JP2841085B2 - 安定化したループ利得を有するスイッチング電圧調整器 - Google Patents

安定化したループ利得を有するスイッチング電圧調整器

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、電子的電圧調整器に関するものであって、
更に詳細にはスイッチング電圧調整器に関するものであ
る。ボルテージレギュレータ即ち電圧調整器は、他の電
子回路へ固定され安定した出力電圧を供給するために電
子装置において広く使用されている。スイッチング電圧
調整器は、その他の従来の電圧調整器よりも一層効率的
に動作することが可能である。なぜならば、スイッチン
グ電圧調整器は、入力電圧を継続的に散逸させたり引出
したりするのではなく、必要に応じてパワー即ち電力を
引出すためにスイッチオンされるに過ぎないからであ
る。本発明は、スイッチング電圧調整器の動作安定性を
増加させるものである。
従来技術 第１図は、従来公知のスイッチング電圧調整器のブロ
ック図を示している。スイッチング電圧調整器は、入力
ピン10において入力電圧Vinが供給され、且つ出力ピン1
2において出力電圧Voutを供給する。バック（buck）型
スイッチングレギュレータにおいて、フィルタ構成要素
14は、通常入力電圧Vin未満の固定した電圧を必要とす
るその他の電子回路である負荷15へ固定し安定した出力
電圧を発生する場合の助けとなる。
スイッチング電圧調整器は、エラー増幅器16、オシレ
ータ18、比較器20、出力段22を有している。
フィードバック信号Vfは、出力電圧Voutの割合的部分
として発展される。このフィードバック信号Vfは、出力
電圧Voutから接地へ接続されている抵抗26及び28からな
る分圧器の中心ノード24において発生させることが可能
である。このフィードバック信号Vfは、フィードバック
接続30に沿ってエラー増幅器16へ供給される。
エラー増幅器16は、フィードバック接続30上でフィー
ドバック信号Vfを受取るための第一入力端32を有してい
る。第二エラー増幅器入力端34は、基準電圧発生器36か
ら基準電圧Vrefを受取る。エラー増幅器16は、基準電圧
Vrefを増減し且つ増幅してエラー増幅器出力端38におい
てエラー電圧Veを発生する。
オシレータ18は、オシレータ出力端40において、繰返
し即ち周期的なオシレータ信号Voscを発生する。オシレ
ータ信号Voscは、通常、10乃至は100KHzの間の周波数の
鋸歯状波乃至は三角波である。
比較器20は、エラー増幅器出力端38からエラー信号Ve
を受取るための第一入力端42を有している。第二比較器
入力端44は、オシレータ出力端40からのオシレータ信号
Voscを受取る。比較器20は、比較器出力端46において制
御信号Vcを発生する。
出力段22は、その入力端48において制御信号Vcを受取
る。この出力段においては、入力電圧Vinが入力ピン10
へ供給され、且つこの出力段はスイッチオン及びオフし
てその出力ピン12において出力電圧Voutを供給する。
動作について説明すると、出力電圧Voutが所望の値以
下に降下すると、出力電圧Voutから発生するフィードバ
ック信号Vfを減少させる。この減少されたフィードバッ
ク信号Vfは、フィードバック接続30によってエラー増幅
器16へ帰還される。この減少されたフィードバック信号
Vfは、減少されたエラー信号Veを発生する。この減少さ
れたエラー信号Veは比較器20へ印加される。
第２図は、比較器20における信号を示している。オシ
レータ信号Voscは、例えば図示した三角波形の如き周期
的に上昇し降下する信号である。エラー信号Veは、スレ
ッシュホールドレベルを設定する。オシレータ信号Vosc
がエラー信号Veを越えると、比較器をトリガし且つ制御
信号Vcを発生する。オシレータ信号Voscがエラー信号Ve
を越える限り、制御信号Vcは発生される。
オシレータ信号Voscが周期的に上昇し且つ降下する信
号であるので、制御信号Vcは各オシレータサイクルのあ
る割合的周期部分に対して発生され、即ちオシレータ信
号Voscがエラー信号Veの上に上昇する点において開始
し、且つオシレータ信号Voscがエラー信号Ve以下に降下
する場合に終了する。エラー信号Veのレベルが、各サイ
クルにおいてどれだけ長い間制御信号Vcが発生されるか
ということを制御する。
従って、エラー信号Veが降下すると、スレッシュホー
ルドは下方向へ移動し、且つオシレータ信号Voscはサイ
クルの始めのほうにおいてエラー信号Veを越え、且つそ
のサイクルにおいて長い間その上方に維持される。従っ
て、制御信号Vcパルスは一層広い。これらの一層広い制
御信号Vcパルスは、出力段22をより長い期間の間活性化
させる。これより長い期間は、より大きな出力電圧Vout
を発生し、その際に出力電圧Voutにおける元の降下を補
正する。
同様に、出力電圧Voutが上昇すると、フィードバック
信号Vf及びエラー信号Veも上昇し、且つ制御信号Vcのパ
ルスが一層狭くなる。出力段22は、より短い期間の間活
性化され、且つ出力電圧Voutは所望のレベルへ向かって
降下する。
この技術は、パルス幅変調としても知られている。な
ぜならば、比較器20からのパルス出力の幅がエラー信号
のレベルによって制御されるからである。
第１図のスイッチング電圧調整器は、出力電圧Voutに
おける変化に対してある程度の応答性を有している。こ
の応答性の程度は以下の如き幾つかのファクタによって
決定される。
ａ）エラー増幅器へフィードバックされる出力電圧Vout
の割合 ｂ）エラー増幅器16の利得 ｃ）オシレータ信号Voscのピーク電圧 ｄ）入力電圧Vinのレベル これらのファクタによって確立される応答性の全体的
な程度は、その回路のループ利得Alとして特性付けるこ
とが可能である。これらのファクタが変化する場合のル
ープ利得における変動は、電圧調整器の安定動作にとっ
ては好ましからざる場合がある。特に、入力電圧Vinに
おける変化に起因するループ利得変動は好ましいもので
はない。
スイッチング電圧調整器において、回路が広範な入力
電圧範囲Vin、例えば8V乃至45Vの範囲で動作するもので
あることが望ましい。入力電圧Vinは回路の応答性に影
響を与える主要なファクタの一つであるので、Vinが増
加すると、ループ利得Alも増加し、典型的には、他のフ
ァクタが一定である場合には、45/8の比、即ち15dBだけ
増加する。
ループ利得Alは次式で表わすことも可能である。
Al＝（Vin/Vosc）×β×Ae 尚、Al ＝電圧調整器回路のループ利得 Vin＝電圧調整器への入力電圧 Vosc ＝オシレータ波形のピーク電圧 β＝Vf/Vout＝エラー増幅器へフィードバックされ
る出力電圧の割合 Ae ＝エラー増幅器の利得 上の方程式から、入力電圧Vinが増加すると、他のフ
ァクターが一定である場合には、ループ利得Alが増加さ
れることが理解される。入力電圧が増加すると、ループ
利得Alも増加する。
このループ利得における変動は、広範囲の入力電圧に
亘って圧低な電圧調整器を得ることを困難としている。
低入力電圧において、出力電圧における変動に対して迅
速且つ正確に応答するために十分なループ利得が必要と
される。この同一のループ利得＋増加した入力電圧に起
因する増加分は、このループ利得が過剰である場合高入
力電圧において電圧調整器を不安定とさせる場合があ
る。この大きなループ利得は、位相特性がゼロ度を交差
する場合、ある高い周波数での利得が振動のために必要
とされるレベルを越えることを可能とする。即ち、出力
電圧変化に対する回路の応答は、必要とされる補正量に
もはや比例せず、且つ出力電圧は、安定な出力電圧とし
て維持されるのではなく所望の値の周りで変動し、又は
システムが制御不可能に振動する場合がある。
電圧調整器のループ利得を広範囲の入力電圧に亘って
安定化させ、且つ入力電圧が増加する場合にループ利得
における増加を抑圧するために、幾つかの技術を使用す
ることが可能である。エラー増幅器16の利得、エラー増
幅器の周波数補償、又はオシレータのスイング電圧を調
節することが可能である。しかしながら、これらのステ
ージ即ち段が集積回路として構築される場合、これらの
ステージにアクセスして部品値を変更することによりこ
れらのパラメータを変化させることは困難である。この
様な変化は、更に、電圧調整器の他の性能特性を劣化さ
せる場合がある。入力電圧が変化する場合に、電圧調整
器を自動的に安定化するための方法乃至は装置が提供さ
れることが望ましい。
目 的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上
述した如き従来技術の欠点を解消し、入力電圧の変化に
もかかわらず電圧調整器の性能を常に安定状態に維持す
ることを可能とする方法及びその様に安定化された電圧
調整器を提供することを目的とする。
構 成 本発明によれば、スイッチング電圧調整器の安定性
は、オシレータVoscの波形の形状によるループ利得の制
御によって改良されている。改良されたオシレータ波形
は、自動的に機能して、入力電圧Vinにおける増加に起
因するループ利得における増加を抑圧し、従って広範囲
の入力電圧に亘って安定性を改善している。
改良したオシレータ波形は、それが上昇するに従い増
加する勾配を持っている。このことは、凹状の形状の波
形を発生する。この波形は、低い領域におけるよりもオ
シレータ波形の高い領域においてより大きな大きさの勾
配を有している。この波形の好適実施例を第３図及び第
４図に示してある。幅狭としたピークを有する修正した
三角形状の波形を使用している。この改良したオシレー
タ波形の場合、比較器によって発生される制御信号は、
エラー電圧がオシレータ波形と交差する点が上昇すると
増々幅狭となる。従って、より高い入力電圧において、
且つそれと対応してより高いエラー電圧において、発生
させる制御信号パルスは、オシレータ波形としての従来
の三角形状波形と比較して、幅狭となる。これらのより
幅狭の信号は、出力段の活性状態を減少させ、従って入
力電圧が増加する場合のループ利得における増加を抑圧
するという目的を達成する。
波形のピークに向かって波形に対して増加する上昇割
合を有し且つ波形ピークから離れるに従い波形に対し減
少する降下割合を有する修正した三角形状波形を発生す
る方法は、交互の電流の充電及び放電を形成し、且つ修
正した三角形状波形を発生するために積分を行なう。別
の方法は、直線状の波形と指数的な波形とを結合するこ
とである。重要なことは、その波形がより高い入力電圧
において幅狭となった制御信号を発生し、より高い入力
電圧において電圧調整器の応答性を減少させることであ
る。
本発明を組込んだパルス幅変調は、修正したオシレー
タ信号を発生し、その修正したオシレータ信号をエラー
信号と比較し、且つ比較器をスイッチングして前記修正
したオシレータ信号が前記エラー信号を越える場合に制
御信号を発生させることによって達成される。
本発明を組込んだ改善した安定性を有する電圧調整器
は、調整器出力端からエラー増幅器の入力端へのフィー
ドバック制御ループを確立し、エラー信号を本発明を組
込んだ修正したオシレータ信号と比較して該エラー信号
のレベルに対応してパルス幅が変化する制御信号を発生
し、且つ出力段をこの制御信号でスイッチング動作する
ことによって達成される。
実施例 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施例の
態様について詳細に説明する。
本発明によれば、スイッチング電圧調整器の安定性
は、オシレータ信号の波形の形状によるループ利得の制
御によって改善される。改良されたオシレータ波形は、
自動的に機能して、入力電圧増加における増加に起因す
るループ利得における増加を抑圧し、広範囲の入力電圧
に亘っての安定性を改善する。
本発明の好適実施例においては、幅狭としたピークを
有する修正した三角形状波形をパルス幅変調器乃至はス
イッチング電圧調整器におけるオシレータ信号として使
用する。
第３図は、本発明に基づく修正したオシレータ信号を
具備する比較器における信号を示している。第３図は、
入力信号Ve及びVosc、及び出力信号Vcを示している。オ
シレータ信号Voscは本発明を組込んでおり、且つ第３図
は制御信号Vcパルスの幅を結果的に幅狭とすることを示
している。
従来のシステムは、第２図に示した如く、オシレータ
信号Voscとして線形三角形状波形を使用する。本発明に
おいては、第３図に示した如く、オシレータ信号Vosc三
角形状波は、修正されて幅狭とされたピークを有してい
る。この修正したオシレータ信号Voscをエラー電圧Veと
比較することの効果は、従来のシステムと比較して一層
幅狭の制御信号Vcパルスを発生することである。このこ
とは、全体的なループ利得を低下させる効果がある。
別の観点から説明すると、第４図に示した如く、修正
したオシレータ波形は、エラー電圧Veがオシレータ波形
Voscと交差する点に従って、修正したオシレータ波形上
の種々の点において可変の実効的ピーク電圧を有してい
る。この交差点が低いと、修正したオシレータ波形Vosc
の実効的ピーク電圧はVp3のように低い。従来の線形三
角形状波は、より大きな実効的ピーク電圧Vp1を有する
ものである。交差点が高い場合、修正したオシレータ波
形Voscの実効的なピーク電圧はVp2のように大きい。こ
の大きな実効的ピーク電圧は、修正したオシレータ波形
Vosc上のその点において減少したループ利得Alを与え
る。従って、ループ利得が変化し且つ高い実効的ピーク
電圧点においてその増加は抑圧される。
第５図及び第６図は、この修正したオシレータ波形が
どの様にして低い入力電圧及び高い入力電圧において機
能するかということを示している。第５図は低い入力電
圧における動作を示している。オシレータ波形がエラー
信号を越える長い期間の間入力電圧はスイッチオンされ
て、結果的に滑らかとされた平均出力電圧を発生する。
この動作点において、比較器はオシレータ波形の基本的
に線形の低い部分に関して動作する。第６図は高い入力
電圧における動作を示している。同一の結果的に滑らか
とされた平均出力電圧を発生させるために、オシレータ
波形のピークがより高いエラー信号を越える場合、入力
電圧は短い期間の間スイッチされる。
第７図は、本発明の修正したオシレータ信号を発生す
るためのオシレータ回路のブロック図を示している。オ
シレータは、大きさ＋Ｉの電流を発生する第一電流源50
と、反対方向の−Ｉの大きさの電流を発生する第二電流
源52とを有している。これらの電流源は、スイッチ53に
よって充電用電流又は放電用電流として交互に選択され
てノード54上に表われる。該スイッチは、オシレータ用
に選択された動作周波数においてスイッチされる方向制
御によって制御される。
ノード54に表われる電流は、積分コンデンサ55の第一
プレートへ印加されると共に反転積分オペアンプ58の第
一入力端56へ印加される。反転積分オペアンプ58の第二
入力端60は接地乃至は低基準電圧へ接続されている。反
転積分オペアンプ58の出力端62は、オシレータ信号Vosc
を供給し、且つオシレータ出力点64へ接続されると共に
積分コンデンサ55の第二プレートへ接続されている。
帰還接続66は、帰還信号Iretを第一電流源50及び第二
電流源52へ帰還させる。帰還信号Iretは、オシレータ信
号Voscの割合的部分として発生される。オシレータ信号
Voscが増加すると、帰還信号Iretが増加する。オシレー
タ出力Voscが減少すると、帰還信号Iretが減少する。帰
還接続66によって担持される帰還信号Iretが第一電流源
50に対する補充的電流源67として付加されており、且
つ、反対方向において、第二電流源52に対する補充的電
流源68として付加されている。従って、ノード54に表わ
れる電流は、＋Ｉ＋Iret及び−Ｉ−Irefの間で交互に変
化する。
第７図に示した反転積分器回路の場合、−Ｉ電流の積
分は、三角形状波形の上昇部分を発生する。＋Ｉ電流の
積分は、三角形状波形の下降部分を発生する。−Iret電
流の積分は、オシレータ波形Voscの上昇部分に対し増加
したピークを付加する。＋Iretの積分は、オシレータ波
形Voscのピークからの減少する下降を発生する。
第８図は、本発明の修正したオシレータ信号を発生す
るためのオシレータ回路の概略図を示している。可能な
限り同様の構成要素には第７図におけるのと同様の参照
番号を付してある。
このオシレータは、大きさ＋Ｉの第一電流源50を有し
ている。この電流は、供給電圧からトランジスタ70及び
電流シンクを介して低電位へ対して確立される。この電
流は、トランジスタ70からトランジスタ72へ対してミラ
ー動作され、且つトランジスタ72をトランジスタ70の寸
法の２倍とすることにより２倍だけ乗算される。この乗
算された電流は、供給電圧からトランジスタ72及び74及
び抵抗76を介して流れる第二電流源を構成する。方向制
御からのパルス列によって制御されるスイッチは、トラ
ンジスタ78及び抵抗80によって形成され、該スイッチは
ノード54に対する第一又は第二電流源の印加を制御す
る。
積分コンデンサ55及び反転積分オペアンプ58は第７図
において前に説明したものと同じである。オシレータ出
力端64に接続して、トランジスタ78から第一電流源50へ
の帰還接続が設けられている。帰還信号Iretは、トラン
ジスタ78、抵抗82及び基準電圧80によってオシレータ出
力64から出力される。オシレータ出力Voscが増加する
と、帰還信号Iretが増加する。オシレータ出力Voscがが
減少すると、帰還信号Iretが減少する。帰還信号Iretは
第一電流源50を補充する。この補充した電流は、トラン
ジスタ70及び72のベースの間の接続によってミラー動作
され、且つその電流は、トランジスタ72をトランジスタ
70の寸法の２倍とすることにより２の係数により乗算さ
れる。この乗算され且つ補充された電流は、トランジス
タ72及び74及び抵抗76によって確立される第二電流源内
に表われる。従って、ノード54における電流は＋Ｉ＋I
retと−Ｉ−Iretとの間で交互に変化する。
トランジスタ84とバイアス電流源86とで構成されるバ
ッファ増幅器段は、オシレータ出力端64へ接続されてお
り、修正したオシレータ信号を使用して次続の段を駆動
する。
この回路は、第３図及び第４図においてVoscとして示
した幅狭のピークを有する修正した三角形状波形を発生
する。この波形は、前述した如く幅狭の制御信号Vcパル
スの利点を与える。このオシレータは、改善したループ
利得安定性の利点を有する電圧発生器を得るために、第
１図に関して前述した如く電圧調整器内で組込むことが
可能である。本発明をこの様に組込むことにより、入力
電圧が5Vから30Vへ増加する場合に、ループ利得におけ
る増加を半分に減少させることが可能である。
部分的な又は湾曲した波形を発生するその他の方法を
結合させて、適宜の特性を有する波形を発生させること
が可能である。波形特性を計算することも可能であり、
且つ動作期間中に波形を発生するのではなく電圧調整器
による基準として格納することも可能である。
本発明のその他の実施例としては、他の形状のオシレ
ータ波形を使用することが可能である。オシレータ波形
として鋸歯状波形を使用する電圧調整器は、鋸歯状部分
の上昇期間中に上昇の割合が増加する「ピーク状」乃至
は幅狭の鋸歯状波形を使用することによって改善するこ
とが可能である。このことは、従来の直線的な鋸歯状波
形と比較して、幅狭の制御信号パルスとなる。この幅狭
とすることは、入力電圧が増加する場合にループ利得に
おける増加を抑圧することに貢献し、且つ電圧調整器の
動作を安定化させることに貢献する。
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明
したが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきも
のではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに
種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来公知のスイッチング電圧調整器を示したブ
ロック図、第２図は第１図の回路における比較器におけ
る信号を示した説明図、第３図は本発明に基づく修正し
たオシレータ信号を使用する比較器における信号を示し
た説明図、第４図は本発明に基づいて修正したオシレー
タ信号に関して種々の点における実効ピーク電圧を示し
た説明図、第５図は低い入力電圧における電圧調整器信
号を示した説明図、第６図は高い入力電圧における電圧
調整器信号を示した説明図、第７図は本発明の修正した
オシレータ信号を発生するためのオシレータ回路を示し
たブロック図、第８図は本発明の修正したオシレータ信
号を発生するためのオシレータ回路を示した概略図、で
ある。 （符号の説明） 10:入力ピン 12:出力ピン 14:フィルタ要素 15:負荷 16:エラー増幅器 18:オシレータ 20:比較器 22:出力段 24:中央ノード 30:フィードバック接続 50:第一電流源 52:第二電流源 53:スイッチ 54:ノード 55:積分コンデンサ 56:第一入力端 58:反転積分オペアンプ 60:第二入力端 66:帰還接続 67,68:補充電流源

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入力電圧から出力電圧を発生するスイッチ
    ング電圧調整器において増加した入力電圧を有する前記
    電圧調整器のループ利得の増加を減少させる方法におい
    て、低レベルにおける勾配の大きさと比較して高レベル
    における勾配を次第に増加した大きさを持った繰返し波
    形を発生し、前記出力電圧の割合的部分としてエラー信
    号を発生し、前記出力電圧の割合的部分としてエラー信
    号をを発生し、前記繰返し波形が前記エラー信号を超え
    る場合に出力段を活性化して出力を供給する、上記各ス
    テップを有することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記繰返
    し波形の形状が、前記繰返し波形の上昇部分の期間中に
    増加する割合の上昇を有しており、その際に高レベルに
    おいて狭い幅の波形ピークを有することを特徴とする方
    法。
  3. 【請求項３】入力電圧から出力電圧を発生するスイッチ
    ング電圧調整器において、繰返し波形の上昇部分の期間
    中に次第に増加する割合の上昇を持った繰返し凹状波形
    を発生するオシレータ、前記出力電圧からエラー信号を
    発生する手段、前記繰返し波形とエラー信号とを受取り
    且つ前記繰返し波形が前記エラー信号を超える場合に出
    力を発生する比較器、前記比較器出力を受取り且つ前記
    出力電圧を発生する出力段、を有することを特徴とする
    スイッチング電圧調整器。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項において、前記オシ
    レータが、更に、積分器へ結合されている交互の極性の
    電流源を有することを特徴とするスイッチング電圧調整
    器。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第３項において、前記オシ
    レータが、電流源と、入力端子及び出力端子を具備する
    積分器と、帰還信号接続と、を有しており、前記電流源
    が前記積分器の入力端へ結合しており、前記積分器の出
    力端が前記帰還信号接続へ結合されており、且つ前記帰
    還信号接続が前記電流源の大きさを修正すべく結合され
    ていることを特徴とするスイッチング電圧調整器。
JP1229440A 1988-09-06 1989-09-06 安定化したループ利得を有するスイッチング電圧調整器 Expired - Lifetime JP2841085B2 (ja)

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