JP2017118619A - スイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の急激な負荷増加変動による急峻な立ち上がり電流に伴って発生するスパイク状電圧低下を抑止すること。
【解決手段】負荷Ｌへ電流を送給する電荷転送コンデンサＣ１と、負荷電流の急変を緩和する電荷送受給コンデンサＣ２と、可変電源Ｖｒと、前記コンデンサＣ１の充電スイッチＳ２，Ｓ３と、放電スイッチＳ１，Ｓ４と、を有し、急激な負荷増加変動を検出して、可変電源Ｖｒから前記コンデンサＣ１に電荷を移送させ、次に、充電スイッチＳ２，Ｓ３をオフし放電スイッチＳ１，Ｓ４をオンすることで、前記コンデンサＣ１の電荷を負荷Ｌに送り出し、さらに、充電スイッチＳ２，Ｓ３と放電スイッチＳ１，Ｓ４をオンオフ制御することで再度負荷Ｌへ電荷を送り出し、前記コンデンサＣ１から負荷Ｌへの電流の繰り返し動作を行うことによって、負荷の電荷不足を補填すること。
【選択図】図２

Description

本発明は、急激な負荷変動により電源ラインに発生するスパイク状の電圧変動を緩和するレギュレータシステムに関し、特に、急激な負荷変動によるステップ状の急峻な立上りを持った電流を中和してなだらかな電流変化とすることにより、電源ラインに発生するスパイク状の電圧低下を緩和するレギュレータシステムに関する。

大規模化されたＬＳＩ又はＦＰＧＡ等を搭載されている負荷がその内部構成の動作回路数又はその動作周波数等を急激に変動させた場合には、急激な負荷変動に伴う急峻な立ち上がり電流によるスパイク状電圧降下を緩和するように、従来技術においては、負荷側に複数のコンデンサを並列接続し、急峻な立ち上がり電流の発生時にこの複数のコンデンサの電荷を放電して負荷に放電電流を補給していた。

また、大電流を負荷側に補給するレギュレータは、分割配置し負荷分散するように構成されている。そして、レギュレータ自体はフィードバック制御されており、並列化する場合には安定動作させるために負荷側のインピーダンスが抵抗性に見えるように直列抵抗を挿入して位相回転を抑えるように構成されていた。上記の位相回転を抑止する従来技術として、例えば下記の非特許文献１に示されているように、負荷側に３ｍΩの直列抵抗を挿入して電流の分配と安定化を実現しようとすることが開示されている。

リニアテクノロジー社の製品「ＬＴ３０７１」データシート、ファイル名ｊ３０７１ｆｂ、２４頁、図８に示す「１Ｖ／７Ａポイントオブロード電流負担レギュレータ」（リニアテクノロジー社ＷＥＢのｗｗｗ．ｌｉｎｅａｒ−ｔｅｃｈ．ｃｏ．ｊｐ、製品、資料、ＬＴ３０７１データシート、２６頁、図８を参照）

しかしながら、上記の従来技術に示すように、負荷にコンデンサを並列接続する構成では、急激な負荷変動によって電源ラインに発生するスパイク状の電圧降下を緩和するに十分な数量のコンデンサを付設せねばならず、負荷を形成するＬＳＩ等の小型化の要求と相容れないという課題が生じる。

また、上記の先行技術文献では、並列化で大電流による負荷駆動はできるものの、急激な負荷変動を吸収する高速な応答性を保証するものでないため、応答遅れのために電源ラインにスパイク状電圧変動（スパイク状ノイズ電圧）が発生する課題が生じる。

本発明の目的は、上記課題を解決するためのものであり、急激な負荷増加変動又は負荷減少変動による急峻な立ち上がり電流又は立ち下がり電流に伴って発生するスパイク状の電圧低下又は電圧上昇を抑止するスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステムを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。すなわち、電源と負荷とを接続する電源ラインに接続され、前記負荷の急激な負荷増加変動又は急激な負荷減少変動に対応して前記負荷への電流を送り出す又は前記電源ラインからの電流を受け入れるスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステムであって、前記電流を送り出す又は受け入れるコンデンサと、前記コンデンサの充放電スイッチと、前記急激な負荷増加変動と急激な負荷減少変動のときに背反にオンオフする２つの負荷電流補償スイッチと、を有し、前記負荷へ電流を供給するための可変電源を有し、前記負荷の急激な負荷増加変動が発生したことを検出し、前記検出に基づいて、前記可変電源が前記コンデンサに電圧を供給できるように、 前記負荷電流補償スイッチをオンオフ制御し、前記負荷の急激な負荷増加変動が発生したことを検出し、前記負荷増加変動の変動量に基づいて、前記可変電源の内のいずれかの電源を選定し、前記選定された電源に基づき、前記充放電スイッチの動作によって前記コンデンサから前記負荷へ放電電流を送り出し、前記負荷に接続された電源の急峻な電圧変動を緩和するように構成する。

また、前記スイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステムにおいて、前記負荷の急激な負荷減少変動が発生したことを検出し、前記検出に基づいて、前記２つの負荷電流補償スイッチの内の一の負荷電流補償スイッチのオンオフ制御によって前記可変電源と前記コンデンサとの接続をオフするともに、前記２つの負荷電流補償スイッチの内の他の負荷電流補償スイッチのオンオフ制御によって前記電源ラインから前記コンデンサに放電電流を受け入れできるように接続し、前記充放電スイッチの動作によって前記電源ラインから前記コンデンサに放電電流を受け入れ、前記負荷に接続された電源の急峻な電圧変動を緩和するように構成する。

本発明によれば、急激な負荷増加変動又は急激な負荷減少変動による急峻な立ち上がり電流又は急峻な立ち下がり電流に伴って発生するスパイク状電圧低下又はスパイク状電圧上昇を抑止することができ、このスパイク状電圧低下又はスパイク状電圧上昇による負荷としてのＬＳＩ等の内部構成である半導体素子の誤動作、作動停止を防止することができる。

また、急激な負荷変動の発生の瞬間にのみ大電流を流すようにすることができ、レギュレータシステムの低消費電力化を図ることができる。

本発明の実施形態に係るスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステムの基本的構成を示す図である。 本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成を機能拡張した実施例１を示す図である。 本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成の動作を説明する図であり、負荷Ｌへの電荷不足（−スパイク電圧）の補充を説明する図である。 本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成の動作を説明する図であり、負荷Ｌへの過剰電荷（＋スパイク電圧）を電荷転送コンデンサＣ１で吸収することを説明する図である。 本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成における負荷変動に伴う電源ラインの電圧変化（スパイクノイズ電圧）を示すグラフである。 本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成を機能拡張した実施例２を示す図である。 本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成と実施例２における各構成要素の動作波形を示す説明図である。 本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成を機能展開した実施例３を示す図である。 本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成を機能展開した実施例４を示す図である。

本発明の実施形態に係るスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム（以下、レギュレータシステムと称する）について、その基本的構成につき図１、図３、図４及び図５を参照しながら説明するとともに、本実施形態の実施例１〜４につき図２、図６〜図９を参照しながら以下説明する。

図面において、Ｃ１は電荷転送コンデンサ、Ｃ２は補正電流供給コンデンサ（電荷供給コンデンサ）、Ｓ２，Ｓ３はコンデンサＣ１充電スイッチ、Ｓ１，Ｓ４はコンデンサＣ１放電スイッチ、Ｓ５は負荷立上り電流補償スイッチ、Ｓ６は負荷立下り電流補償スイッチ、Ｖｒは可変電源（補正電流制御電圧）、電源Ｐは負荷Ｌの駆動電源、負荷Ｌは急激な負荷変動を含む負荷変動を発生する負荷、Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３は補正電流設定電圧、Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２，Ｖｔｈ３は負荷変動電流検出用閾値電圧、ＣＭＰ１，ＣＭＰ２，ＣＭＰ３は負荷変動電流検出コンパレータ、ＤＥＣはコンパレータ出力からＶｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３を選択するデコーダ、ＡＭＰは負荷変動電流検出差動増幅器、Ｓ１１〜Ｓ１４はＳ１〜Ｓ４と同一機能を持ち１８０度動作位相の異なるスイッチ、Ｒｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３はＶｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３と代替えする補正電流制御抵抗、Ｒｓは負荷電流検出抵抗、をそれぞれ表す。

図１は、本発明の実施形態に係るスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステムの基本的構成を示す図である。本実施形態に係るレギュレータシステムは、図１に示す電源Ｐと、負荷Ｌと、電源Ｐ及び負荷Ｌ間の電源ラインと、電源ラインに接続された負荷電流検出抵抗と、を除いた各構成要素、すなわち、図１に示すスイッチＳ１〜Ｓ６と、コンデンサＣ１及びＣ２と、可変電源Ｖｒと、を基本的構成としている。

本実施形態の概要について、まず定性的に説明すると、負荷Ｌの例示として多数の回路構成体から形成される大規模化されたＬＳＩを仮に取り上げると、大規模ＬＳＩの内で動作対象となる回路構成体の数量又は動作周波数等がステップ状に変更する場合、すなわち、急激な負荷変動の増加によって急峻な立ち上がりを持った電流急増が伴い、電源Ｐがこの急峻な立ち上がり急増電流に追随できずにスパイク状の電圧低下（−スパイクノイズ電圧又は−スパイク電圧とも称する）が一般的に発生するが、このスパイク状電圧低下は動作対象の回路構成体内の半導体素子の誤動作や動作不能を引き起こすので、本実施形態においては、急激な負荷変動の増加によって急峻な立ち上がりを持った電流急増を抑止するように、スイッチトキャパシタからの放電電流を負荷Ｌに供給することで、すなわち、この放電電流によって当該電流急増を補填（補充）することで、なだらかな負荷電流の変化を形成させ、電源ラインの急激な電圧低下（スパイク状電圧低下）を引き起こさないようにするものである。

また、上述のように急激な負荷増加変動による急峻な立ち上がり電流を持った負荷電流をスイッチトキャパシタからの放電電流によって中和する機能（図３を参照）に加えて、本実施形態では急激な負荷減少変動による急峻な立ち下がり電流に対しても、電源ラインの急激な電圧上昇を緩和する機能（図４を参照）を奏させるものである。すなわち、急激な負荷減少変動は、負荷Ｌの動作停止時が端的な例として挙げられるが、その場合、負荷Ｌの動作停止時の電源ラインの電圧が跳ね上がるフライバック現象を抑制するように電源ラインからスイッチトキャパシタに向けて電荷が供給される（後述する）。また、上述のフライバック現象の抑制機能の外にも、急激な負荷減少変動に対して、負荷Ｌへの過剰電荷（＋スパイク電圧）をコンデンサＣ１で吸収することによって（図４（Ｃ）を参照）、電源ラインの急激な電圧上昇を緩和することができる。

図１において、コンデンサＣ１は負荷Ｌへの電流供給のための電荷転送コンデンサであり、コンデンサＣ２は負荷電流の急変を緩和するための電荷供給コンデンサ（補正電流供給コンデンサ）である。可変電源Ｖｒは負荷の変動量に応じて可変できる電源であり、電源の電圧を可変（可変電源）することにより、負荷Ｌへの最適な電流供給補正を行う。また、スイッチＳ５，Ｓ６は負荷変動の方向に応じて設定されるスイッチであり、負荷急変による負荷点電圧変動を検出して、負荷増加時はスイッチＳ５をオンし、負荷減少時はスイッチＳ６をオンするように動作する。

図１、図３及び図４の回路構成に示すように、電荷転送コンデンサＣ１の一端に接続するスイッチＳ１，Ｓ２と、電荷転送コンデンサＣ１の他端に接続するスイッチＳ３，Ｓ４と、を設け、また、補正電流供給コンデンサＣ２の一端に接続するスイッチＳ５，Ｓ６を設ける。さらに、スイッチＳ１の一端とスイッチＳ３の他端は補正電流供給コンデンサＣ２の他端に接続し、スイッチＳ２の一端は接地し、スイッチＳ４の他端は負荷Ｌへの給電線（電源ライン）に接続する。さらに、コンデンサＣ２の一端はスイッチＳ５とスイッチＳ６の接続点に接続し、スイッチＳ５の他端は可変電源（補正電流制御電圧）Ｖｒに接続し、スイッチＳ６の一端は接地するように接続する。

図１、図３及び図４に示す本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成について、その動作を説明する。負荷急変による負荷増加時における負荷点電圧変動を電源ラインの検出抵抗（図３に示すＲｓを参照）で検出して、スイッチＳ５がオンされ（図３を参照）、コンデンサＣ２のスイッチＳ５，Ｓ６の接続点は可変電源Ｖｒの出力電圧と等量の電位になり、この状態でスイッチＳ３，Ｓ２をオンするとコンデンサＣ１にコンデンサＣ２から電荷が移送され、コンデンサＣ１のスイッチＳ３側（他端側）にプラスの電荷がチャージされる（図３（Ａ）を参照）。

次に、スイッチＳ２，Ｓ３をオフしてスイッチＳ１，Ｓ４をオンすると、コンデンサＣ１の電荷が負荷Ｌに向かって流れる（図３（Ｂ）を参照）。コンデンサＣ１の電荷がなくなったら再度スイッチＳ２，Ｓ３をオンしてコンデンサＣ２から電荷を補給し、さらにスイッチＳ１，Ｓ４をオンして負荷Ｌへの電荷供給をする。このようなコンデンサＣ１からの負荷Ｌへの放電電流の繰り返し動作を行うことによって、負荷Ｌの急変による電流の急増を補填する。すなわち、負荷Ｌへの電荷不足（−スパイク電圧）を補充する。

そして、上述したスイッチＳ２，Ｓ３とスイッチＳ１，Ｓ４のオンオフ動作は、負荷Ｌへの電源ラインに接続された負荷電流検出抵抗Ｒｓに掛かる電圧の変化を検出することにより、負荷Ｌへの放電電流の変化を読み取り（図示していないが公知の技術で実現可能）、各スイッチをオン・オフ動作させればよい。また、コンデンサＣ１における負荷Ｌに流れる電荷が無くなるタイミングを予め条件設定（プログラム）しておき、その設定タイミング（プログラム）でオン・オフ動作（スイッチング）させてもよい。

このように、上述した動作を繰り返すことによりコンデンサＣ２の電荷は徐々に減少し、ついには電荷移送できなくなる。この繰り返し動作は急激な負荷変動を緩和することであって、負荷変動が緩やかな電流変化となることである。換言すると、本実施形態においては、スイッチトキャパシタからの放電電流を負荷Ｌに供給して、急峻な立ち上がりを持った電流急増を補填（補充）することで、なだらかな負荷電流の変化を形成させ、電源ラインの急激な電圧低下（スパイク状電圧低下）を引き起こさないようにする機能を有しており、この機能が本発明の実施形態の主要な特徴である。

また、図４に示すように、本実施形態では急激な負荷減少変動による急峻な立ち下がり電流に対しても、電源ラインの急激な電圧上昇を緩和する機能を奏させるものであり、急激な負荷減少変動に対して、電荷の流れ態様を図４に示しており、スイッチＳ５をオフし、スイッチＳ６をオンすることでコンデンサＣ１の電荷を図４（Ｂ）に示すような点線経路で放電し、さらに、図４（Ｃ）に示すように、負荷Ｌへの過剰電荷（＋スパイク電圧）をコンデンサＣ１で吸収することによって、電源ラインの急激な電圧上昇を緩和することができる。

再び、図３に戻ると、一般的に、急激な負荷変動の増加によってスパイク状の電圧低下（−スパイクノイズ電圧又は−スパイク電圧とも云う）発生し得るが、本実施形態に係るレギュレータシステムからの放電電流を負荷Ｌに供給することで、負荷Ｌ内の半導体素子の誤動作や動作不能を惹起させないようにすることが、本実施形態の主要な技術であり、急激な負荷増加変動への対応について図３に図解している。この図解によると、本実施形態に係るレギュレータシステムから負荷Ｌへ電流を供給する経路が示されている。

また、急激な負荷減少変動への対応については図４に図解しており、この図解によると、電源ラインから本実施形態に係るレギュレータシステムへ電流を供給する経路が示されている。

図３において、スイッチＳ３，Ｓ２を経由する電流パスはコンデンサＣ１への充電経路であり（図３（Ａ）を参照）、全経路の合成抵抗とコンデンサＣ１の静電容量で充電が完了する。個々のスイッチＳ５，Ｓ３，Ｓ２はＭＯＳトランジスタ等であり、オン抵抗Ｒｏｎのものを使用する。チャージを実行すると流れる電流Ｉｃは３段のスイッチを経由するために、
Ｉｃ＝Ｖｒ／３Ｒｏｎ …（１）
となる。この時の移動電荷量はＩｃ×ｔｏｎであるから、コンデンサＣ２のチャージアップ電圧の初期値は、
ΔＶｃ２＝（Ｉｃ×ｔｏｎ）／Ｃ２ …（２）
これにより、コンデンサＣ２のチャージアップ時間を求めると、
τ＝（Ｖｒ／ΔＶｃ２）×ｔｏｎ …（３）
となり、整理すると、式（２）に式（１）を代入して、
ΔＶｃ２＝（（Ｖｒ／３Ｒｏｎ）×ｔｏｎ）／Ｃ２ …（４）
式（３）に式（４）を代入して、
τ＝［Ｖｒ／｛（Ｖｒ／３Ｒｏｎ）×ｔｏｎ）／Ｃ２｝］×ｔｏｎ
となり、整理すると
τ＝Ｃ２×３Ｒｏｎ …（５）
となる。

以上の結果から補正電流の最大値は式（１）により求まり、時定数は式（５）による。時定数の決定は電源Ｐに使用するレギュレータの応答特性による。

次に、本実施形態に係るレギュレータシステムにおける負荷変動を伴う電源電圧のシミュレーション結果について、図５を参照しながら説明する。図５は本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成における負荷変動に伴う電源ラインの電圧変化（スパイクノイズ電圧）を示すグラフである。縦軸は電源ラインの電圧であり、２回の負荷変動が生じた場合の電圧変化を示しており、横軸は経過時間であり、約中間が１００μｓであることを表している。図３に示す負荷への電荷不足又は図４に示す負荷への電荷過剰を無くするような最適補正による電圧変化は、図５の実線で示している。図５における点線は補正無しの場合の電圧変化であり、鎖線は過補正の場合の電圧変化を示している。

図５において、１回目の変動は急激な負荷増加変動が生じた場合であり、２回目の変動は急激な負荷減少変動が生じた場合ある。１回目の変動で本実施形態による補正が無ければ（点線のグラフ参照）、急激な電圧低下（−スパイクノイズ電圧）が惹起して半導体素子の誤作動の虞が生じ得る場合に、図３（Ｂ）に示すように、コンデンサＣ１から負荷への放電電流によって、実線のように−スパイク電圧を緩和している。同様に、２回目の変動においては、急激な電圧上昇（＋スパイクノイズ電圧）が発生して半導体素子の動作不能、誤作動の虞が生じ得る場合に、図４（Ｃ）に示すように、電源ラインからコンデンサＣ１への放電電流によって、実線のように＋スパイク電圧を緩和している。

次に、本実施形態に係る負荷変動の検出とこの検出による負荷変動の緩和動作に関する具体的事例について、図２を参照しながら以下説明する。図２には本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成を機能拡張した実施例１が示されている。

負荷Ｌが動作を開始して負荷電流が急増すると、電流検出抵抗Ｒｓに電圧が発生する。この発生する電圧は電源Ｐ側が正で負荷Ｌ側が負の負荷電流比例の電圧が発生する。この電圧を差動増幅器ＡＭＰで増幅して、負荷変動電流検出用閾値電圧Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３で比較検出する比較器ＣＭＰ１〜ＣＭＰ３に入力する。負荷変動電流検出用閾値電圧Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３は、負荷電流を３ランクに分けて電流の急増を補填するものであり、小さな負荷変動を大きく補正することによる過補正を避けるためのものである。

負荷変動電流検出用閾値電圧Ｖｔｈ１は最大値の１／３以上で２／３以下、そのＶｔｈ２は２／３以上で３／３以下、そのＶｔｈ３は３／３以上で動作する。Ｖｔｈ１では補正電流設定電圧Ｖｒ１が選択され、小さな補正出力となる。同様にＶｔｈ３を超えると大きな補正値が出力される。すなわち、急増する負荷電流による電流検出抵抗Ｒｓ両端に発生する電圧が閾値電圧Ｖｔｈ３を越えると、補正電流制御電圧Ｖｒ３の＋端子が負荷立ち上がり電流補償スイッチＳ５の他端に接続されて、大きな可変電源Ｖｒが出力される。

図１、図３及び図４に示す回路構成で説明したように、コンデンサＣ１への充放電動作はスイッチＳ２，Ｓ３とスイッチＳ１，Ｓ４の交互の繰り返し動作によりコンデンサＣ２の電荷を負荷Ｌ側へ供給する。スイッチＳ５がオンでスイッチＳ６がオフの場合、コンデンサＣ２の電荷を放電する動作をする。

これに対して、スイッチＳ５がオフでスイッチＳ６がオンの場合は、コンデンサＣ２に電荷を充電する動作をする。この充電する電荷は、図４の紹介説明で記載したように、急激な負荷減少変動があったときには通常発生するものであるが、その典型例として負荷Ｌが動作を停止して電源Ｐからの電流が過多になり、電圧が跳ね上がるフライバック現象を抑制しようとするときに、負荷Ｌに接続された電源Ｐから供給されることになる。以上の動作は負荷電流検出抵抗Ｒｓに発生する電圧量で制御される。

なお、本実施形態の係るレギュレータシステムの実施例１を示す図２には、スイッチ Ｓ５及びＳ６を二者択一的に動作させるトリガー信号として負荷変動電流検出コンパレータＣＭＰ１の出力信号を用いる回路構成が示されているが、スイッチＳ５とＳ６は、元々負荷立ち上がり電流と負荷立ち下がり電流の検出に基づいて動作するスイッチであり、図２の回路構成を基に適宜に改変されて適用されることになる。

さらに、本実施形態に係る実施例１についての具体的動作の設定手法を説明する。電流検出抵抗Ｒｓの抵抗値次第で、流れる電流に因る検出電圧の大きさが決まることとなる。差動増幅器ＡＭＰの出力は比較器ＣＭＰに入力しているから閾値電圧Ｖｔｈの決め方次第で検出電流値が決まることとなる。

電流検出抵抗Ｒｓでの検出電圧の最大値が負荷変動電流検出用閾値電圧Ｖｔｈ３で検出されるようにＶｔｈ３の大きさを決定し、これにより選択される補正電流設定電圧Ｖｒ３が式（１）の電流Ｉｃを流す値に設定する。以下、補正電流設定電圧Ｖｒ２，Ｖｒ１はそれぞれＶｒ３×２／３，Ｖｒ３×１／３となる設定をする。

以上の説明で明らかなように、図２に示す実施例１では、負荷電流検出抵抗Ｒｓの両端に生じる電圧の大小に基づいて可変電源Ｖｒの内で適宜の電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３が選択され、図５に示す最適補正（実線グラフを参照）が選定されるのである。さらに、急激な負荷減少変動が発生したときには、不図示ではあるが負荷立ち下がり電流補償スイッチＳ６と接地との間に複数の抵抗を接続して、負荷電流検出抵抗Ｒｓの両端に生じる電圧の大小に基づいて適宜の抵抗を選択し、図５に示す２回目の負荷変動における実線グラフになるように最適補正を選定すればよい。

次に、本発明の実施形態に係るレギュレータシステムに関する実施例２について、図６と図７を参照しながら以下説明する。図６は本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成を機能拡張した実施例２を示す図であり、図７は本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成と実施例２における各構成要素の動作波形による説明図である。

本実施形態の実施例２を示す図６は、充・放電スイッチＳ１〜Ｓ４及び電荷転送コンデンサＣ１に対して、充・放電スイッチＳ１１〜Ｓ１４及び電荷転送コンデンサＣ１１を並列接続して且つ半位相ずらして２相動作させるレギュレータシステムを構成することで、スイッチングリップルを大幅に低減した構成例である。この実施例２では補正電流供給コンデンサＣ２が共通であるため２倍の電流が流れることにより、上述の式（１）から式（５）で計算した時定数の半分で動作する。したがって、補正電流供給コンデンサＣ２の容量は２倍にセットすることで計算値と同じ波形が得られる。

次に、本実施形態の実施例２の動作について、図７に図解する動作波形を用いて説明する。図７に示す実施例２の動作説明は、図３と図６に示した各構成要素に基づき、またそれらの各構成要素の名称、符号を用いた波形名称に基づいて行う。すなわち、電流ＩＣ１及び電流ＩＣ２は、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２に流れる電流を示しており、さらにＩ負荷Ｌは、負荷Ｌに流れる電流を示している。

また、図７に示すタイムチャート（波形図）は、動作開始の直後から数サイクルの状態を表しており、補正電流供給コンデンサＣ２の電荷が移動しなくなるまでの状態は表していないが、提示している状態の継続により、電流ＩＣ２の値はエクスポネンシャル状に減衰する。この減衰の態様は上述の式（５）に示す時定数に因る。

図７に示すタイムチャートによると、コンデンサＣ１の充電スイッチＳ２，Ｓ３のオンにより電流ＩＣ１が流れてコンデンサＣ１に電荷が蓄積される。次のタイミングで、スイッチＳ２，Ｓ３がオフしてコンデンサＣ１の放電スイッチＳ１，Ｓ４がオンすると、コンデンサＣ１に蓄積された電荷は負荷Ｌに向かって放電し、本実施形態の特徴である急激な電流変化の緩和動作を開始する。次のタイミングでは最初に説明した動作と同じく、コンデンサＣ１に再度電荷を蓄積し、次のタイミングで放電する。

図７に示すように、コンデンサＣ２に流れる電流を示すＩＣ２を見ると、連続的に＋Ｉが流れ続ける。また、負荷Ｌに流れる電流を示すＩ負荷Ｌを見ると、コンデンサＣ１の放電タイミングのみに電流が流れ、おおきなリップル電流となっている。このリップル電流の影響を緩和するためには大きなフィルタを挿入する必要があるが、補正電流の立上り時間の劣化を招く。

本実施形態の実施例２では、上述した劣化のような弊害をなくするため、交互スイッチングさせることにより負荷Ｌへの補正電流の平準化を行う。具体的には、図７の上段に示す基本動作波形において、スイッチＳ２，Ｓ３がオンするとき、図７の下段に示す２相目動作波形のスイッチＳ１１，Ｓ１４をオンさせる（Ｓ１１，Ｓ１４は図６参照）ことによって、コンデンサＣ１充電時にはコンデンサＣ１１が放電動作となるようにする。逆に、スイッチＳ１２，Ｓ１３がオンしてコンデンサＣ１１を充電するときは、スイッチＳ１，Ｓ４がオンしてコンデンサＣ１が放電動作となり放電動作が連続するようになる。

図７の下段に示す２相目動作波形において負荷Ｌに流れる電流であるＩ負荷Ｌは、連続電流となっている。また、２相目動作波形での補正電流供給コンデンサに流れる電流であるＩＣ２は、基本動作波形に比べ２倍の電流が流れる結果、前述のように時定数は半分になる。

以上説明したように、本発明の実施形態においては、急激な負荷変動に因る負荷電流の変化量を検出してこの検出出力に応じた可変電源Ｖｒの電圧を変更して、電荷転送コンデンサの端子電圧に依存した電流を負荷に供給し、あるいは負荷への過剰電流（過剰電荷）を電源ラインから電荷転送コンデンサに吸収することによって、電源ラインに発生するスパイク状の電圧変動を抑止するものである。

そして、本実施形態において、急激な負荷増加変動において急峻な立ち上がり電流が発生する場合、その補正電流量Ｉ負荷Ｌは、上述の式（１）に示す通り可変電源Ｖｒとスイッチのオン抵抗Ｒｏｎにより制御される。このような制御について、本実施形態では実施例１として可変電源Ｖｒを選択的に可変制御することを提示している。

次に、本実施形態に係るレギュレータシステムの実施例３と実施例４について、図８と図９を参照しながら以下説明する。図８は本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成を機能展開した実施例３を示し、図９は本実施形態に係るレギュレータシステムの基本的構成を機能展開した実施例４を示す。

本実施形態の実施例３は、図２の実施例１に示された複数の可変電源Ｖｒのいずれかを選択的に可変するものに代えて、式（１）に示す抵抗Ｒｏｎを選択的に変えるものである。すなわち、本実施形態の実施例３においては、図８に示すように、コンデンサＣ１，Ｃ２への電源Ｖｒは固定の電源として、負荷立ち上がり電流補償スイッチＳ５の一端と補正電流供給コンデンサＣ２の一端の間に複数の抵抗、すなわち、補正電流制御抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２を挿入して、急激な負荷変動に因る負荷電流の変化量を検出しその検出出力に応じて、補正電流制御抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２のいずれかを選択しようとするものである。

本実施形態の実施例４は、図８に示す固定電源Ｖｒに代えて、図９に示すように、負荷Ｌに用いる電源Ｐを利用するものである。すなわち、電源Ｐの出力にフィルタ回路を付加して電源Ｐに含まれるリップル分を取り除いて固定電源の代わりに使用する。図８に示す固定電源Ｖｒと実施例４に示す電源Ｐの電圧の差異により、図９の補正電流制御抵抗Ｒｄの数量を調整して、制御抵抗としてＲｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３を使用している。

本発明の実施形態では、主として、急激な負荷増加変動において急峻な立ち上がり電流が発生する場合を例示して説明したが、図４に示すように、急激な負荷減少変動において急峻な立ち下がり電流が発生する場合についても、本発明は適用可能な技術である。

Ｃ１：電荷転送コンデンサ
Ｃ２：補正電流供給コンデンサ
Ｓ２，Ｓ３：Ｃ１充電スイッチ
Ｓ１，Ｓ４：Ｃ１放電スイッチ
Ｓ５：負荷立上り電流補償スイッチ
Ｓ６：負荷立下り電流補償スイッチ
Ｖｒ：可変電源（補正電流制御電圧）
電源Ｐ：負荷Ｌの駆動電源
負荷Ｌ：負荷変動を発生する負荷
Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３：補正電流設定電圧
Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２，Ｖｔｈ３：負荷変動電流検出用閾値電圧
ＣＭＰ１，ＣＭＰ２，ＣＭＰ３：負荷変動電流検出コンパレータ
ＤＥＣ：コンパレータ出力からＶｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３を選択するデコーダ
ＡＭＰ：負荷変動電流検出差動増幅器
Ｓ１１〜Ｓ１４：Ｓ１〜Ｓ４と同一機能で１８０度動作位相の異なるスイッチ
Ｒｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３：Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３と代替えする補正電流制御抵抗
Ｒｓ：負荷電流検出抵抗

Claims (8)

1. 電源と負荷とを接続する電源ラインに接続され、前記負荷の急激な負荷増加変動又は急激な負荷減少変動に対応して前記負荷への電流を送り出す又は前記電源ラインからの電流を受け入れるスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステムであって、
   前記電流を送り出す又は受け入れるコンデンサと、前記コンデンサの充放電スイッチと、前記急激な負荷増加変動と急激な負荷減少変動のときに背反にオンオフする２つの負荷電流補償スイッチと、を有し、
   前記負荷へ電流を供給するための可変電源を有し、
   前記負荷の急激な負荷増加変動が発生したことを検出し、前記検出に基づいて、前記可変電源が前記コンデンサに電圧を供給できるように、 前記負荷電流補償スイッチをオンオフ制御し、
   前記負荷の急激な負荷増加変動が発生したことを検出し、前記負荷増加変動の変動量に基づいて、前記可変電源の内のいずれかの電源を選定し、
   前記選定された電源に基づき、前記充放電スイッチの動作によって前記コンデンサから前記負荷へ放電電流を送り出し、前記負荷に接続された電源の急峻な電圧変動を緩和する
   ことを特徴とするスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム。
2. 請求項１において、
   前記負荷の急激な負荷減少変動が発生したことを検出し、前記検出に基づいて、前記２つの負荷電流補償スイッチの内の一の負荷電流補償スイッチのオンオフ制御によって前記可変電源と前記コンデンサとの接続をオフするともに、前記２つの負荷電流補償スイッチの内の他の負荷電流補償スイッチのオンオフ制御によって前記電源ラインから前記コンデンサに放電電流を受け入れできるように接続し、
   前記充放電スイッチの動作によって前記電源ラインから前記コンデンサに放電電流を受け入れ、前記負荷に接続された電源の急峻な電圧変動を緩和する
   ことを特徴とするスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム。
3. 請求項１において、
   前記複数コンデンサは、前記負荷へ放電電流を送り出すための電荷転送コンデンサと、前記放電電流の急変を緩和するための電荷供給コンデンサと、を有し、
   前記充放電スイッチは、前記電荷転送コンデンサの両端に接続されて当該電荷転送コンデンサへ接続された２つの充電スイッチと、当該電荷転送コンデンサに接続された２つの放電スイッチと、を有し、
   前記２つの負荷電流補償スイッチは、前記急激な負荷増加変動が生じたときにオンする負荷立ち上がり電流補償スイッチと、前記急激な負荷減少変動が生じたときにオンする負荷立ち下がり電流補償スイッチと、を有する
   ことを特徴とするスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム。
4. 請求項１または３において、
   前記負荷の急激な負荷増加変動が発生したことを検出するための負荷電流検出抵抗が前記電源ラインに設けられ、
   前記急激な負荷増加変動の変動量が前記負荷電流検出抵抗の両端電圧によって検知され、前記検知によって前記可変電源の内のいずれかの電源を選定する
   ことを特徴とするスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム。
5. 請求項３において、
   前記電荷転送コンデンサと前記２つの充電スイッチと前記２つの放電スイッチとからなる一のコンデンサ・スイッチ構成体に対して、当該一のコンデンサ・スイッチ構成体と同一の機能を有する他のコンデンサ・スイッチ構成体を設け、
   それぞれのコンデンサ・スイッチ構成体の一端が前記電荷供給コンデンサに接続されるとともにその他端が前記電源ラインに接続されて、各コンデンサ・スイッチ構成体が並列接続の構造を有し、
   前記他のコンデンサ・スイッチ構成体の前記２つの充電スイッチと前記２つの放電スイッチは、前記一のコンデンサ・スイッチ構成体の前記２つの充電スイッチと前記２つの放電スイッチとは１８０度動作位相を異にしたタイミングでスイッチング動作を行い、前記負荷への放電電流を平準化させる
   ことを特徴とするスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム。
6. 請求項４において、
   前記可変電源に代えて、前記負荷への放電電流を供給するための固定電源を有し、
   前記固定電源から前記負荷電流補償スイッチを通した前記複数コンデンサへの経路に複数の抵抗を設置接続し、
   前記負荷増加変動の変動量に基づいて、前記複数の抵抗の内のいずれかの抵抗を選定する
   ことを特徴とするスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム。
7. 請求項６において、
   前記固定電源に代えて、前記負荷に接続された電源を用いることを特徴とするスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム。
8. 電源Ｐと負荷Ｌとを接続する電源ラインに接続され、前記負荷Ｌの急激な負荷増加変動又は急激な負荷減少変動に対応して前記負荷Ｌへの電流を送り出す又は前記電源ラインからの電流を受け入れるスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステムであって、
   前記負荷Ｌへの電流送給又は前記電源ラインからの電流受給のための電荷転送コンデンサＣ１と、負荷電流の急変を緩和するための電荷送受給コンデンサＣ２と、前記負荷Ｌの急激な負荷増加変動又は急激な負荷減少変動の変動量に基づいて供給電圧を可変できる可変電源Ｖｒと、前記電荷転送コンデンサＣ１の充電に用いられる充電スイッチＳ２，Ｓ３と、前記電荷転送コンデンサＣ１の放電に用いられる放電スイッチＳ１，Ｓ４と、前記負荷Ｌの急激な負荷増加変動と急激な負荷減少変動に対応してオン制御される負荷立ち上がり電流補償スイッチＳ５と立ち下がり電流補償スイッチＳ６と、を有し、
   前記電荷転送コンデンサＣ１の一端に接続する前記放電スイッチＳ１及び前記充電スイッチＳ２と、前記電荷転送コンデンサＣ１の他端に接続する前記充電スイッチＳ３及び前記放電スイッチＳ４と、を設け、
   前記電荷送受給コンデンサＣ２の一端に接続する前記電流補償スイッチＳ５，Ｓ６を設け、
   前記放電スイッチＳ１の一端と前記充電スイッチＳ３の他端は前記電荷送受給コンデンサＣ２の他端に接続し、前記充電スイッチＳ２の一端は接地し、前記放電スイッチＳ４の他端は前記電源ラインに接続し、前記電荷送受給コンデンサＣ２の一端は前記電流補償スイッチＳ５と前記電流補償スイッチＳ６の接続点に接続し、前記電流補償スイッチＳ５の他端は可変電源Ｖｒに接続し、前記電流補償スイッチＳ６の一端は接地するように接続し、
   前記急激な負荷増加変動時における電圧変動を前記電源ラインの検出抵抗で検出し、前記電流補償スイッチＳ５をオン制御して前記電荷送受給コンデンサＣ２を可変電源Ｖｒの出力電圧と等電位にし、この時点で前記充電スイッチＳ３，Ｓ２をオンすることで前記電荷転送コンデンサＣ１に前記電荷送受給コンデンサＣ２から電荷を移送させて、前記電荷転送コンデンサＣ１の他端側に電荷をチャージさせ、
   続いて次に、前記充電スイッチＳ２，Ｓ３をオフし前記放電スイッチＳ１，Ｓ４をオンすることで、前記電荷転送コンデンサＣ１の電荷を前記負荷Ｌに向かって送り出し、
   続いて次に、前記電荷転送コンデンサＣ１の電荷がなくなったときに再度前記充電スイッチＳ２，Ｓ３をオンして前記電荷送受給コンデンサＣ２から電荷を補給し、
   続いて次に、前記放電スイッチＳ１，Ｓ４をオンすることで前記負荷Ｌへ電荷を送り出し、前記電荷転送コンデンサＣ１からの前記負荷Ｌへの放電電流の繰り返し動作を行うことによって、前記負荷Ｌにおけるマイナススパイク電圧を引き起こす前記負荷の電荷不足を補填する
   ことを特徴とするスイッチトキャパシタを備えたレギュレータシステム。