JP2016048988A - 電源回路とその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】PWM信号のオン時間が短い場合に制御モードが切替可能な電源回路とその制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】電源回路は、入力端子と出力端子との間に主電流路が接続され、PWM信号によってオン/オフが制御される第1のスイッチングトランジスタを備える。フィードバック電流が予め設定された第1の制御値より大きくなったタイミングと、所定のタイミング信号とによって前記PWM信号のパルス幅を制御し、前記フィードバック電流の上限値を制御する第1のモードを有する。前記フィードバック電流が予め設定された第2の制御値より小さくなったタイミングと、前記タイミング信号とによって前記PWM信号のパルス幅を制御し、前記フィードバック電流の下限値を制御する第2のモードを有する。前記PWM信号のオン時間の長さに応じて前記第1のモードと前記第2のモードを切り替えるモード切替制御回路を有する電源回路が提供される。【選択図】図1

Description

本実施形態は、電源回路とその制御方法に関する。
従来、入力端子と出力端子間に主電流路が接続されたスイッチングトランジスタのオン/オフをPWM信号で制御して所望の出力電圧を出力するPWM制御の電源回路が知られている。PWM制御においては、フィードバック電流と所定の制御値との比較動作によってPWM信号の立下げが制御される為、PWM信号のオン時間が短い場合、すなわち、Dutyが小さい場合には、フィードバック電流と制御値とを高速で比較する回路構成が必要となる。高速の回路動作を行う回路構成とする為には、一般的には消費電力の大きい回路構成となる。PWM信号のオン時間が短い場合の電源回路の制御を少ない消費電力で達成する為の工夫が必要である。
Mengmeng Du et al、"A 5−MHz 91% Peak−Power−Efficiency Buck Regulator With Auto−Selectable Peak−and Valley−Current Control"、IEEE JOURNAL OF SOLID−STATE CIRCUITS,VOL.46、NO.8、PP.1928−1939、AUGUST 2011
一つの実施形態は、PWM信号のオン時間、すなわち、Dutyが短い場合に制御モードが切替可能な電源回路とその制御方法を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、電源回路は入力端子と出力端子との間に主電流路が接続され、PWM信号によってオン/オフが制御される第1のスイッチングトランジスタを備える。フィードバック電流が予め設定された第1の制御値より大きくなったタイミングと、所定のタイミング信号とによって前記PWM信号のパルス幅を制御し、前記フィードバック電流の上限値を制御する第1のモードを有する。前記フィードバック電流が予め設定された第2の制御値より小さくなったタイミングと、前記タイミング信号とによって前記PWM信号のパルス幅を制御し、前記フィードバック電流の下限値を制御する第2のモードを有する。前記PWM信号のオン時間の長さに応じて前記第1のモードと前記第2のモードを切り替えるモード切替制御回路を有する電源回路が提供される。
図1は、第1の実施形態の電源回路の構成を示す図である。 図2は、第2の実施形態の電源回路の制御方法のフローを示す図である。 図3は、第3の実施形態の電源回路の制御方法を説明する為の図である。 図4は、第4の実施形態の電源回路の制御方法を説明する為の図である。 図5は、第5の実施形態の電源回路の構成を示す図である。 図6は、第6の実施形態の電源回路の制御方法を説明する為の図である。 図7は、第7の実施形態の電源回路の制御方法を説明する為の図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる電源回路とその制御方法を詳細に説明する。なお、これら実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の電源回路の構成を示す図である。本実施形態の電源回路は、入力端子1を有する。入力端子1には、直流電圧Vinを供給する入力電圧源10が接続される。入力端子1には、第1のスイッチングトランジスタ12のソース電極が接続される。第1のスイッチングトランジスタ12のドレイン電極は端子2に接続される。第1のスイッチングトランジスタ12のゲート電極は、駆動回路30に接続される。第1のスイッチングトランジスタ12は、駆動回路30からの駆動信号によってオン/オフが制御される。第1のスイッチングトランジスタ12の主電流路であるソース・ドレイン路は入力端子1と出力端子3との間に接続される。
第2のスイッチングトランジスタ13のドレイン電極が第1のスイッチングトランジスタ12のドレイン電極に接続される。第2のスイッチングトランジスタ13のソース電極は、接地される。第2のスイッチングトランジスタ13のゲート電極は、駆動回路30に接続される。第2のスイッチングトランジスタ13は、駆動回路30からの駆動信号により、第1のスイッチングトランジスタ12に対して相補的にオン/オフが制御される。
端子2には、インダクタンス14の一端が接続される。インダクタンス14の他端は、出力端子3に接続される。出力端子3には、平滑コンデンサ15の一端が接続される。平滑コンデンサ15の他端は接地される。出力端子3には、負荷16が接続される。出力端子3の出力電圧Voutが、負荷16に供給される。
出力電圧Voutは、補償回路20に供給される。補償回路20には、所定の参照電圧Vrefが供給される。補償回路20は、出力電圧Voutと参照電圧Vrefを比較し、出力電圧Voutが参照電圧Vrefに等しくなるようにPID(Proportional Integral Derivative)制御を行い、その制御の為の制御値Ictrlを生成して出力する。
制御値Ictrlは、比較回路22に供給される。比較回路22には、第1のスイッチングトランジスタ12の主電流路を流れるインダクタンス電流Iから得られるフィードバック電流Isenseが供給される。電流センサ4は、例えば、インダクタンス14に直列に接続された抵抗(図示せず)と、その抵抗に生じる電圧降下を検知する差動増幅器(図示せず)で構成される。インダクタンス電流Iがインダクタンス14を介して出力端子3に供給され出力電流Ioutとして負荷16に供給される。従って、インダクタンス電流Iを検知してフィードバック電流Isenseとして帰還させることにより、負荷電流、すなわち出力電流Ioutを検知することが出来る。
比較回路22は、フィードバック電流Isenseを制御値Ictrlと比較し、フィードバック電流Isenseが制御値Ictrlより大きくなった時にリセット信号ResetをRSラッチ回路23に供給する。
RSラッチ回路23のセット入力端子Sには、クロック生成回路34からのクロック信号clockが供給される。RSラッチ回路23の出力は、選択回路24に供給される。
選択回路24は、選択ゲート27と選択ゲート26を有する。選択ゲート(26、27)は、ピーク/バレー切替制御回路32からのモード切替イネーブル信号en_valleyによって制御される。例えば、モード切替イネーブル信号en_valleyがHighレベルの時には、インバータ25を介する経路が選択される。すなわち、RSラッチ回路23の出力信号が反転されて出力される。
選択回路24の出力信号は、PWM信号として駆動回路30に供給される。駆動回路30は、PWM信号に応答し、駆動信号を第1のスイッチングトランジスタ12と第2のスイッチングトランジスタ13のゲート電極に供給する。第1のスイッチングトランジスタ12と第2のスイッチングトランジスタ13は、相補的にオン/オフが制御される。第1のスイッチングトランジスタ12がオンの時、出力電圧Voutを上昇させる状態となる。すなわち、第1のスイッチングトランジスタ12がオンの時間、出力電圧Voutを上昇させる制御となる。
PWM信号は、ピーク/バレー切替制御回路32に供給される。ピーク/バレー切替制御回路32は、PWM信号のオン時間を所定の閾値と比較する。例えば、ANDゲート(図示せず)を用い、PWM信号のオン時間、すなわち、Highレベルの期間に通過する一定周期のクロック信号(図示せず)をカウンタ(図示せず)でカウントすることにより、PWM信号のオン時間を算出することが出来る。また、閾値としては、予め設定したカウント数を用いることが出来る。PWM信号のオン時間が所定の閾値より小さい時、制御モードをバレー電流モード制御に切り替える。その為の制御信号として、ピーク/バレー切替制御回路32は、モード切替イネーブル信号en_valleyを出力する。
バレー電流モード制御においては、比較回路22において、フィードバック電流Isenseが制御値Ictrlより小さくなった時にリセット信号Resetを出力する。これにより、フィードバック電流Isenseの下限値を制限する。ピーク電流モード制御においては、フィードバック電流Isenseが制御値Ictrlより大きくなった時にリセット信号Resetを出力する制御を行う。これにより、フィードバック電流Isenseの上限値を制限する。
PWM信号のオン時間が所定の閾値より短くなり、急峻な立上りのフィードバック電流と制御値Ictrlとの比較が必要になる場合に、制御モードをバレー電流モードに切り替えることにより、立下りの緩やかなフィードバック電流Isenseと制御値Ictrlとの比較を行う制御モードに切り替えることが出来る。この為、例えば、比較回路22に対する高速動作の要請が低くなり、消費電力を抑えた回路構成とすることが可能となる。
クロック生成回路34は、例えば、リングオシレータ(図示せず)とカウンタ(図示せず)を有する。カウンタのカウント値を適宜設定することにより、クロック生成回路34のクロック信号clockの立上りと立下りを制御することが出来る。例えば、リングオシレータの基準クロック信号(図示せず)のゼロ番目のカウント値で立上り、N番目のカウント値で立下がるクロック信号clockを生成する構成とすることが出来る。尚、外部から供給される基準周波数の信号(図示せず)を用いる構成であっても良い。
ピーク/バレー切替制御回路32は、クロック生成回路34にモード切替イネーブル信号en_valleyを供給する。クロック生成回路34は、モード切替イネーブル信号en_valleyに応答して、クロック信号clockの位相をシフトして出力する。ピーク電流モード制御への切替をスムーズに行う為である。クロック生成回路34の位相シフトについては、後述する。
ピーク/バレー切替制御回路32には、フィードバック電流Isenseが供給される。ピーク/バレー切替制御回路32は、制御モードの切替に合わせて、補償回路20の制御値Ictrlを書替える為に書替え信号Ictrl_displaceを補償回路20に供給する。例えば、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替える場合には、切替前のフィードバック電流Isenseの最下点の値(バレー値)に補償回路20からの制御値Ictrlが等しくなるように補償回路20の補償係数を書き替える。かかる制御により、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御に切り替えた場合のフィードバック電流Isenseのバレー値を切替え前のバレー値に等しくすることが出来る為、制御モードの切替に伴う出力電圧Voutの変動が抑制され、制御モード切替をスムーズに行うことが出来る。同様に、バレー電流モード制御からピーク電流モード制御へ切り替える場合には、切替前のフィードバック電流Isenseの最上点の値(ピーク値)に補償回路20からの制御値Ictrlが等しくなるように補償回路20の補償係数を書き替えることが出来る。
補償回路20が出力する制御値Ictrlは、例えば、次の式(1)で示される。
Ictrl[n]=Ictrl[n−1]+a×error[n]
+b×error[n−1]+c×error[n−2]
+d×error[n−3] ・・・ (1)
ここで、errorは誤差値、a、b、c及びdは補償係数を示す。また、[n]は、現在の値、[n−1]は、一つ前のサイクルの値、[n−2]は、2サイクル前の値、[n−3]は3サイクル前の値であることを示している。
制御モードの切替に合わせて、補償回路20の補償係数を強制的に書き替えることにより、書替え後の制御値Ictrlを切替え前のフィードバック電流Isenseのバレー値、あるいは、ピーク値に等しい値に設定することが出来る。
本実施形態によれば、PWM信号のオン時間が所定の時間より短くなった場合に、ピーク電流モード制御をバレー電流モード制御に切り替えることが出来る。ピーク電流モード制御をバレー電流モード制御に切り替えることにより、フィードバック電流Isenseと制御値Ictrlの比較動作が行われるまでの探索時間を延ばすことが出来る。この為、例えば、フィードバック電流Isenseと制御値Ictrlを比較する比較回路22を消費電力の大きい高速動作の回路構成としなくても、フィードバック電流Isenseと制御値Ictrlとの比較が可能な構成とすることが出来る。すなわち、消費電流を低減し、変換効率の高い電源回路を提供することが出来る。また、制御モードを切り替えた時の新たな制御値Ictrlを切替え前のフィードバック電流Isenseのバレー値に等しい値とすることにより、出力電圧Voutのリップルを抑制することが出来る。また、モード切替イネーブル信号en_valleyに応じてRSラッチ回路23の出力を選択回路24により反転させるか否かの制御により、選択回路24の出力をPWM信号としてそのまま駆動回路30に供給できる回路構成が提供される。
(第2の実施形態)
図2は、第2の実施形態の電源回路の制御方法のフローを示す図である。本実施形態の制御方法においては、電源回路の起動時は、ピーク電流モード制御で制御する(S201)。電源立上げ時には、ラッシュカレントにより出力電流Ioutが大きくなる可能性が高い為、出力電流Ioutのピーク値を抑えるピーク電流モード制御が好ましい。また、電源立上げ時は、PWM信号のDutyが定まらない為、ピーク電流モード制御で電源立上げ時の制御を行うことが望ましい。
電源回路が安定する所定時間が経過したか否かを判断する(S202)。所定時間が経過した後には、PWM信号のオン時間、すなわち探索時間が所定の閾値より短いか否かを判断する(S203)。PWM制御の場合、PWM信号のオン時間、すなわち探索時間が所定の閾値より長いか短いかの判断は、Dutyが所定の閾値より大きいか小さいかの判断に等しい。
探索時間が閾値より短い場合、バレー電流モード制御へ切り替える(S204)。ピーク電流モード制御において探索時間が短い場合に、バレー電流モード制御に切り替えることにより探索時間を長くすることが出来る。
探索時間が閾値よりも長い時には、ピーク電流モード制御を維持する(S205)。
本実施形態によれば、電源回路の立上げ時は、ピーク電流モード制御による制御を行う。これにより、電源立上げ時のラッシュカレントによる出力電流の増加を抑制することが出来る。また、所定時間が経過した後は、PWM信号のオン時間、すなわち、探索時間に応じて制御モードを切り替える。これにより、探索時間が短い場合のピーク電流モード制御をバレー電流モード制御に切り替えることにより探索時間を長くすることが出来る。この為、例えば、比較回路22を電流消費の大きい高速動作の構成としなくてもフィードバック電流Isenseと制御値Ictrlを比較することが出来るため、消費電力を抑制し、変換効率の高い電源回路を提供することが出来る。尚、出力電圧Voutが一定の場合、入力電圧Vinを検知することで、制御モードを切り替える構成にすることも可能である。出力電圧Voutが一定の場合、入力電圧Vinに応じてPWM信号のDutyが予測できるからである。また、出力電圧Voutが変動する場合には、入力電圧Vinと出力電圧Voutを検知してPWM信号のDutyを予測して制御モードを切り替える構成とすることも可能である。
(第3の実施形態)
図3は、第3の実施形態の電源回路の制御方法を説明する為の図である。本実施形態は、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替える場合の制御値Ictrlの設定とクロック信号clockの位相シフトの実施形態を示す。
探索時間、あるいは、PWM信号のDutyが閾値より小さくなったことを検知して、図3の上段にライン40で示すモード切替イネーブル信号en_valleyがHighレベルになる。モード切替イネーブル信号en_valleyがHighレベルになることにより、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替わる。すなわち、PWM信号の立上りがクロック信号clockで制御され、ライン43で示すフィードバック電流Isenseがライン41で示す制御値IctrlAを超えるタイミングでPWM信号が立下がるピーク電流モード制御から、PWM信号の立上りがフィードバック電流Isenseがライン42で示す制御値IctrlBより小さくなるタイミングで制御され、PWM信号の立下がりがクロック信号clockで制御されるバレー電流モード制御へ切り替わる。
ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替える際、切替後の制御値IctrlBの値が切替前のフィードバック電流Isenseの最下点44の値に等しくなるように、補償回路20の補償係数が書替えられる。これにより、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御への切り替えに伴う出力電圧Voutのリップルを抑制することが出来る。
フィードバック電流Isenseが制御値IctrlAを超えたタイミングで、クロック生成回路34は、クロック信号50を出力する。例えば、ピーク/バレー切替制御回路32からのモード切替イネーブル信号en_valleyによりクロック生成回路34のカウンタをリセットすることにより、クロック信号50を生成する。すなわち、クロック信号50は、モード切替が行われる前のタイミングから位相シフトされて出力される。以降、適宜設定したカウンタのカウント値に応じて、クロック信号51以降のクロック信号clockが、順次、クロック生成回路34から出力される。すなわち、PWM信号の立下りを制御するクロック信号clockがクロック生成回路34から出力される。尚、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替える直前のPWM信号52の立下りは、フィードバック電流Isenseが制御値IctrlAより高くなったタイミングで制御される。
ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替えることにより、ピーク電流モード制御ではT1であった探索時間が、1周期から時間T1を引いた時間T2に切り替わる。すなわち、探索時間を延ばすことが出来る。これにより、立下りの緩やかなフィードバック電流Isenseと制御値Ictrlを比較する構成に切り替わる為、例えば、比較回路22として高速動作の回路構成が要求されない為、消費電流を抑えた回路で構成することが出来る。また、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替える際、供給するクロック信号clockの位相をシフトすることで、制御モードの切替をスムーズに行うことが出来る。
(第4の実施形態)
図4は、第4の実施形態の電源回路の制御方法を説明する為の図である。本実施形態は、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替える場合の制御値Ictrlの設定とクロック信号clockの位相シフトの実施形態を示す。探索時間が所定の閾値を下回ると、同図上段にライン60で示すモード切替イネーブル信号en_valleyがHighレベルになり、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御への切替が行われる。
ピーク電流モード制御においては、PWM信号の立上りがクロック信号clockで制御され、その立下りがライン64で示す制御値IctrlAよりもライン66で示すフィードバック電流Isenseが大きくなったタイミングで制御される。
モード切替イネーブル信号en_valleyがHighレベルになるタイミングに応答して、ピーク/バレー切替制御回路32はクロック生成回路34のクロック信号clockの位相シフトを行う。この位相シフトは、例えば、位相シフトを行う直前のクロック信号61から探索時間の閾値Tだけ遅らせたタイミングでクロック信号62を出力させることにより行う。例えば、クロック生成回路34に設けられるクロック信号clockを出力するタイミングを制御するカウンタ(図示せず)を制御して、探索時間Tに対応するカウント値になった時にカウンタをリセットしてクロック信号62を出力させることで位相シフトを行うことが出来る。バレー電流モード制御に切り替えた直後のPWM信号70の立下りは、位相シフトされたクロック信号62によって制御される。
位相シフト後は、通常の動作、すなわち、カウンタのカウント値が所定のフルカウント値になった時にカウンタがリセットされて後続のクロック信号63が出力される制御に戻す。これにより、バレー電流モード制御においては、PWM信号の立上りがライン65で示す制御値IctrlBよりもライン66で示すフィードバック電流Isenseが小さくなったタイミングで制御され、その立下りがクロック信号clockで制御される。
ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御への切替を行う際、バレー電流モード制御の制御値IctrlBは、切替前のフィードバック電流Isenseのバレー値67を用いて設定する。すなわち、制御値IctrlBがバレー値67に等しくなるように補償回路20の補償係数を書替える。これにより、制御モードを切り替えた前後におけるフィードバック電流Isenseの平均値の変動が抑えられるため、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御への切替に伴う出力電圧Voutのリップルを抑制することが出来る。同様に、バレー電流モード制御からピーク電流モード制御へ切替を行う際には、ピーク電流モード制御に切り替えた際の制御値Ictrlは、切替前のフィードバック電流Isenseのピーク値を用いて設定することが出来る。
本実施形態においては、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替える際、切替前のクロック信号clockから探索時間の閾値T分だけ遅らせたタイミングでクロック信号clockを出力させる位相シフトを行う。位相シフトしたクロック信号clockにより切替後に生成される最初のPWM信号の立下りを制御することが出来る為、PWM信号の立下りの制御を精度よく行うことが出来る。
(第5の実施例)
図5は、第5の実施形態の電源回路の構成を示す図である。既述の実施形態に対応する構成要素には同一の符号を付している。本実施形態は、いわゆるマルチフェーズの電源回路の構成を有する。マルチフェーズの電源回路においては、異なる位相で動作する複数のDCDCコンバータの出力電流を合算することで、低リップルで安定した出力電圧Voutを得ることが出来る。同図は、第1相のPhase1のDCDCコンバータを示しており、Phase2、PhaseNは、同様の構成を有する。以降、Phase1の構成を用いて説明する。各フェーズ(Phase1、Phase2、PhaseN)のDCDCコンバータの出力電圧Voutが、出力端子3で加算される。
本実施形態においては、出力端子3に接続されたADコンバータ100を介して、デジタル化した出力電圧Voutが誤差算出回路101に供給される。誤差算出回路101においては、出力電圧Voutと参照電圧Vrefとの比較が行われ、その誤差値を算出して、補償回路102に供給する。補償回路102は、出力電圧Voutが参照電圧Vrefに等しくなるようにPID(Proportional Integral Derivative)制御を行い、その制御の為の制御値Ictrl1を生成して出力する。尚、誤差算出回路101と補償回路102は、各フェーズのDCDCコンバータ(Phase1、Phase2、PhaseN)に対して、共用される。
補償回路102からの制御値Ictrl1は、制御値補正回路104と選択回路106に供給される。選択回路106は選択ゲート(107、108)を有する。選択ゲート(107、108)は、ピーク/バレー切替制御回路32からのモード切替イネーブル信号en_valley1に応答して、比較回路109に供給される信号を切り替える。すなわち、モード切替イネーブル信号en_valley1がLowレベルの時、すなわち、ピーク電流モード制御の時、ADコンバータ105を介して供給されるフィードバック電流Isense1を比較回路109の非反転入力端(+)に供給すると共に、制御値Ictrl1を比較回路109の反転入力端(−)に供給する。モード切替イネーブル信号en_valley1がHighレベルの時、すなわち、バレー電流モード制御の時には、ADコンバータ105を介して供給されるフィードバック電流Isense1を比較回路109の反転入力端(−)に供給すると共に、制御値Ictrl1を比較回路109の非反転入力端(+)に供給する。
比較回路109のリセット信号Resetは、RSラッチ回路23のリセット入力端Rに供給される。RSラッチ回路23のセット入力端Sには、クロック生成回路34からのクロック信号clock1が供給される。RSラッチ回路23の出力信号は、選択回路110に供給される。選択回路110は、ピーク/バレー切替制御回路32からのモード切替イネーブル信号en_valley1に応答して、RSラッチ回路23からの非反転出力端Qと反転出力端QNの出力を選択して、PWM信号を駆動回路30に供給する。モード切替イネーブル信号en_valley1がLowレベルの時、すなわち、ピーク電流モード制御の時、RSラッチ回路23の非反転出力端Qの出力信号を駆動回路30に供給する。モード切替イネーブル信号en_valley1がHighレベルの時、すなわち、バレー電流モード制御の時には、RSラッチ回路23の反転出力端QNの出力信号を駆動回路30に供給する。
RSラッチ回路23の非反転出力端Qの出力信号が、ピーク/バレー切替制御回路32に供給される。ピーク/バレー切替制御回路32では、非反転出力端Qからの出力信号のオン時間、すなわち、探索時間と所定の閾値との比較が行われる。探索時間が閾値を下回った場合には、モード切替イネーブル信号en_valley1を出力し、バレー電流モード制御に切り替える。RSラッチ回路23の非反転出力端Qの出力信号は、クロック信号clock1でセットされ、比較回路109の信号でリセットされる。すなわち、RSラッチ回路23の非反転出力端Qのオン時間はピーク電流モード制御の際のPWM信号のオン時間に相当する。従って、RSラッチ回路23の非反転出力端Qのオン時間を所定の閾値と比較することでピーク電流モード制御とバレー電流モード制御の切替の判断として用いることが出来る。
ピーク/バレー切替制御回路32は、クロック生成回路34が出力するクロック信号clock1の位相をシフトする制御信号en_shiftをクロック生成回路34に供給する。この位相シフトは、既述した通り、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御に切り替える際に、所定の時間遅らせたタイミングでクロック信号clock1を出力させる制御である。クロック生成回路34は、夫々対応するマルチフェーズのDCDCコンバータにクロック信号(clock2、clockN)を供給する。各クロック信号(clock2、clockN)は、Phase1のクロック信号clock1から所定のタイミングだけ遅れたタイミングで出力される。所定のタイミングは、例えば、各フェーズのフィードバック電流Isenseのピークとバレーのタイミングを夫々補完し合う関係になるように調整される。
本実施形態は、制御値補正回路104を有する。制御値補正回路104は、ピーク/バレー切替制御回路32が生成するPhase1の制御値Ictrl1を基準として、各補正値(Ictrl2_offset、IctrlN_offset)を用いて他の各フェーズ(Phase2、PhaseN)用の制御値(Ictrl2、IctrlN)を生成する。各フェーズ(Phase2、PhaseN)毎に電流値が異なる場合、モード切替後の制御値を同じ値にすると各フェーズ(Phase2、PhaseN)のフィードバック電流(Isense2、IsenseN)が制御値Ictrl1に到達するタイミングが制御モードの切替により変動することになり、出力電圧Voutにリップルが生じる。この為、フェーズ(Phase2、PhaseN)毎に制御値(Ictrl2、IctrlN)の補正を行うことでモード切替に伴う出力電圧Voutのリップルの発生を抑制することが出来る。補正された制御値(Ictrl2、IctrlN)が、対応する各フェーズ(Phase2、PhaseN)に供給される。
本実施形態においては、マルチフェーズの電源回路において、制御モード切替後の制御値Ictrlを各フェーズ(Phase2、PhaseN)のフィードバック電流Isenseの値に応じて各フェーズ毎に補正する制御値補正回路104が設けられる。かかる構成により、制御モード切替に伴う出力電圧Voutのリップルが抑制される。探索時間が短い場合にピーク電流モード制御からバレー電流モード制御に切り替えることにより、探索時間を長くすることが出来る為、例えば、デジタル化してフィードバック電流Isenseを供給するADコンバータ105の応答速度を高速化する必要性が低くなるため、ADコンバータ105を高速化する為の電力消費を抑制することが出来る。
(第6の実施形態)
図6は、第6の実施形態の電源回路の制御方法を説明する為の図である。マルチフェーズの電源回路において、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御へ切り替える場合の一つの実施形態を、2相の場合を例にして説明する為の図である。図において上段側がPhase1における制御を示す。
PWM信号1のオン時間、すなわち、探索時間が所定の閾値より短くなると、ピーク/バレー切替制御回路32が出力するライン126で示すモード切替イネーブル信号en_valley1がHighレベルとなり、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御に切り替わる。すなわち、PWM信号1の立上りがクロック信号clock1で制御されライン122で示すフィードバック電流Isense1がライン120で示す制御値Ictrl1Aを超えるタイミングで制御される制御モードから、PWM信号1の立下がりがクロック信号clock1で制御され、立上りがフィードバック電流Isense1がライン121で示す制御値Ictrl1Bより小さくなるタイミングで制御される制御モードへ切り替わる。
ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御に切り替える際、既述のクロック信号clock1の位相シフトが行われる。すなわち、クロック信号clock1のクロック信号124から位相シフトされたタイミングでクロック125が供給される。モード切替後の制御値Ictrl1Bは、モード切替前のフィードバック電流Isense1のバレー値123に等しい値になるように設定される。すなわち、ピーク/バレー切替制御回路32が出力する書替え信号Ictrl_displaceの制御の下、モード切替後の制御値Ictrl1Bがバレー値123に等しくなるように補償回路102の補償係数を書き換える。
Phase2での制御は、以下の通りである。ピーク電流モード制御においては、ライン130で示す制御値Ictrl2Aをフィードバック電流Isense2が超えたタイミングでPWM信号2の立下りが制御される。例えば、クロック生成回路34は、クロック信号clock1の周期の中間の周期でクロック信号clock2を生成し、出力する。Phase1の出力電流のピーク間のバレーをPhase2の出力電流で補完して、出力電流を均一化する為である。ライン140で示すPhase2のモード切替イネーブル信号en_valley2は、クロック信号clock2に同期して出力される。Phase2のモード切替イネーブル信号en_valley2がHighレベルとなると、ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御に切り替わる。ピーク電流モード制御からバレー電流モード制御に切り替える際、Phase1と同様に、既述のクロック信号clock2の位相シフトが行われる。すなわち、クロック信号clock2のクロック信号134から位相シフトされたタイミングでクロック135が供給される。
モード切替後の制御値Ictrl2Bは、モード切替前のPhase1のフィードバック電流Isense1のバレー値123とライン132で示すPhase2のフィードバック電流Isense2のバレー値133の差分Δ1を用いて、モード切替後のPhase1の制御値Ictrl1Bを補正して生成する。すなわち、ライン131で示すモード切替後の制御値Ictrl2Bを、例えば、ライン121で示す制御値Ictrl1BよりΔ2(既述の補正値Ictrl2_offsetに対応する)だけ低い値に補正して設定する。これにより、バレー電流モード制御に切り替わった際、切替前のフィードバック電流Isense1とフィードバック電流Isense2との差分Δ1が切替後の制御値Ictrl1Bと制御値Ictrl2Bの差分Δ2に反映される。例えば、差分Δ1と差分Δ2は等しい値である。これにより、制御モードの切替後、フィードバック電流Isense2はPhase1の制御値Ictrl1Bではなく補正された制御値Ictrl2Bと比較される。これにより、制御モード切替前のフィードバック電流Isense2と制御値Ictrl2Aとの比較のタイミングを制御モード切替後も維持することが出来る。この為、制御モードの切替前のPWM信号の立上げと立下げのタイミングが制御モードの切替後も維持される為、制御モードの切替に伴う出力電圧Voutのリップルの発生を抑制することが出来る。
本実施形態の電源回路の制御方法によれば、マルチフェーズの電源回路において、フェーズ間におけるフィードバック電流Isenseの相違を考慮して、モード切替後の制御値Ictrlを、フェーズ毎に補正する。これにより、制御モード切替に伴う出力電圧Voutのリップルを抑制して制御モードの切替を行うことが出来る。
(第7の実施形態)
図7は、第7の実施形態の電源回路の制御方法を説明する為の図である。本実施形態は、2相のマルチフェーズの電源回路におけるクロック信号clockの生成と位相シフトの実施形態を示す。同図上段に示すライン200は、モード切替の際にピーク/バレー切替制御回路32がクロック生成回路34に供給する制御信号en_shiftである。
例えば、クロック生成回路34には10ビット構成のカウンタ(図示せず)が設けられる。定常状態では、例えば、Phase1用のクロック信号clock1を生成する為のカウンタcnt1は、カウント値が1023でフルカウントとなり、次のカウントでクロック信号(210、211)を生成する。すなわち、1周期が1024カウントで構成される。Phase2用のクロック信号clock2を生成する為のカウンタcnt2は、同様にフルカウント値が1023の構成を有しており、カウンタcnt1のカウント値が511になった時にリセットされ、次のカウントでカウント値がゼロに戻りクロック信号(220、221)を生成する。Phase1のクロック信号clock1の1周期の中間のタイミングでクロック信号clock2を生成することにより、Phase1が出力する出力電圧VoutのバレーをPhase2の出力電圧Voutで補完させ、全体としての出力電圧Voutのリップルを抑制することが出来る。
制御信号en_shiftがHighレベルになると、クロック信号clock1の位相シフトが行われる。制御信号en_shiftに応答して、Phase1に供給されるクロック信号clock1の立上りを設定するカウンタcnt1は、例えば、位相シフト量を示すカウント値490でゼロに戻るように設定される。このカウント値490は、例えば、既述した探索時間の閾値に合わせて設定することが出来る。かかる設定により、カウンタcnt1のカウント値は、490の次のカウントでゼロに戻りクロック信号212が生成される。
Phase2に供給されるクロック信号clock2の生成のタイミングを制御するカウンタcnt2は、クロック信号clock1用のカウンタcnt1のカウント値が、例えば、511になった時にリセットされる。従って、クロック信号clock2は、カウンタcnt1のカウント値が511になった時にリセットされ、次のカウントでカウント値がゼロに戻りクロック信号222を生成する。かかる制御により、制御モード切替時にピーク/バレー切替制御回路32が出力する制御信号en_shiftに応答して、Phase2に供給されるクロック信号clock2に対して、クロック信号clock1の位相シフトと同じ位相シフトを行うことが出来る。すなわち、ピーク/バレー切替制御回路32を共通にした構成で、マルチフェーズの電源回路のクロック信号clockの位相シフトの制御を行うことが出来る。
本実施形態によれば、制御モードの切替時にピーク/バレー切替制御回路32を共通にした構成で、マルチフェーズの電源回路の各フェーズに供給されるクロック信号clockの生成と位相シフトの制御を行うことが出来る。切替後に生成される最初のPWM信号の立下りを、各フェーズにおいて、位相シフトされたクロック信号clockにより精度よく制御することが出来る。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 入力端子、2 端子、3 出力端子、4 電流センサ、10 入力電圧源、12 第1のスイッチングトランジスタ、13 第2のスイッチングトランジスタ、14 インダクタンス、15 平滑コンデンサ、16 負荷、20 補償回路、22 比較回路、23 RSラッチ回路、24 選択回路、30 駆動回路、32 ピーク/バレー切替制御回路、34 クロック生成回路、101 誤差算出回路、102 補償回路、104 制御値補正回路。

Claims (13)

  1. 入力端子と出力端子との間に主電流路が接続された第1のスイッチングトランジスタを備え、前記第1のスイッチングトランジスタに印加されるPWM信号によって前記第1のスイッチングトランジスタのオン/オフを制御して出力電圧を調整する電源回路において、
    フィードバック電流が予め設定された第1の制御値より大きくなったタイミングと、所定のタイミング信号とによって前記PWM信号のパルス幅を制御し、前記フィードバック電流の上限値を制御する第1のモードと、
    前記フィードバック電流が予め設定された第2の制御値より小さくなったタイミングと、前記タイミング信号とによって前記PWM信号のパルス幅を制御し、前記フィードバック電流の下限値を制御する第2のモードと、
    前記PWM信号のオン時間の長さに応じて前記第1のモードと前記第2のモードを切り替えるモード切替制御回路と、
    を有することを特徴とする電源回路。
  2. 前記出力電圧と参照電圧を比較して、その差分値から前記第1の制御値と前記第2の制御値を生成して出力する補償回路を具備することを特徴とする請求項1に記載の電源回路。
  3. 前記第1の制御値または前記第2の制御値を前記フィードバック電流と比較する比較回路と、
    前記タイミング信号によってセットされ、前記比較回路の出力によりリセットされるRSラッチ回路と、
    前記モード切替制御回路からのモード切替信号に応答して、前記RSラッチ回路の非反転出力と反転出力のいずれかを選択する選択回路と、
    を具備することを特徴とする請求項1または2に記載の電源回路。
  4. 前記モード切替制御回路からのモード切替信号に応答して、前記フィードバック電流と前記第1の制御値または前記第2の制御値を切り替えて前記比較回路に供給する選択回路を具備することを特徴とする請求項3に記載の電源回路。
  5. 入力端子と出力端子との間に主電流路が並列に接続された複数のスイッチングトランジスタと、前記複数のスイッチングトランジスタの主電流路からのフィードバック電流と所定の制御値とを比較する比較回路を備え、前記比較回路の出力と所定のタイミング信号とによってパルス幅が制御されるPWM信号によって前記複数のスイッチングトランジスタのオン/オフを制御して出力電圧を調整するマルチフェーズの電源回路において、
    前記出力電圧と参照電圧の誤差値から前記制御値を生成する補償回路と、
    前記複数のスイッチングトランジスタの主電流路からのフィードバック電流と前記複数のスイッチングトランジスタの内の特定のスイッチングトランジスタの主電流路からのフィードバック電流の最下点の値との差分値を求める制御回路と、
    前記制御値と前記差分値を用いて補正された制御値を生成する制御値補正回路とを具備することを特徴とする電源回路。
  6. 入力端子と出力端子間に主電流路が接続された第1のスイッチングトランジスタのオン/オフをPWM信号によって制御する電源回路の制御方法において、
    前記第1のスイッチングトランジスタの主電流路からのフィードバック電流が予め設定された第1の制御値より大きくなったタイミングと、所定のタイミング信号とによって前記PWM信号のパルス幅を制御し、前記フィードバック電流の上限値を制御する第1のモードと、
    前記第1のスイッチングトランジスタの主電流路からのフィードバック電流が予め設定された第2の制御値より小さくなったタイミングと、前記タイミング信号とによって前記PWM信号のパルス幅を制御し、前記フィードバック電流の下限値を制御する第2のモードと、
    を備え、前記PWM信号のオン時間の長さに応じて前記第1のモードと前記第2のモードを切り替えることを特徴とする電源回路の制御方法。
  7. 前記第1のモードから前記第2のモードに切り替えた際の前記第2の制御値を、前記第2のモードに切り替える前の前記フィードバック電流の最下点の値に等しくなるように設定することを特徴とする請求項6に記載の電源回路の制御方法。
  8. 電源回路の立上げ時には、前記第1のモードにより制御することを特徴とする請求項6または7に記載の電源回路の制御方法。
  9. 前記第1のモードから前記第2のモードに切り替える際、切替後の前記タイミング信号は、切替前のタイミングとは異なるタイミングで出力されることを特徴とする請求項6から8のいずれか一項に記載の電源回路の制御方法。
  10. 前記第1のモードから前記第2のモードへの切替は、前記PWM信号のオン時間が予め設定された閾値時間より短くなった場合に行われ、前記切替後の最初のタイミング信号は切替前のタイミング信号の立上りから前記閾値時間分遅れたタイミングで供給されることを特徴とする請求項9に記載の電源回路の制御方法。
  11. 前記第1のモードから前記第2のモードへ切替た後の最初のタイミング信号は、前記第1のスイッチングトランジスタの主電流路からのフィードバック電流が前記第1の制御値より大きくなったタイミングで供給されることを特徴とする請求項9に記載の電源回路の制御方法。
  12. 前記電源回路は、入力端子と出力端子間に主電流路が前記第1のスイッチングトランジスタと並列に接続された第2のスイッチングトランジスタを備えたマルチフェーズの電源回路であり、前記第1のスイッチングトランジスタの主電流路からのフィードバック電流と前記第2のスイッチングトランジスタの主電流路からのフィードバック電流の最下点の値の差分を求め、前記差分に応じて前記第2のスイッチングトランジスタに供給されるPWM信号のパルス幅を制御する制御値の値を補正することを特徴とする請求項6に記載の電源回路の制御方法。
  13. 前記第1のモードから前記第2のモードへ切り替える際、モード切替後に前記第1のスイッチングトランジスタに供給されるPWM信号のオン時間を制御する最初のタイミング信号と、切替後に前記第2のスイッチングトランジスタに供給されるPWM信号のオン時間を制御する最初のタイミング信号を、夫々、同じ時間分だけ位相シフトして供給することを特徴とする請求項12に記載の電源回路の制御方法。
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