JP2019017186A - 電源装置および電子制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】PWM制御器25は、PWM信号Spwmを生成し、PFM制御器26は、PWM信号Spwmとは独立した位相を備えるPFM信号Spfmを生成する。レベル固定期間生成回路27は、PFM信号Spfmのエッジに定められる選択タイミングを開始タイミングとするレベル固定期間を設定する。モード選択回路28は、選択タイミングでPFM信号Spfmの代わりにPWM信号Spwmをスイッチング制御信号Sswとして選択し、当該スイッチング制御信号Sswにおける選択タイミングからレベル固定期間の間の論理レベルを固定の論理レベルに制御する。
【選択図】図2
Description
《電子制御装置の概略》
図1は、本発明の実施の形態1による電子制御装置の主要部の構成例を示す概略図である。図1に示す電子制御装置1は、例えば、車載用のECUである。当該電子制御装置1は、DC/DCコンバータ10と、電源装置11と、入力インタフェース12と、マイクロコントローラ(マイコン)MCUと、ドライバ13とを備え、これらが配線基板に実装された構成となっている。DC/DCコンバータ10は、バッテリ電圧Vbat(例えば、12V等)を電源電圧Vin(例えば、5V等)に変換する。電源装置11は、このバッテリ電源Vbatをもとにした入力電圧(電源電圧)Vinを受けて、所定の出力電圧(電源電圧)Voを生成する。出力電圧Voは、例えば、1V等である。
図12は、本発明の比較例として検討した電源装置の主要部の構成例を示す概略図である。図12に示す電源装置は、スイッチング回路SWUと、スイッチング制御回路SWC’とを備え、生成した出力電圧Voを外部の負荷LD(例えば、図1のマイコンMCU)に供給する。スイッチング制御回路SWC’は、出力電圧Voを帰還入力として、出力電圧Voを一定に保つためのスイッチング制御信号Sswを生成する。
図13は、図12の電源装置における負荷急変時の動作例を示すタイミングチャートである。負荷電流Ioの定常時となる期間T1では、モード切替制御回路MDC’からのモード切替信号Smdはネゲートレベル(ここではロウレベル)となり、モード選択回路28’は、PWM信号Spwmをスイッチング制御信号Sswとして選択し、スイッチング回路SWUへ出力する。スイッチング回路SWUのスイッチング素子SWh,SWlは、スイッチング制御信号Ssw(すなわちPWM信号Spwm)によってオン・オフが制御され、入力電圧Vinから出力電圧Voを生成する。
しかし、図12の電源装置では、図13に示されるように、期間T2(PFM制御モード)から期間T3(PWM制御モード)への切り替え時に、出力電圧Voに大きなリップルが生じる恐れがある。具体的には、当該切り替えのタイミングと、PFM信号Spfmの立ち下がりエッジと、PWM信号Spwmの立ち上がりエッジとが偶発的に一致するワースト条件が生じ得る。当該ワースト条件では、PFM信号Spfmのハイパルス幅とPWM信号Spwmのハイパルス幅とを合計した最大のハイパルスが生じるため、出力電圧Voに大きなリップルが生じる。
図2は、本発明の実施の形態1による電源装置の主要部の構成例を示す概略図である。図2に示す電源装置は、スイッチング回路SWUと、スイッチング制御回路SWC1とを備え、生成した出力電圧Voを外部の負荷LD(例えば、図1のマイコンMCU)に供給する。スイッチング回路SWUの構成は、図12の場合と同様である。
図3は、図2の電源装置における負荷急変時の動作例を示すタイミングチャートである。図3において、負荷電流Ioの定常時となる期間T1での動作は、図13の場合と同様である。負荷電流Ioの急増時となる期間T2において、負荷急増に伴い出力電圧Voは低下し、負荷急変検出回路30は、出力電圧Voが負荷急増閾値電圧よりも低下した段階で、負荷急変検出信号Sdetをアサートレベル(ここではハイレベル)に変更する。これに応じて、一定期間生成回路31は、モード切替信号Smdをアサートレベル(ここではハイレベル)に変更する。モード切替信号Smdのアサートに応じて、モード選択回路28は、PFM信号Spfmをスイッチング制御信号Sswとして選択し、スイッチング回路SWUへ出力する。
図4および図5は、図3におけるレベル固定期間の機能を説明するタイミングチャートである。図4には、図13で述べたように、選択タイミングTMslと、PFM信号Spfmの立ち下がりエッジと、PWM信号Spwmの立ち上がりエッジとが一致し、最大のハイパルスが生じるワースト条件が示される。この場合、レベル固定信号Slfによって、スイッチング制御信号Sswをレベル固定期間Tfxの間、強制的にロウレベルに制御することで、ワースト条件が緩和される。その結果、ハイパルスに伴うインダクタ電流ILの増加を抑制でき、出力電圧Voのリップルを低減することが可能になる。
図6(a)は、図2における一定期間生成回路の構成例を示す回路図であり、図6(b)は、図6(a)の動作例を示すタイミングチャートである。図6(a)の一定期間生成回路31は、立ち下がりエッジ検出回路311と、遅延回路312と、SRラッチ回路313,315と、Dフリップフロップ回路314とを備える。立ち下がりエッジ検出回路311は、負荷急変検出信号Sdetの立ち下がりエッジが生じた際に、内部の遅延回路によって定められるパルス幅のハイパルス信号Sxを出力する。
以上、実施の形態1の電源装置および電子制御装置を用いることで、位相が独立に制御される2個の信号を切り替えることによるワースト条件を緩和でき、リップルの低減が実現可能になる。その結果、例えば、車載用の電子制御装置において、制御対象の拡大等が図れる。なお、ここでは、負荷急増の場合を例としたが、負荷急減の場合にも同様に適用可能である。
《前提となる問題点》
前述した実施の形態1では、図7で説明したように、レベル固定期間Tfxを固定値に定めた。しかし、例えば、図1において、電源装置11にバッテリ電圧Vbatを直接入力するような場合や、電源装置11の使用環境が大きく変化する場合や、各回路の特性ばらつきが生じるような場合には、図4のPWM信号Spwmのハイパルス幅Thwを高精度に予測できない恐れがある。当該ハイパルス幅Thwとレベル固定期間Tfxとの比率を適切に保てない場合、図4に示したように、リップルの低減効果が弱まることになる。
図9は、本発明の実施の形態2による電源装置の主要部の構成例を示す概略図である。図9に示す電源装置は、図2に示した電源装置と比較して、スイッチング制御回路SWC2の構成が異なっている。当該スイッチング制御回路SWC2は、図2のスイッチング制御回路SWC1と比較して、レベル固定期間生成回路35の構成が若干異なり、さらに、デューティ検出回路36を新たに備えている。
以上、実施の形態2の電源装置および電子制御装置を用いることで、実施の形態1の場合と同様の効果が得られることに加えて、リップルの更なる低減が図れる場合がある。すなわち、各種ばらつき要因があった場合でも、それに応じてレベル固定期間Tfxの長さを適切に保つことができ、リップルの低減効果を高めることができる。
《前提となる問題点》
実施の形態1および2では、PWM制御モードの応答速度によっては、PFM信号SpfmからPWM信号Spwmに切り替えた直後で、PWM信号Spwmのデューティが適正な値に収束していない場合がある。すなわち、切り替え直前のPFM信号Spfmとデューティと、切り替え直後のPWM信号Spwmのデューティとの間に乖離が生じる恐れがある。この場合、PWM信号Spwmの不適正なデューティに起因して、リップルが生じ得る。
図10は、本発明の実施の形態3による電源装置の主要部の構成例を示す概略図である。図10に示す電源装置は、図2に示した電源装置と比較して、スイッチング制御回路SWC3の構成が異なっている。当該スイッチング制御回路SWC3は、図2のスイッチング制御回路SWC1と比較して、PWM制御器40の構成が若干異なり、さらに、図9の場合とは構成が若干異なるデューティ検出回路41を備えている。
図11は、図10の電源装置における負荷急変時の動作例を示すタイミングチャートである。図11では、図3の場合と異なり、期間T2内の一定期間Tsにおいて、デューティ検出回路41がPFM信号Spfmのデューティを検出している。また、選択タイミングTMsl後のレベル固定期間Tfxにおいて、PWM信号Spwmの生成動作の停止に伴いPWM信号Spwm自体がロウレベルに固定され、これに応じて、スイッチング制御信号Sswも‘L’レベルに固定される。
以上、実施の形態3の電源装置および電子制御装置を用いることで、実施の形態1の場合と同様の効果が得られることに加えて、リップルの更なる低減が図れる場合がある。すなわち、一定期間TsにおけるPFM信号Spfmのデューティは、負荷電流Ioに応じた適正な値となっており、この適正な値を、切り替え直後のPWM信号Spwmのデューティに反映させることができる。その結果、PWM制御モードの応答速度が十分に得られない場合であっても、出力電圧Voのリップルを低減することが可能になる。
11 電源装置
25 PWM制御器
26 PFM制御器
27 レベル固定期間生成回路
28 モード選択回路
36,41 デューティ検出回路
MCU マイクロコントローラ
MDC モード切替制御回路
SWC スイッチング制御回路
SWU スイッチング回路
SWh,SWl スイッチング素子
Slf レベル固定信号
Smd モード切替信号
Spfm PFM信号
Spwm PWM信号
Ssw スイッチング制御信号
Tfx レベル固定期間
Ts 一定期間
Vo 出力電圧
TMsl 選択タイミング
Claims (15)
- 第1の制御モードを用いて第1のスイッチング信号を生成する第1の制御器と、
第2の制御モードを用いて、前記第1のスイッチング信号とは独立した位相を備える第2のスイッチング信号を生成する第2の制御器と、
前記第2のスイッチング信号のエッジに定められる選択タイミングを開始タイミングとする位相調整期間を設定する位相調整期間設定回路と、
前記選択タイミングで前記第2のスイッチング信号の代わりに前記第1のスイッチング信号をスイッチング制御信号として選択し、前記スイッチング制御信号における前記選択タイミングから前記位相調整期間の間の論理レベルを固定の論理レベルに制御するモード選択回路と、
前記モード選択回路からの前記スイッチング制御信号に基づきオン・オフが制御され、前記出力電圧を制御するスイッチング素子と、
を有する電源装置。 - 請求項1記載の電源装置において、
前記第1の制御モードは、固定周波数のPWM(Pulse Width Modulation)制御モードであり、
前記第2の制御モードは、可変周波数のPFM(Pulse Frequency Modulation)制御モードである、
電源装置。 - 請求項1記載の電源装置において、
前記位相調整期間設定回路は、前記位相調整期間でハイレベルおよびロウレベルの一方となり、前記位相調整期間を除く期間でハイレベルおよびロウレベルの他方となるレベル固定信号を生成する、
電源装置。 - 請求項1記載の電源装置において、
前記固定の論理レベルは、前記選択タイミングが前記第2のスイッチング信号の立ち下がりエッジに予め定められる場合には、ロウレベルであり、前記第2のスイッチング信号の立ち上がりエッジに予め定められる場合には、ハイレベルである、
電源装置。 - 請求項4記載の電源装置において、
前記位相調整期間は、前記選択タイミング直前の前記第2のスイッチング信号における前記固定の論理レベルとは異なる論理レベルのパルス幅よりも短いか、または、前記選択タイミング直後の前記第1のスイッチング信号における前記固定の論理レベルとは異なる論理レベルのパルス幅よりも短い、
電源装置。 - 請求項4記載の電源装置において、
さらに、前記出力電圧が所定の電圧範囲から逸脱した際にモード切替信号をアサートし、前記出力電圧が回復し、一定期間を経過した後の前記選択タイミングで前記モード切替信号をネゲートするモード切替制御回路を有し、
前記モード選択回路は、前記モード切替信号のアサート期間で前記第2のスイッチング信号を選択し、前記モード切替信号のネゲート期間で前記第1のスイッチング信号を選択する、
電源装置。 - 請求項6記載の電源装置において、
さらに、前記モード切替制御回路の前記一定期間における前記第1のスイッチング信号または前記第2のスイッチング信号のデューティを検出し、当該デューティを反映して前記位相調整期間の長さを可変制御するデューティ検出回路を有する、
電源装置。 - 請求項7記載の電源装置において、
前記デューティ検出回路は、前記デューティの検出結果に基づき前記第1のスイッチング信号における前記固定の論理レベルとは異なる論理レベルの期間の長さを認識し、当該認識した長さと前記位相調整期間の長さとが所定の比率を保つように前記位相調整期間を制御する、
電源装置。 - 請求項6記載の電源装置において、
前記第1の制御器は、前記位相調整期間で前記第1のスイッチング信号の生成動作を停止し、前記位相調整期間が終了するタイミングで前記第1のスイッチング信号の生成動作を再開する、
電源装置。 - 請求項9記載の電源装置において、
前記第1の制御モードは、固定周波数のPWM(Pulse Width Modulation)制御モードであり、
前記第2の制御モードは、可変周波数のPFM(Pulse Frequency Modulation)制御モードであり、
前記電源装置は、さらに、前記モード切替制御回路の前記一定期間における前記第2のスイッチング信号のデューティを検出し、当該デューティを前記生成動作を再開した前記第1の制御器からの前記第1のスイッチング信号の最初の1サイクルに反映させるデューティ検出回路を有する、
電源装置。 - バッテリ電源をもとに所定の出力電圧を生成する電源装置と、
前記電源装置の前記出力電圧を電源として動作するマイクロコントローラと、
を有する電子制御装置であって、
前記電源装置は、
第1の制御モードを用いて第1のスイッチング信号を生成する第1の制御器と、
第2の制御モードを用いて、前記第1のスイッチング信号とは独立した位相を備える第2のスイッチング信号を生成する第2の制御器と、
前記第2のスイッチング信号のエッジに定められる選択タイミングを開始タイミングとする位相調整期間を設定する位相調整期間設定回路と、
前記選択タイミングで前記第2のスイッチング信号の代わりに前記第1のスイッチング信号をスイッチング制御信号として選択し、前記スイッチング制御信号における前記選択タイミングから前記位相調整期間の間の論理レベルを固定の論理レベルに制御するモード選択回路と、
前記モード選択回路からの前記スイッチング制御信号に基づきオン・オフが制御され、前記出力電圧を制御するスイッチング素子と、
を有する電子制御装置。 - 請求項11記載の電子制御装置において、
前記第1の制御モードは、固定周波数のPWM(Pulse Width Modulation)制御モードであり、
前記第2の制御モードは、可変周波数のPFM(Pulse Frequency Modulation)制御モードである、
電子制御装置。 - 請求項11記載の電子制御装置において、
前記固定の論理レベルは、前記選択タイミングが前記第2のスイッチング信号の立ち下がりエッジに予め定められる場合には、ロウレベルであり、前記第2のスイッチング信号の立ち上がりエッジに予め定められる場合には、ハイレベルである、
電子制御装置。 - 請求項13記載の電子制御装置において、
前記電源装置は、さらに、前記出力電圧が所定の電圧範囲から逸脱した際にモード切替信号をアサートし、前記出力電圧が回復し、一定期間を経過した後の前記選択タイミングで前記モード切替信号をネゲートするモード切替制御回路を有し、
前記モード選択回路は、前記モード切替信号のアサート期間で前記第2のスイッチング信号を選択し、前記モード切替信号のネゲート期間で前記第1のスイッチング信号を選択する、
電子制御装置。 - 請求項14記載の電子制御装置において、
前記電源装置は、さらに、前記モード切替制御回路の前記一定期間における前記第1のスイッチング信号または前記第2のスイッチング信号のデューティを検出し、当該デューティを反映して前記位相調整期間の長さを可変制御するデューティ検出回路を有する、
電子制御装置。
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