理ゲート、34…第3論理ゲート、12b…第3オシレータ、14b…第4オシレータ、16b…第3パルス変調器、18b…第3コンパレータ、20b…第2最小パルス幅信号生成部、22b…第4論理ゲート、24b…第4パルス変調器、26b…第4コンパレータ、30b…第2ロジック部、40…ドライバ、40a…第1ドライバ、40b…第2ドライバ、S1…第1パルス信号、S2…第2パルス信号、S3…第3パルス信号、S4…第4パルス信号、S5…第1最小パルス幅信号、S6…第2最小パルス幅信号、S7…第1駆動パルス信号、S8…第2駆動パルス信号、Ca1…第1キャパシタ、Ca2…第2キャパシタ、50…第1充放電回路、52…分周器、54…第2充放電回路、80a…第1クランプ回路、80b…第2クランプ回路。
Claims (17)
- 昇降圧型のスイッチング電源の制御回路であって、
前記スイッチング電源の電気的状態を示すフィードバック信号と、所定の第1基準電圧との誤差に応じた第1誤差信号を生成する第1誤差増幅器と、
第1周波数の第1周期信号を生成する第1オシレータと、
スロープ部分を有する、前記第1周波数より低い第2周波数の第2周期信号を生成する第2オシレータと、
前記第1誤差信号に応じた信号と前記第1周期信号にもとづいて、前記第1周波数を有し、かつ前記誤差信号に応じたパルス幅を有する第1パルス信号を生成するとともに、前記第1パルス信号のパルス幅を所定の第1最小パルス幅より短くならないようにクランプする第1パルス変調器と、
前記第1誤差信号に応じた信号を前記第2周期信号と比較することにより、前記第1誤差信号に応じたパルス幅を有する第2パルス信号を生成する第2パルス変調器と、
前記第1パルス信号と前記第2パルス信号を合成し、第1駆動パルス信号を生成する第1ロジック部と、
前記フィードバック信号と、所定の第2基準電圧との誤差に応じた第2誤差信号を生成する第2誤差増幅器と、
第3周波数の第3周期信号を生成する第3オシレータと、
スロープ部分を有する、前記第3周波数より低い第4周波数の第4周期信号を生成する第4オシレータと、
前記第2誤差信号に応じた信号と前記第3周期信号にもとづいて、前記第3周波数を有し、かつ前記第2誤差信号に応じたパルス幅を有する第3パルス信号を生成するとともに、前記第3パルス信号のパルス幅を所定の第2最小パルス幅より短くならないようにクランプする第3パルス変調器と、
前記第2誤差信号に応じた信号を前記第4周期信号と比較することにより、前記第2誤差信号に応じたパルス幅を有する第4パルス信号を生成する第4パルス変調器と、
前記第3パルス信号と前記第4パルス信号を合成し、第2駆動パルス信号を生成する第2ロジック部と、
前記第1駆動パルス信号に応じて、前記スイッチング電源の昇圧用のスイッチング素子を駆動するとともに、前記第2駆動パルス信号に応じて、前記スイッチング電源の降圧用のスイッチング素子を駆動するドライバと、
を備えることを特徴とする制御回路。 - 前記第1パルス変調器は、前記第1誤差信号が低下するに従い、前記第1パルス信号のパルス幅を短くし、前記第1誤差信号があるしきい値レベルより小さくなると前記第1パルス信号のパルス幅を前記第1最小パルス幅にてクランプし、
前記第2パルス変調器は、前記第1パルス信号のパルス幅がクランプされた状態において、前記第1誤差信号が低下するに従い、前記第2パルス信号のパルス幅を短くし、
前記第3パルス変調器は、前記第2誤差信号が低下するに従い、前記第3パルス信号のパルス幅を短くし、前記第2誤差信号があるしきい値レベルより小さくなると前記第3パルス信号のパルス幅を前記第2最小パルス幅にてクランプし、
前記第4パルス変調器は、前記第3パルス信号のパルス幅がクランプされた状態において、前記第2誤差信号が低下するに従い、前記第4パルス信号のパルス幅を短くすることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。 - 前記第1パルス変調器および前記第3パルス変調器はそれぞれ、電圧モードの変調器であることを特徴とする請求項1または2に記載の制御回路。
- 前記第1周期信号は、前記第2周期信号より高い電圧範囲にスロープ部分を有し、
前記第3周期信号は、前記第4周期信号より高い電圧範囲にスロープ部分を有し、
前記第1パルス変調器は、前記第1誤差信号を前記第1周期信号と比較し、前記第1パルス信号を生成する第1コンパレータを含み、前記第1パルス信号のパルス幅を前記第1最小パルス幅より短くならないようにクランプするよう構成され、
前記第3パルス変調器は、前記第2誤差信号を前記第3周期信号と比較し、前記第3パルス信号を生成する第3コンパレータを含み、前記第3パルス信号のパルス幅を前記第2最小パルス幅より短くならないようにクランプするよう構成されることを特徴とする請求項3に記載の制御回路。 - 前記第1パルス変調器は、
前記第1周波数を有し、かつ前記第1最小パルス幅を有する第1最小パルス幅信号を生成する第1最小パルス幅信号生成部と、
前記第1パルス信号と前記第1最小パルス幅信号を論理演算することにより、前記第1パルス信号のパルス幅を第1最小パルス幅より短くならないようにクランプする論理ゲートと、
をさらに含み、
前記第3パルス変調器は、
前記第3周波数を有し、かつ前記第2最小パルス幅を有する第2最小パルス幅信号を生成する第2最小パルス幅信号生成部と、
前記第3パルス信号と前記第2最小パルス幅信号を論理演算することにより、前記第3パルス信号のパルス幅を第2最小パルス幅より短くならないようにクランプする論理ゲートと、
をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の制御回路。 - 前記第3周期信号は、前記第2周期信号より低い電圧範囲にスロープ部分を有することを特徴とする請求項4または5に記載の制御回路。
- 前記第1パルス変調器および前記第3パルス変調器はそれぞれ、電流モードの変調器であることを特徴とする請求項1または2に記載の制御回路。
- 前記第1パルス変調器は、
前記スイッチング電源のインダクタに流れる電流に応じた電流検出信号を、前記第1誤差信号と比較し、第1セットパルスを生成する第5コンパレータと、
そのセット端子に前記第1セットパルスが入力され、そのリセット端子に前記第1周期信号が入力され、前記第1パルス信号を出力する第1SRフリップフロップと、
を含み、前記第1SRフリップフロップから出力される前記第1パルス信号のパルス幅を前記第1最小パルス幅より短くならないようにクランプするよう構成され、
前記第3パルス変調器は、
前記スイッチング電源のインダクタに流れる電流に応じた電流検出信号を、前記第2誤差信号と比較し、第2セットパルスを生成する第6コンパレータと、
そのセット端子に前記第2セットパルスが入力され、そのリセット端子に前記第1周期信号が入力され、前記第3パルス信号を出力する第2SRフリップフロップと、
を含み、前記第2SRフリップフロップから出力される前記第3パルス信号のパルス幅を前記第2最小パルス幅より短くならないようにクランプするよう構成されることを特徴とする請求項7に記載の制御回路。 - 前記第1パルス変調器は、
前記第1周波数を有し、かつ前記第1最小パルス幅を有する第1最小パルス幅信号を生成する第1最小パルス幅信号生成部と、
前記第1パルス信号と前記第1最小パルス幅信号を論理演算することにより、前記第1パルス信号のパルス幅を第1最小パルス幅より短くならないようにクランプする論理ゲートと、
をさらに含み、
前記第3パルス変調器は、
前記第3周波数を有し、かつ前記第2最小パルス幅を有する第2最小パルス幅信号を生成する第2最小パルス幅信号生成部と、
前記第3パルス信号と前記第2最小パルス幅信号を論理演算することにより、前記第3パルス信号のパルス幅を第2最小パルス幅より短くならないようにクランプする論理ゲートと、
をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の制御回路。 - 前記第1誤差信号を、所定の第1電圧より低くならないようにクランプする第1クランプ回路をさらに備えることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の制御回路。
- 前記第2誤差信号を、所定の第2電圧より高くならないようにクランプする第2クランプ回路をさらに備えることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の制御回路。
- 前記第2パルス変調器は、前記第1誤差信号を前記第2周期信号と比較し、前記第2パルス信号を生成する第2コンパレータを含み、
前記第4パルス変調器は、前記第2誤差信号を前記第4周期信号と比較し、前記第4パルス信号を生成する第4コンパレータを含むことを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の制御回路。 - 前記第1オシレータは、
第1キャパシタと、
前記第1キャパシタの電圧が所定の第1上限レベルに達すると放電を開始し、前記第1キャパシタの電圧が所定の第1下限レベルに達すると充電を開始する第1充放電回路と、
を含み、前記第1キャパシタの電圧を、前記第1周期信号として出力するとともに、前記充放電回路の充電状態と放電状態の切りかえに応じてレベルが遷移する第1同期クロックを出力し、
前記第2オシレータは、
第2キャパシタと、
前記同期クロックを分周する分周器と、
分周された前記第1同期クロックと同期して、前記第2キャパシタの充放電を行う第2充放電回路と、
を含み、前記第2キャパシタの電圧を前記第2周期信号として出力し、
前記第3オシレータは、
第3キャパシタと、
前記第3キャパシタの電圧が所定の第2上限レベルに達すると放電を開始し、前記第2キャパシタの電圧が所定の第2下限レベルに達すると充電を開始する第3充放電回路と、
を含み、前記第3キャパシタの電圧を、前記第3周期信号として出力するとともに、前記充放電回路の充電状態と放電状態の切りかえに応じてレベルが遷移する第2同期クロックを出力し、
前記第4オシレータは、
第4キャパシタと、
前記第2同期クロックを分周する分周器と、
分周された前記第2同期クロックと同期して、前記第4キャパシタの充放電を行う第4充放電回路と、
を含み、前記第4キャパシタの電圧を前記第4周期信号として出力することを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の制御回路。 - 前記第2オシレータは、前記第1パルス信号の前記第1最小パルス幅の区間においてスロープを有し、それ以外の区間で平坦な前記第2周期信号を生成し、
前記第4オシレータは、前記第3パルス信号の前記第2最小パルス幅の区間においてスロープを有し、それ以外の区間で平坦な前記第4周期信号を生成することを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の制御回路。 - 第1端および第2端を有するインダクタと、
出力ラインと接地ラインの間に設けられた出力キャパシタと、
入力ラインと前記インダクタの前記第1端の間に設けられた降圧用のスイッチングトランジスタと、
前記インダクタの前記第1端と前記接地ラインの間に設けられた降圧用の同期整流トランジスタと、
前記インダクタの前記第2端と前記接地ラインの間に設けられた昇圧用のスイッチングトランジスタと、
前記インダクタの前記第2端と前記出力ラインの間に設けられた昇圧用の同期整流トランジスタと、
前記第1駆動パルス信号に応じて、前記昇圧用のスイッチングトランジスタおよび前記昇圧用の同期整流トランジスタを駆動するとともに、前記第2駆動パルス信号に応じて、前記降圧用のスイッチングトランジスタおよび前記降圧用の同期整流トランジスタを駆動する請求項1から14のいずれかに記載の制御回路と、
を備えることを特徴とするスイッチング電源。 - 前記降圧用の同期整流トランジスタに代えて、降圧用の同期整流ダイオードを備え、
前記昇圧用の同期整流トランジスタに代えて、昇圧用の同期整流ダイオードを備えることを特徴とする請求項15に記載のスイッチング電源。 - 請求項15または16に記載のスイッチング電源を備えることを特徴とする電子機器。
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