JP2020057841A - Electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器、その制御方法などに関する。 The present invention relates to an electronic device, a control method thereof, and the like.
近年、大規模集積回路(以下、LSIと呼ぶ)は、LSI設計・製造技術の進歩により、回路の集積化が進み、高度な機能が1チップで実現できるようになった。しかし、製造プロセスの微細化に伴う低電圧化、電子機器の高機能化に伴う負荷電流の増大も進み、電源回路に求められる軽負荷から重負荷までの高効率化、低ノイズ化の要求は厳しくなっている。 2. Description of the Related Art In recent years, large-scale integrated circuits (hereinafter, referred to as LSIs) have advanced in circuit integration due to advances in LSI design / manufacturing techniques, and advanced functions can be realized with one chip. However, the lowering of voltage due to the miniaturization of the manufacturing process and the increase of load current due to the sophistication of electronic equipment are also progressing. It's getting tougher.
電源回路の中には、幅広い負荷で高効率化を図るために、複数のスイッチング素子を並列に接続し、各スイッチング素子をスイッチング制御する電源回路がある。このような電源回路で利用されるスイッチング素子の一例として、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)が知られている。一方で、スイッチング制御のターンオフ時において、スイッチング素子(MOSFET)の寄生素子であるPN接合ダイオードのリカバリー特性により生じるリンギングノイズが注目されている。複数のMOSFETが並列に接続されている場合、スイッチノードから離れて配置されたMOSFETを含む配線ループの寄生インダクタンス値は大きくなる。寄生ダイオードに流れる逆方向電流により蓄積された、配線の寄生インダクタからリカバリータイム終了時に解放されるエネルギーは、MOSFETを含む配線ループの寄生インダクタンス値が大きいほど増加する。その結果、MOSFETを含む配線ループの寄生容量と、寄生インダクタのLC共振により、スイッチノードでの高周波のリンギングノイズが増加する。 Among power supply circuits, there is a power supply circuit in which a plurality of switching elements are connected in parallel and switching control of each switching element is performed in order to achieve high efficiency with a wide range of loads. As an example of a switching element used in such a power supply circuit, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is known. On the other hand, ringing noise generated by the recovery characteristic of a PN junction diode, which is a parasitic element of a switching element (MOSFET), when the switching control is turned off, has attracted attention. When a plurality of MOSFETs are connected in parallel, a parasitic inductance value of a wiring loop including a MOSFET arranged apart from the switch node becomes large. The energy released by the reverse current flowing through the parasitic diode from the parasitic inductor of the wiring at the end of the recovery time increases as the parasitic inductance value of the wiring loop including the MOSFET increases. As a result, high-frequency ringing noise at the switch node increases due to the parasitic capacitance of the wiring loop including the MOSFET and the LC resonance of the parasitic inductor.
スイッチング制御時に発生するリンギングノイズはEMIを発生させ、電子機器の筺体から空間を伝搬するノイズ放射が懸念されるが、その低減には対策部品の追加、基板設計、筺体設計に影響を及ぼすことになる。そこで、特許文献1には、スイッチング素子の駆動電圧の立ち上がりを制限し、リンギングを抑制する方法が記載されている。
Ringing noise generated during switching control generates EMI, and there is a concern that noise radiation that propagates through the space from the housing of the electronic device may be affected.However, adding countermeasures, circuit board design, and housing design will be affected. Become. Therefore,
しかしながら、特許文献1に記載されている方法においては、リンギングによるスイッチング素子の誤動作を抑制している。スイッチング素子の駆動電圧の立ち上がりを制限することは、スイッチング動作時のリンギングノイズが低減できるメ一方、スイッチング動作時の遷移損失を増加させるというデメリットもある。また、寄生ダイオードのリカバリータイム終了後も、駆動電圧の立ち上がりが制限を受けたままであると、スイッチング動作時の遷移損失を増加させるというデメリットのみが残ることになる。また、スイッチング動作時のリンギングノイズは、MOSFETを含む配線ループの寄生インダクタンス値に比例して増加する。よって、MOSFETを含む配線ループの寄生インダクタンス値が小さい場合においては、スイッチング動作時のリンギングノイズ低減効果がほとんど得られないまま、スイッチング動作時の遷移損失だけが増加することになる。
However, in the method described in
そこで、本発明は、電子機器の負荷が軽い場合においても、スイッチング動作時の遷移損失を低減でき、スイッチング動作時のリンギングノイズを低減できるようにすることを目的とする。 Accordingly, it is an object of the present invention to reduce transition loss during switching operation and reduce ringing noise during switching operation even when the load on the electronic device is light.
本発明に係る電子機器の一つは、ハイサイドのスイッチ手段と、ローサイドのスイッチ手段と、前記ハイサイドのスイッチ手段をオン状態またはオフ状態にし、前記ローサイドのスイッチ手段をオン状態またはオフ状態にする制御手段とを有し、前記ローサイドのスイッチ手段は、第1のMOSFETと、前記第1のMOSFETと並列接続された第2のMOSFETと、前記第2のMOSFETのバックゲート電位を切り替えるための切替手段とを有し、前記切替手段と前記第2のMOSFETとを接続し、前記第2のMOSFETを前記第1のMOSFETよりもスイッチノードから離れた位置に配置した。 One of the electronic devices according to the present invention includes a high-side switch, a low-side switch, and an on-state or off-state of the high-side switch, and an on-state or off-state of the low-side switch. And a low-side switch means for switching a first MOSFET, a second MOSFET connected in parallel with the first MOSFET, and a back gate potential of the second MOSFET. A switching unit, wherein the switching unit is connected to the second MOSFET, and the second MOSFET is arranged at a position farther from the switch node than the first MOSFET.
本発明に係る電子機器の一つは、ハイサイドのスイッチ手段と、ローサイドのスイッチ手段と、前記ハイサイドのスイッチ手段をオン状態またはオフ状態にし、前記ローサイドのスイッチ手段をオン状態またはオフ状態にする制御手段とを有し、前記ローサイドのスイッチ手段は、第1のMOSFETと、前記第1のMOSFETと並列接続された第2のMOSFETと、還流電流を遮断するための電流遮断手段とを有し、前記電流遮断手段と前記第2のMOSFETとを接続し、前記第2のMOSFETを前記第1のMOSFETよりもスイッチノードから離れた位置に配置した。 One of the electronic devices according to the present invention includes a high-side switch, a low-side switch, and an on-state or off-state of the high-side switch, and an on-state or off-state of the low-side switch. The low-side switching means includes a first MOSFET, a second MOSFET connected in parallel with the first MOSFET, and a current interrupting means for interrupting a return current. Then, the current interrupting means is connected to the second MOSFET, and the second MOSFET is arranged at a position farther from the switch node than the first MOSFET.
本発明によれば、電子機器の負荷が軽い場合においても、スイッチング動作時の遷移損失を低減でき、スイッチング動作時のリンギングノイズを低減できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even when the load of an electronic device is light, the transition loss at the time of switching operation can be reduced, and the ringing noise at the time of switching operation can be reduced.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
[実施形態1]
まず、図1を参照して、実施形態1における電子機器10の構成要素の例を説明する。ただし、実施形態1における電子機器10の構成要素は、図1に示す構成要素に限るものではない。電子機器10は、撮像装置(例:デジタルカメラ)、携帯電話(例:スマートフォン)、携帯端末(例:タブレット端末)のいずれかまたは少なくとも一つとして動作可能である。
[Embodiment 1]
First, an example of components of the
電池27は、DC/DCコンバータ100の入力電源であり、電子機器10を駆動するためのメイン電池である。
The
DC/DCコンバータ100は、電池電圧を変換して、各構成要素に所定の電圧と電流を所定のシーケンス制御により供給する電源回路である。
The DC /
制御部11は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro Processing Unit))等を有し、電子機器10の全ての構成要素を制御する。
The
操作部12は、例えば、電源ボタン、記録開始ボタン、ズーム調整ボタン、オートフォーカスボタンなどの撮影に関連する種操作を入力するスイッチ類を有する。また、操作部12は、メニュー表示ボタン、決定ボタン、その他カーソルキー、ポインティングデバイス、タッチパネル等を有する。操作部12は、ユーザにより操作されると制御部11に操作信号を送信する。
The
バス13は、各種データ、制御信号、指示信号などを電子機器10の各構成要素に送信するための汎用バスである。
The
メモリ14は、RAM(Random Access Memory)等を有する。メモリ14は、制御部11の動作用の定数、変数、プログラム等を展開する作業領域として使用される。また、メモリ14は、後述する撮像部15で撮像された画像データを一時的に保持するバッファメモリや、後述する表示部19の画像表示用メモリとして使用される。制御部11の動作用の定数、変数、制御プログラム等を展開する作業領域として使用される。
The
制御部11は、ユーザからの操作を受け付ける操作部12からの操作信号に応じて、各種処理(プログラム)を実行して電子機器10の各構成要素を制御したり、構成要素間でのデータ転送を制御する。制御部11は、CPUおよびメモリがハードウェアプロセッサとして構成されたマイクロコンピュータであってもよい。
The
撮像部15は、CCD(Charge−Coupled Device)またはCMOS(complementary metal−oxide semiconductor)等を用いたイメージセンサを有する。撮像部15は、後述するレンズユニット25により取り込まれた被写体の光学像をイメージセンサにより撮像し画像信号に変換する。撮像部15は、撮像したアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換してメモリ14に一時的に記憶する。
The
画像処理部16は、撮像部15により撮像されたデジタル画像信号から記録および再生が可能な画像データを生成するために必要な各種の画像処理を実行する。画像処理部16は、例えば、各種の画像処理を実行するプログラムを記憶したマイクロコンピュータ等のハードウェアプロセッサである。なお、制御部11の一部の機能として各種の処理を実行するものであってもよい。画像処理部16は、撮像部15により撮像され、メモリ14に記憶されたデジタル画像信号に対して、ホワイトバランス、色、明るさなどをユーザに設定された設定値または画像の特性から判定した設定値に基づいて調整する画質調整処理を行う。
The
また、画像処理部16は、画質調整処理が施された複数のフレームの画像信号から動画データを生成する処理を行う。ここで、画像処理部16は、動画データの各フレームをフレーム内符号化して圧縮符号化された動画データを生成してもよい。また、動画データの複数のフレーム間での差分、動き予測などを利用して圧縮符号化された動画データを生成してもよい。例えば、MotionJPEG、MPEG、H.264(MPEG4−Part10 AVC)等の様々な公知の圧縮符号化方式の動画データを生成することができる。フレーム内符号化されたフレーム画像データをIピクチャーと呼ぶ。前方のフレームとの差分を用いてフレーム間符号化された画像データをPピクチャーと呼ぶ。前方後方のフレームとの差分を用いてフレーム間符号化された画像データをBピクチャーと呼ぶ。これらの圧縮方式は、公知の方式が適用できるので、詳細な説明は省略する。また、画像処理部16は、画質調整処理された画像信号から静止画データを生成する処理を実行することができる。静止画データを生成する際には、JPEG等の圧縮符号化方式を用いるが、これらの圧縮符号化方式は、公知の方式が適用できるので、詳細な説明を省略する。なお、静止画データについては、撮像部15により撮像されたデジタル画像信号をそのまま記録する、いわゆるRAW画像データとしてもよい。
Further, the
画像処理部16で生成された動画データおよび/または静止画データは、メモリ14の前述したデジタル画像信号が記憶されている領域以外の領域に記憶される。なお、実施形態1においては、撮像部15により撮像されたデジタル画像信号と、画像処理部16で生成された動画データおよび/または静止画データは、同一のメモリ14に記憶されるものとして説明するが、別のメモリであってもよい。
The moving image data and / or still image data generated by the
音声入力部17は、例えば、電子機器10に内蔵された無指向性のマイクまたは音声入力端子を介して接続された外部マイク等により電子機器10の周囲の音声を集音(収音)する。音声入力部17は、マイクにより取得したアナログ音声信号をデジタル信号に変換してメモリ14に一時的に記憶させる。
The
音声処理部18は、音声入力部17により取得されたデジタル音声信号から記録および再生が可能な音声データを生成するために必要な各種の音声処理を実行する。音声処理部18は、例えば、各種の音声処理を実行するプログラムを記憶したマイクロコンピュータ等のハードウェアプロセッサである。また、制御部11の一部の機能として各種の音声信号処理を実行するものであってもよい。音声処理部18では、音声入力部17により取得され、メモリ14に記憶されたデジタル音声信号の、レベルの適正化および雑音低減等の音声処理を行う。また、音声処理部18は、必要に応じて、音声信号を圧縮する処理を行う。音声圧縮方式は、AC3、AAC等の公知の音声圧縮方式が適用できるので、詳細な説明を省略する。音声処理部18で生成された音声データは、メモリ14に再び記憶される。
The
表示制御部20は、表示部19に画像を表示するための表示制御を行う。表示制御部20は、例えば、画像の表示処理を実行するプログラムを記憶したマイクロコンピュータ等のハードウェアプロセッサである。表示制御部20は、メモリ14に一時的に記憶された画像データを読み出して、表示部19に表示させる。表示部19は、例えば、電子機器10に搭載された液晶パネルまたは有機ELパネル等であってもよいし、電子機器10とは別の表示装置(例えば、テレビ、モニタ、プロジェクタ)である。
The
制御部11は、例えば、メモリ14に記憶された動画データ、音声データ等を読み出して記録再生部21に転送する。記録再生部21は、制御部11により転送された動画データ、音声データを記録媒体22に記録する。記録再生部21は、動画データと音声データを1つの動画ファイルとして記録媒体22に記録する。このとき、撮影時のカメラ設定、撮影時に検出された測光値などを示す各種データを制御部11が生成し、動画データ、音声データとともに記録媒体22に記録してもよい。ここで、記録媒体22は、電子機器10に内蔵された記録媒体であっても、電子機器10に対して着脱可能な記録媒体でもよい。記録媒体22は、例えば、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−R、DVD−R、磁気テープ、不揮発性の半導体メモリ、フラッシュメモリ、などのあらゆる方式の記録媒体を含む。また、静止画ファイルを記録する場合には、制御部11は、メモリ14に記憶された静止画データを読み出して、記録再生部21に転送する。記録再生部21は、制御部11により転送された静止画データを記録媒体22に静止画ファイルとして記録する。
The
また、記録再生部21は、記録媒体22に記録された動画ファイル等を読み出して再生する。制御部11は、例えば、記録媒体22から読み出した動画ファイルに含まれるヘッダ情報を読み出す。そして、制御部11は、読み出したヘッダ情報に基づいて、再生すべき動画データ、音声データを記録媒体22から読み出すように記録再生部21を制御する。記録再生部21は、読み出した動画データを画像処理部16へ転送し、読み出した音声データを音声処理部18に転送する。
Further, the recording / reproducing
画像処理部16は、再生した動画データの1フレームの画像を順次、メモリ14に記憶する。表示制御部20は、メモリ14に記憶された1フレームの画像を順次読み出して、表示部19に表示する。一方、音声処理部18は、再生した音声データからデジタル音声信号を復号し、アナログ信号へ変換してアナログ音声信号を不図示の音声出力部(スピーカ、イヤホン端子、音声出力端子等)に出力する。また、静止画を再生する場合には記録再生部21は、記録媒体22に記録された静止画ファイル等を読み出す(再生する)。そして、制御部11は、再生した静止画ファイルに含まれる静止画データを画像処理部16に転送する。画像処理部16は、制御部11により転送された静止画データの画像をメモリ14に記憶する。表示制御部20は、メモリ14に記憶された1フレームの画像を順次読み出して、表示部19に表示する。
The
出力部23は、画像データまたは音声データを外部装置に対して出力する音声端子または映像端子である。
The
通信部24は、外部装置とデータの送受信を行う通信インターフェースであり、有線または無線での接続が可能である。
The
レンズユニット25は、被写体の光学像を電子機器10に取り込むレンズと、光量を制御する絞り機構と、被写体像の焦点を合わせるフォーカス機構と、撮像素子への露光時間を制御するシャッター機構を有する。
The
機構制御部26は、レンズユニット25の絞り機構、フォーカス機構およびシャッター機構を、制御部11からの制御信号に基づいて制御する。
The
次に、図2および図3を参照して、実施形態1のDC/DCコンバータ100の回路構成と動作について説明する。
Next, the circuit configuration and operation of the DC /
図2は、実施形態1におけるDC/DCコンバータ100の1つの電源部の構成要素の例を示している。
FIG. 2 illustrates an example of components of one power supply unit of the DC /
後段のデバイスに駆動電源を供給するDC/DCコンバータ100は、同期整流型の降圧電回路を構成する。電圧を維持するためのフィードバック機構は、電圧ループ信号に応じてパルス制御することで実現する。電圧ループ信号は出力電圧を出力設定抵抗130で分圧してエラーアンプ123で基準電圧122と比較増幅することで得られる。駆動制御部112に電圧ループ信号とパルスデューティ制御の基準クロックであるOSC131の信号が接続される。駆動制御部112からの駆動信号によって、ハイサイドのスイッチ部102とローサイドのスイッチ部104がオン状態またはオフ状態になるように制御される。スイッチ部102は、P型MOSFET等のスイッチング素子を有する。スイッチ部104は、N型MOSFET等のスイッチング素子を有する。駆動制御部112は、スイッチ部102における複数のP型MOSFETと、スイッチ部104における複数のN型MOSFETを独立にオン状態またはオフ状態にする。
The DC /
スイッチ部102とスイッチ部104がオン状態またはオフ状態にされることでコイル108に流れる電流が制御され、コンデンサ110で平滑化されることで一定の出力電圧が得られる。
When the
コイル108は、スイッチ部102がオン状態、スイッチ部104がオフ状態の場合に、電池27から励磁エネルギーを蓄積し、スイッチ部102で降圧した電圧を整流するためのパワーインダクタである。コンデンサ110は、コイル108による電圧と電流の脈流を平滑化する。
The
スイッチ部102とスイッチ部104は、負荷変動などで出力電圧が低くなっている場合は、エラーアンプ123の出力が上がり、スイッチ部102のオンデューティが大きくなるため、出力電圧を上げる方向に制御される。反対に、出力電圧が高いときはエラーアンプ123の出力が下がり、スイッチ部102のオンデューティが小さくなるため、出力電圧を下げる方向に制御される。
When the output voltage is low due to a load change or the like, the output of the
図3は実施形態1におけるDC/DCコンバータ100の電圧電流波形の例を示している。図3(a)はDC/DCコンバータ100の基準クロック(OSC)131を示している。DC/DCコンバータ100の各構成要素はOSC131の信号に同期して動作する。図3(b)はDC/DCコンバータ100から引かれる負荷電流を示し、説明の簡略化のため周波数fLの正弦波としている。図3(c)はDC/DCコンバータ100からの出力電圧を示している。出力電圧は理想的には一定値であるが、実際には図3(c)に示すように図3(b)の負荷変動に対して追従しきれず揺らぐ成分、スイッチング動作に同期したリップル電圧成分が存在する。図3(d)は分圧された図3(c)の出力電圧をエラーアンプ123で基準値と比較し増幅した結果を示している。図3(c)の出力電圧が設定値通りの出力であればゼロになるが、実際には前述のような誤差が発生するため、その誤差分が反転増幅される。図3(e)はスイッチ部102のオン状態またはオフ状態、図3(f)はスイッチ部104のオン状態またはオフ状態を示す波形であり、便宜上オン状態をHigh、オフ状態をLowで示している。オン状態とオフ状態を合わせた1サイクル周期は必ずOSC131の周期と等しくなる。なお、図3(f)には貫通防止のデッドタイムが追加されている。図3(g)はコイル108のインダクタ電流を示している。スイッチ部102をオン状態にすると、電池27からスイッチ部102を介してコイル108へつながる経路で負荷電流Ioがコイル108に流れることにより、コイル108にエネルギーが蓄えられる。この場合の電流傾きdI/dt_onは、以下の式1で表される。
(式1)
dI/dt_on=(Vi−Vo)/L
ただし、
Vi:電池27の電圧
Vo:出力電圧
L:コイル108のインダクタンス値
OSC131の1サイクルの短い時間内において、通常の条件下ではVi、Vo、Lはほぼ一定であるので、dI/dt_onは固定値となり、コイル108の電流は一次関数で線形的に増加する。この場合、スイッチ部104はオフ状態になっており、電池27が接地部(GND)へショートしないようになっている。その後、エラーアンプ123の出力が上がりスイッチ部102のオフ期間になると、スイッチ部104をオン状態にして、コイル108に蓄えられたエネルギーはGNDからスイッチ部104を介してコイル108へつながる経路で放出される。このときの電流傾きdI/dt_offは、以下の式2で表される。
(式2)
dI/dt_off=−Vo/L
同様に一次関数で線形的に減少する。オン状態とオフ状態のサイクルで三角波状の連続的な電流波形となり、その平均電流は図3(b)の負荷電流と等しくなる。
FIG. 3 shows an example of a voltage / current waveform of the DC /
(Equation 1)
dI / dt_on = (Vi−Vo) / L
However,
Vi: Voltage of
(Equation 2)
dI / dt_off = −Vo / L
Similarly, it decreases linearly with a linear function. A continuous current waveform having a triangular waveform is formed in a cycle between the ON state and the OFF state, and the average current is equal to the load current in FIG.
ここで、図4を参照して、スイッチ部102とスイッチ部104の動作について説明する。図4は、実施形態1におけるスイッチ部の構成要素の例を示している。
Here, the operation of the
図4のLp1からLp11は、配線のインダクタンス成分であり、一般的にはIC内部での配線の寄生インダクタンスに相当する。実施形態1においては、スイッチ部102のスイッチ(SW)102Aとスイッチ102Bを、電子機器10の負荷に応じて重負荷用と軽負荷用で用途を使い分けるように制御を行う。例えば、スイッチ102Aに含まれるMOSFETのサイズを大きくしてドレイン−ソース間の導通抵抗を小さくし、連続して通電が可能な電流量を大きくすることで、スイッチ102Aは重負荷での導通損失の低減に寄与するように動作する。一方、スイッチ102Bに含まれるMOSFETのサイズを小さくしてゲートの入力容量を小さくし、連続して通電が可能な電流量を小さくすることで、スイッチ102Bは軽負荷でのスイッチング損失の低減に寄与するように動作する。電流帰還型の電流モード制御では、スイッチ部102に流れる電流を検出して、電流電圧変換したアナログ値をコンパレータおよびA/Dコンバータに入力し、所定の閾値と比較することでスイッチング素子をオン状態またはオフ状態にする制御を行う。これにより、スイッチング動作ごとにスイッチ102Aとスイッチ102Bを切り替えることが可能であるが、詳細な動作説明は省略する。一方、スイッチ部104もスイッチ部102と同様に、スイッチ104Aとスイッチ104Bを電子機器10の負荷に応じて重負荷用と軽負荷用で用途を使い分けるように制御を行う。さらに、スイッチ104Aをスイッチ102Aと同様に構成することで、スイッチ104Aもスイッチ102Aと同様に重負荷での導通損失の低減に寄与するように動作する。スイッチ104Bをスイッチ102Bと同様に構成することで、スイッチ104Bもスイッチ102Bと同様に軽負荷でのスイッチング損失の低減に寄与するように動作する。
Lp1 to Lp11 in FIG. 4 are wiring inductance components, and generally correspond to the parasitic inductance of the wiring inside the IC. In the first embodiment, control is performed such that the switch (SW) 102A and the
スイッチ部をICに集積化した場合、電子機器10が重負荷時に使用するスイッチ102Aおよびスイッチ104Aは、スイッチ102Bおよびスイッチ104Bよりもインダクタ108に接続されるスイッチノード105に近い位置に配置される。このように配置することにより、スイッチ部102、104を流れる電流の配線ループが小さくなる(電流の経路長が短くなる)ため、電流と配線抵抗による導通損失を低減することができる。その場合、電子機器10が軽負荷時に使用するスイッチ102Bとスイッチ104Bは、スイッチノード105から離れて配置されることになる。そして、スイッチ102Bおよび/またはスイッチ104Bを駆動制御する場合は、スイッチ102Aとスイッチ104Aを駆動制御する場合と比較して、スイッチ部102、104を流れる電流の配線ループが大きくなる(電流の経路長が長くなる)ことが分かる。これは、配線ループに寄生するインダクタンス値も大きくなるということである。そこで、スイッチノード105から遠くに配置されたスイッチ部104のスイッチ104Bに、スイッチ104Bのバックゲート電位(以下、BG電位と呼ぶ)を切り替えて制御するBG切替部120を接続している。BG切替部120は、4端子型FETのバックゲート端子(以下、BG端子と呼ぶ)をGND側とスイッチノード側のどちらかに接続を切り替える。
When the switch unit is integrated into an IC, the
ここで、図5を参照して、実施形態1におけるスイッチング動作時に発生する高調波リンギングノイズについて、ローサイドのスイッチ部104がターンオフするスイッチング遷移期間の動作例を用いて説明する。
Here, with reference to FIG. 5, harmonic ringing noise generated during the switching operation in the first embodiment will be described using an operation example of a switching transition period in which the low-
まず、スイッチ部102がオフ状態、スイッチ104Aがオン状態で、コイル108に蓄積された励磁エネルギーをコンデンサ110に放出している状態から、駆動制御部112がスイッチ104Aをオフ状態にする(T0→T1)。次に、スイッチ104Aはオン状態からオフ状態へ切り替える際に、駆動制御部112からのゲート駆動電圧が閾値電圧Vthを下回るまで電流を流し続けようとする(T1→T2)。次に、駆動制御部112からのゲート駆動電圧が閾値電圧Vthを下回った時点で、寄生ダイオード106に環流電流Ioffが流れる(T2→T3)。または、ゲート駆動電圧の低下でスイッチ104Aのオン抵抗値Ron_104Aが大きくなる。そして、環流電流Ioffとの積算値であるドレインとソース間の電圧VDS_104Aが、スイッチ104Aの寄生ダイオード106の順方向電圧VFを超えた時点で、寄生ダイオード106に環流電流Ioffが流れる(T2→T3)。次に、スイッチ部102とスイッチ104Aが同時にオン状態になって貫通電流が流れないように防止している期間(以下、DeadTimeと呼ぶ)が終わり、駆動制御部112がスイッチ部102をオン状態になるように制御する(T=T3)。このタイミングで、電池27からスイッチ部102を通して電流が流れ始め、その電流が寄生ダイオード106の環流電流をキャンセルするようにして寄生ダイオード106に流れ込む(T3→T4)。寄生ダイオード106の電流がゼロになっても、PN接合ダイオードのリカバリー特性により、順方向の環流電流によって蓄積されたキャリアが消滅するまで、逆方向にリカバリー電流IRが流れる。このリカバリー電流IRは、電池27、スイッチ部102およびスイッチ104Aで形成されるループに流れる短絡電流なので、ループ内の配線に寄生する全てのインダクタにリカバリー電流のエネルギーが蓄積される。ここで、蓄積されるエネルギーUは以下の式3で表される。
(式3)
U=1/2・Lp・IRP2
ただし、
Lp:寄生インダクタの総計値
IRP:寄生ダイオード106のリカバリー電流のピーク値
ここで、蓄積されたエネルギーUは、寄生ダイオード106のリカバリータイム後に解放されるが、リカバリー電流IRが回復する際の急峻な単位時間当たりの電流変化dIR/dtに伴い、寄生インダクタと寄生容量によるLC共振が起きる。その結果、スイッチノード電圧Vswに高周波のリンギングノイズが重畳される。ここで、重畳するリンギングノイズの共振周波数は以下の式4で表される。
(式4)
f=1/(2π√(Lp・Cp))
ただし、
Lp:寄生インダクタの総計値
Cp:寄生キャパシタの総計値
上述した通り、スイッチング動作時に発生する高調波リンギングノイズは、スイッチ部104を含む配線ループの寄生インダクタの大きさが影響している。
First, the
(Equation 3)
U = 1/2 Lp IRP 2
However,
Lp: Total value of parasitic inductor IRP: Peak value of recovery current of
Here, the accumulated energy U is released after the recovery time of the
(Equation 4)
f = 1 / (2π√ (Lp · Cp))
However,
Lp: Total value of parasitic inductors Cp: Total value of parasitic capacitors As described above, harmonic ringing noise generated during the switching operation is affected by the size of the parasitic inductor in the wiring loop including the
ここで、実施形態1における電子機器10の動作について説明する。
Here, the operation of the
実施形態1の電子機器10は、ユーザが操作部12の電源ボタンを操作すると、操作部12から制御部11に起動の指示が出力される。この指示を受けて、制御部11は、電源供給部を制御して、電子機器10の各構成要素に対して電源を供給させる。
In the
電源が供給されると、制御部11は、操作部12からの指示信号を受けて、操作部12のモードスイッチが、「静止画撮影モード」、「動画撮影モード」、「再生モード」等のうちいずれのモードであるかを確認する。
When power is supplied, the
「静止画撮影モード」では、電子機器10は撮影待機状態でユーザが操作部12の静止画記録ボタンを操作することで撮影を行い、静止画ファイルが記録媒体22に記録される。そして再び撮影待機状態になる。「動画撮影モード」では、電子機器10は撮影待機状態でユーザが操作部12の動画記録開始ボタンを操作することで撮影を開始し、その間、動画データと音声データとが記録媒体22に記録される。そしてユーザが操作部12の動画記録終了ボタンを操作することで撮影を終了し、記録媒体22に記録していた動画データと音声データとを動画ファイルとして完成させる。その後、再び撮影待機状態になる。「再生モード」では、ユーザが選択した静止画ファイルまたは動画ファイルを記録媒体22から再生して、静止画、動画および音声の出力、無線接続機能を用いたファイル転送等がなされる。
In the “still image shooting mode”, the
次に、電子機器10の負荷について説明する。電子機器10の負荷は動作モードに応じて変わる。撮像部15がライブビュー画像用に得たデジタル画像信号をメモリ14に一時記憶させて表示させる撮影待機状態は、電子機器10の負荷が比較的軽い状態で、例えば入力電力が1.5Wとなる。一方で、静止画撮影時は、撮像部15が撮影用にデジタル画像信号を得て、機構制御部26が露出とフォーカスとシャッターを制御して、画像処理部16が現像処理と符号化処理を実行して、記録再生部21が静止画データを記録する。よって、複数のブロックの駆動が重なり、電子機器10の負荷が比較的重い状態で、例えば入力電力が過渡的に2.5Wとなる。一般的に撮影時の画像データ量の方がライブビュー画像用の画像データ量よりも大きい。静止画再生状態であれば、撮像部15、画像処理部16および機構制御部26は駆動されないため、電子機器10の負荷が軽い状態で、例えば入力電力が0.8Wとなる。また、電子機器10が起動待機状態である省電モードであれば、記録再生部21も駆動されず、制御部11がスタンバイ状態で駆動しているため、電子機器10の負荷が最も軽い状態で、例えば入力電力が0.1Wとなる。
Next, the load of the
電子機器10が省電力モードまたは静止画再生モードの場合は、負荷の重い撮影時と比較すると、寄生ダイオード106に流れる順方向電流は少なくなる。よって、配線ループの寄生インダクタに蓄積されるエネルギーが小さく、スイッチング動作時のリンギングノイズは小さい。しかし、無線接続等で機器内部の不要輻射ノイズに影響を受け易い動作モードであれば、電源部からのスイッチング動作時における高調波ノイズは無視できなくなる。
When the
実施形態1では、電子機器10が軽負荷時にスイッチ104Bを駆動制御した場合において、リカバリー電流IRが流れるインダクタの総計値を下げるため、スイッチ部102がオフ状態で寄生ダイオードを流れる順方向電流の配線ループを小さくする。具体的には、図5で示したように、スイッチ部102がオフ状態で駆動制御部112がスイッチ104BのBG電位をGND側からスイッチノード側に切り替えるように、BG切替部120を制御する。このような制御を行うことで、スイッチ104Bの寄生ダイオードはアノードがスイッチノード側、カソードがGND側となり、スイッチ104Aの寄生ダイオード106とは極性が逆向きに固定されることになる。そして、スイッチ104Bのターンオフ時に流れる環流電流Ioffは、スイッチ104Bの寄生ダイオードではなく、スイッチ104Aの寄生ダイオード106に流れる。よって、スイッチ部102のターンオン時のリカバリー電流IRも寄生ダイオード106に流れるため、スイッチ104Bの寄生ダイオードを流れる場合と比べて、リカバリー電流IRが流れるインダクタの総計値を下げることができる。
In the first embodiment, when the
ここで、スイッチ部102のターンオン時はスイッチ104BのBG電位がスイッチノード側からGND側に切り替わるため、スイッチ部102からスイッチ104Bへの貫通電流が流れないように構成されている。実施形態1では、スイッチ部102をMOSFETが2素子の並列接続として説明したが、1素子でも、3素子以上で同特性のMOSFETを並列接続としても構わない。また、実施形態1ではスイッチ部104をMOSFETが2素子の並列接続として説明したが、3素子以上の並列接続としても構わない。その場合に、BG切替部120を複数有し、最もスイッチノード105の近くに配置されたMOSFET以外のBG電位を全て切替制御しても、所定のMOSFETのみBG電位を切替制御しても構わない。また、BG電位を切り替える制御をMOSFETをオン状態またはオフ状態にする制御に連動させず、電子機器10の動作モードおよび負荷電流に応じてGND電位に固定制御としても構わない。
Here, when the
以上説明したように、実施形態1のスイッチング制御によれば、電子機器10の軽負荷時において、電流の配線ループが大きくなっても、スイッチング動作時に発生する高調波リンギングノイズを低減させることができる。
As described above, according to the switching control of the first embodiment, it is possible to reduce the harmonic ringing noise generated at the time of the switching operation even when the current wiring loop becomes large at the time of the light load of the
[実施形態2]
図6は、実施形態2におけるスイッチ部102、104の構成要素の例を示している。
[Embodiment 2]
FIG. 6 illustrates an example of components of the
実施形態2では、スイッチ部104のスイッチノード105から遠くに配置されたスイッチ104Bに、還流電流Ioffを遮断するための電流遮断用スイッチ104Cが直列接続されている。スイッチ104Cは寄生ダイオード124のアノードがスイッチノード側、カソードがGND側となるようにスイッチ104Bに接続される。図6ではスイッチ104CをN型MOSFETとしており、バッファ126はスイッチ104Cを駆動する。スイッチ104Cは、スイッチノード電圧Vswよりも高い電圧で駆動制御するため、不図示のダイオードとコンデンサでブートストラップ回路を構成して実現する。スイッチ104CをP型MOSFETで構成することも可能であるが、その場合はバッファ126で負電圧の出力となる駆動制御が必要となる。
In the second embodiment, a
ここで、図7を参照して、実施形態2のスイッチング動作時に発生する高調波リンギングノイズについて、ローサイドのスイッチ部104がターンオフするスイッチング遷移期間の動作例を用いて説明する。なお、以下では、実施形態1の図5と同様の動作については説明を省略し、相違する点を中心に説明をする。
Here, with reference to FIG. 7, harmonic ringing noise generated during the switching operation of the second embodiment will be described using an operation example of a switching transition period in which the low-
なお、図7において、T0〜T4におけるスイッチ部102およびスイッチ部104の動作ならびにスイッチノード電圧Vswの変化については、実施形態1の図5で説明した通りである。また、電子機器10の動作モードに応じた負荷状態の変化も実施形態1で説明した通りである。
In FIG. 7, the operation of the
実施形態2では、電子機器10の軽負荷時にスイッチ104Bを駆動制御した場合において、リカバリー電流IRが流れるインダクタの総計値を下げるため、スイッチ部102がオフ状態で寄生ダイオードを流れる順方向電流の配線ループを小さくする。具体的には、図7に示すように、スイッチ部102がオフ状態に駆動制御部112がスイッチ104Cをオン状態になるように制御する。このような制御を行うことで、スイッチ104Cの寄生ダイオード124はアノードがスイッチノード側、カソードがGND側となり、スイッチ104Aの寄生ダイオード106とは極性が逆向きに固定される。そして、スイッチ104Bのターンオフ時に流れる環流電流Ioffは、スイッチ104Bの寄生ダイオードではなく、スイッチ104Aの寄生ダイオード106に流れる。スイッチ部102のターンオン時のリカバリー電流IRも寄生ダイオード106に流れるため、スイッチ104Bの寄生ダイオードを流れる場合と比べて、リカバリー電流IRが流れるインダクタの総計値を下げることができる。
In the second embodiment, when the
ここで、スイッチ部102のターンオン時はスイッチ104Cがオフ状態にされているため、スイッチ部102からスイッチ104Bへの貫通電流が流れないように構成されている。実施形態2においても、スイッチ部102をMOSFETが2素子の並列接続として説明したが、1素子でも、3素子以上で同特性のMOSFETを並列接続としても構わない。また、実施形態2ではスイッチ部104をMOSFETが2素子の並列接続として説明したが、3素子以上の並列接続としても構わない。その場合に、還流電流Ioffの遮断用スイッチ104Cを複数有し、最もスイッチノード105の近く配置されたMOSFET以外の還流電流Ioffの遮断用スイッチ104Cを全て切替制御してもよい。また、所定のMOSFETのみ還流電流Ioffの遮断用スイッチを切替制御しても構わない。また、還流電流Ioffの遮断用スイッチ104Cの駆動制御はMOSFETのオン状態またはオフ状態に連動した制御とせず、電子機器10の動作モードや負荷電流に応じてオン状態に固定した制御としても構わない。
Here, when the
以上説明したように、実施形態2のスイッチング制御によれば、電子機器10の軽負荷時において、電流の配線ループが大きくなっても、スイッチング動作時に発生する高調波リンギングノイズを低減させることができる。
As described above, according to the switching control of the second embodiment, it is possible to reduce the harmonic ringing noise generated at the time of the switching operation even when the current wiring loop becomes large when the
[実施形態3]
実施形態1および2で説明した様々な機能、処理または方法は、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、CPU(central processing unit)、プロセッサなどがプログラムを用いて実現することもできる。以下、実施形態3では、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、CPU(central processing unit)、プロセッサなどを「コンピュータX」と呼ぶ。また、実施形態3では、コンピュータXを制御するためのプログラムであって、実施形態1および2で説明した様々な機能、処理または方法を実現するためのプログラムを「プログラムY」と呼ぶ。
[Embodiment 3]
The various functions, processes, or methods described in the first and second embodiments can also be realized by a personal computer, a microcomputer, a CPU (central processing unit), a processor, or the like using a program. Hereinafter, in the third embodiment, a personal computer, a microcomputer, a CPU (central processing unit), a processor, and the like are referred to as a “computer X”. In the third embodiment, a program for controlling the computer X, and a program for realizing various functions, processes, or methods described in the first and second embodiments is referred to as a “program Y”.
実施形態1および2で説明した様々な機能、処理または方法は、コンピュータXがプログラムYを実行することによって実現される。この場合において、プログラムYは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を介してコンピュータXに供給される。実施形態3におけるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、ハードディスク装置、磁気記憶装置、光記憶装置、光磁気記憶装置、メモリカード、揮発性メモリ、不揮発性メモリなどの少なくとも1つを含む。実施形態3におけるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、non−transitoryな記憶媒体である。 Various functions, processes, or methods described in the first and second embodiments are implemented when the computer X executes the program Y. In this case, the program Y is supplied to the computer X via a computer-readable storage medium. The computer-readable storage medium according to the third embodiment includes at least one of a hard disk device, a magnetic storage device, an optical storage device, a magneto-optical storage device, a memory card, a volatile memory, a nonvolatile memory, and the like. The computer-readable storage medium according to the third embodiment is a non-transitory storage medium.
なお、本発明の実施形態は上述の実施形態に限定されるものではない。発明の要旨を逸脱しない範囲で変更または修正された上述の実施形態1、2または3も本発明の実施形態に含まれる。
Note that embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments.
10…電子機器、100…DC/DCコンバータ、102、104…スイッチ部、104A〜104B…スイッチ、104C…電流遮断用スイッチ、112…駆動制御部、120…バックゲート切替部
DESCRIPTION OF
Claims (11)
ローサイドのスイッチ手段と、
前記ハイサイドのスイッチ手段をオン状態またはオフ状態にし、前記ローサイドのスイッチ手段をオン状態またはオフ状態にする制御手段と
を有し、
前記ローサイドのスイッチ手段は、第1のMOSFETと、前記第1のMOSFETと並列接続された第2のMOSFETと、前記第2のMOSFETのバックゲート電位を切り替えるための切替手段とを有し、
前記切替手段と前記第2のMOSFETとを接続し、
前記第2のMOSFETを前記第1のMOSFETよりもスイッチノードから離れた位置に配置したことを特徴とする電子機器。 High-side switch means,
Low-side switch means,
Control means for setting the high-side switch means to an on state or an off state, and setting the low-side switch means to an on state or an off state;
The low-side switching means includes a first MOSFET, a second MOSFET connected in parallel with the first MOSFET, and switching means for switching a back gate potential of the second MOSFET.
Connecting the switching means and the second MOSFET,
An electronic device wherein the second MOSFET is arranged at a position farther from a switch node than the first MOSFET.
ローサイドのスイッチ手段と、
前記ハイサイドのスイッチ手段をオン状態またはオフ状態にし、前記ローサイドのスイッチ手段をオン状態またはオフ状態にする制御手段と
を有し、
前記ローサイドのスイッチ手段は、第1のMOSFETと、前記第1のMOSFETと並列接続された第2のMOSFETと、還流電流を遮断するための電流遮断手段とを有し、
前記電流遮断手段と前記第2のMOSFETとを接続し、
前記第2のMOSFETを前記第1のMOSFETよりもスイッチノードから離れた位置に配置したことを特徴とする電子機器。 High-side switch means,
Low-side switch means,
Control means for setting the high-side switch means to an on state or an off state, and setting the low-side switch means to an on state or an off state;
The low-side switch means has a first MOSFET, a second MOSFET connected in parallel with the first MOSFET, and a current cutoff means for cutting off a return current.
Connecting the current interrupting means and the second MOSFET,
An electronic device wherein the second MOSFET is arranged at a position farther from a switch node than the first MOSFET.
前記ローサイドのスイッチ手段は、複数のN型MOSFETが並列接続され、
前記制御手段は、前記ハイサイドのスイッチ手段における複数のP型MOSFETと、前記ローサイドのスイッチ手段における複数のN型MOSFETとを独立にオン状態またはオフ状態にすることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の電子機器。 The high-side switch means includes a plurality of P-type MOSFETs connected in parallel,
The low-side switch means includes a plurality of N-type MOSFETs connected in parallel,
2. The control device according to claim 1, wherein the plurality of P-type MOSFETs in the high-side switch and the plurality of N-type MOSFETs in the low-side switch are independently turned on or off. 3. The electronic device according to any one of items 10 to 10.
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