JP4249130B2 - パルス幅変調信号発生器 - Google Patents

Description

本発明は、信号発生器に関し、特に、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する信号発生器に関する。本発明はまた、信号発生器を組み込んだスイッチＤＣ−ＤＣコンバータ(switched dc-dc converter)およびＤＣ−ＤＣ変換の方法に関する。

パルス幅変調回路は、パワーデバイスを含む様々な応用に使用される。このような回路、特にパルス幅変調出力を供給する信号発生回路では、温度変化が深刻な問題になり得る。温度変化は、出力に著しく影響し、ＰＷＭ出力においてオンオフ比の正確な制御を実現するのを難しくする。オンオフ比は、信号がオンである時間と信号がオフである時間の比率である。

パルス幅変調信号を生成する信号発生器は、特に、スイッチングＤＣ−ＤＣ電圧発生器を駆動するために必要である。このような回路は、温度変化が問題になり得る多数の分野において使用可能である。この特定の例は、自動車分野である。

信号発生器の出力によって制御されるプルアップおよびプルダウンパワートランジスタを、１度に２つのトランジスタのうち１つのみが、オンになるように使用して、スイッチングＤＣ−ＤＣ回路は、同調して実現可能である。プルアップおよびプルダウントランジスタの間の共通ノードは、駆動ノードとして既知であり、フィルタ回路により出力に接続される。オンオフ比は、出力電圧を制御する。

入力電圧と異なるＤＣ電圧を生成する自動車の応用においてこのような回路を使用するためには、回路は、堅牢であって、特に供給電圧、工程変化および温度に依存しないことが求められる。

既存の設計は、これを満足できるレベルまで達成しない。１つの例は、ドイツ特許公開第１０，０４８，５９３号（DE-A-10048593）であり、多数の部品の制御のためのスイッチング回路を開示している。温度安定化のための特別な配置は、提供されていない。

従って、特に温度変化に対する改善された精度を提供する、改善された信号発生器および改善されたスイッチング電圧コンバータへの要求が、依然としてある。

本発明によれば、整合された基準ランプ回路および変調ランプ回路を備えるパルス幅変調制御信号を発生させる信号発生器が提供され、前記基準ランプ回路および前記変調ランプ回路は、それぞれ、電流源と、電流源からの電流出力によって充電されるように配置されたキャパシタンスと、キャパシタンスを放電するスイッチと、キャパシタンスにおける所定の電荷を検出する電圧検出器と、を有しており、基準ランプ回路の電圧検出器の出力は、基準ランプ回路および変調ランプ回路の双方のスイッチを制御するために接続され、変調ランプ回路の電圧検出器の出力は、出力に接続される。

本発明は、整合された基準および変調ランプ回路の特性を用いて、供給電圧、工程変化、および温度からの高度な独立を達成する。電流源、キャパシタ、またはランプ回路のうちの一方における電圧検出器において検出される電圧レベルのいかなる変化も、一般に他方で整合および相殺され、それにより、出力パーセンテージのオンオフ比において、変化がなくなる。従って、信号発生器は、高い温度およびむらのある供給電圧で動作可能なパワー集積回路に使用するために非常に好適である。

この回路のさらなる利点は、オープンループであることと、回路にオペアンプを必要としないことである。このことは、多くの利点を提示する。これは、回路の性能がオペアンプの性能によって限定されないため、回路の設計および動作を非常に単純化する。このことは、既存の回路の性能を低下させ得るオペアンプのオフセットおよびスルーレートを考慮する必要がないことを意味する。スイッチング電圧の印加のために、高い周波数が有益であり、そして良好な精度のためにも、出力におけるスルーレートは、非常に高いことが要求される。従って、好適なオペアンプを設けることは困難であるが、困難は、オペアンプを必要としない本発明において、解決される。

オープンループシステムの他の利点は、電流源によりキャパシタンスを効率的に充電する方法が、パルス幅変調信号の期間にわたって、入力および基準電流を統合することである。このことは、システムが、入力および基準電流の双方におけるノイズへの感度が低いことを意味する。このことは、既存の設計よりも改善された精度をもたらす。

電流源は、好ましくは、固定電流の定電流源であり、変調ランプ回路の電流源は、好ましくは、出力電流を制御する故に、出力がオンである時のパーセンテージを制御する制御入力を持つ変調された電流源である。

制御入力における信号入力が、連続的に変化すると、最後のパルス幅変調出力は、所定の瞬間に単にサンプリングされた入力電圧でなく、効果的に全期間の入力を統合する。従って、本発明による信号発生器は、出力経路幅変調パルスストリームの制御における変化する入力信号を、既存の設計より、より良く表現する。このことは、デュアルチャージレート回路に、動的入力を持つシステムにおける従来の設計より、多大な利益をもたらす。

本発明の実施形態において、測定および変調ランプ回路のそれぞれにおいて、電流源は、測定ノードでキャパシタンスに接続される。電圧検出器は、測定ノードに接続されるセンス入力および制御出力を有し、測定ノードにおける電圧を検出し、所定の条件の下で、制御出力に制御信号を出力する。スイッチがキャパシタンスをまたがって配置され、スイッチは、制御入力を有し、信号に応じてキャパシタンスを放電する制御入力における信号により閉じられるように設けられる。キャパシタンスと電圧検出器と基準および変調ランプ回路のスイッチとは、整合され、測定ノードにおける電圧検出器の制御出力は、基準および変調ランプ回路双方のスイッチの制御入力に接続される。

各ランプ回路におけるスイッチは、好ましくは、キャパシタンスをまたがって接続される制御される端子（ソースおよびドレイン）および基準ランプ回路の電圧検出器の出力に接続される制御端子（ゲート）を有するトランジスタである。そして、トランジスタは、トランジスタを介してキャパシタンスを放電するために、単にスイッチオンされることができる。

変調および基準ランプ回路は、好ましくは、単一の半導体基板に集積され、良好な温度整合および回路の自己相殺特性に対する、対応する利益を獲得する。

信号発生器は、ＤＣ入力と、ＤＣ出力と、ＤＣ入力とＤＣ出力の間に接続され、信号発生器の出力によって制御される少なくとも１つのスイッチを含むスイッチングモジュールと、を有するＤＣ−ＤＣ変換回路に含まれて良い。

本発明はまた、高ＤＣ入力および低ＤＣ入力と、駆動ノードと低電圧ＤＣ入力の間に接続され、フィルタ出力を有するフィルタ回路と、高ＤＣ入力と駆動ノードの間に接続される第１のパワートランジスタと駆動ノードと低電圧ノードの間に接続される第２のパワートランジスタのうちの少なくとも１つと、フィルタ出力と低電圧ノードの間に所定のＤＣ出力電圧を生成する第１および第２のパワートランジスタのうちの少なくとも１つを駆動するために上記のように接続される信号発生器と、を有するパワースイッチングデバイスに関する。

好ましくは、信号発生器および少なくとも１つのパワートランジスタは、同一のデバイスパッケージに含まれる。

第１および第２のパワートランジスタは、好ましくはパワーＭＯＳＦＥＴであっても良い。

本発明はまた、パルス幅変調器のための制御信号を生成する方法に関し、整合された基準ランプ回路おより変調ランプ回路を設け、前記基準ランプ回路おより変調ランプ回路が、それぞれ、電流源と、電流源からの電流出力により充電されるように配置されたキャパシタンスと、キャパシタンスを放電するスイッチと、キャパシタンスにおける所定の電荷を検出する電圧検出器と、を含み、基準ランプ回路のキャパシタンスに充電するために定電流を駆動し、変調ランプ回路の測定ノードに、変調された定電流を供給し、それぞれのキャパシタンスをまたがる電圧が所定の値を超える場合を各ランプ回路において電圧検出器で検出し、基準ランプ回路におけるキャパシタンスをまたがる電圧が、所定の値を超える場合に、キャパシタンスに放電するために、基準ランプ回路における電圧検出器から、変調および基準ランプ回路双方におけるスイッチの入力に、制御信号を出力し、変調ランプ回路における電圧検出器から、パルス幅変調器に対する制御信号として、信号を出力する、ことを含む。

図１を参照して、単一の半導体基板７０上に形成された信号発生器２は、整合する基準ランプ回路４および変調ランプ回路６を有する。各回路は、高電圧レール１２および低電圧レール１４の間に直列に接続される電流源８，３２およびキャパシタ１０を有する。電流源８とキャパシタ１０の間のノードは、測定ノードと呼ばれ、その測定ノードに接続される入力２０を持つ電圧検出器１８に接続される。電圧検出器はさらに、出力２２を持つ。トランジスタ２４が、キャパシタ１０をまたがって接続される。トランジスタ２４は、この実施形態においてはＭＯＳＦＥＴであり、キャパシタの対向する端に接続されて制御される端子２６（ソースおよびドレイン）、および基準および変調ランプ回路４，６の双方において、基準ランプ回路の電圧検出器１８の出力２２に接続される制御端子２８（ゲート）を持つ。変調ランプ回路における電圧検出器の出力は、出力ノード３０に接続され、信号発生器の出力を形成する。

各電圧検出回路１８は、それぞれの測定ノード１６における同一の所定の電圧を検出するために配置され、キャパシタを放電するスイッチとして作動するトランジスタ２４をスイッチオンする好適な信号を出力２２に出力する。

変調ランプ回路における電流源３２は、調整可能であり、出力パルス幅変調（ＰＷＭ）信号の出力オンオフ比を調整することができる。

回路の最初のサイクルは、サイクルの始動において次のようになる。キャパシタ１０は、キャパシタ１０の両側が同一の電位であるように、トランジスタ２４を介してリセットされる。そして、キャパシタ１０は、トランジスタのオープンスイッチとしての作動で、電流源８から充電される。キャパシタ１０は、電圧検出器１８が測定ノード１６における所定の電圧を検出するまで、充電し続ける。このとき、電圧検出器は、トランジスタ２４をスイッチオンするのに好適な信号を、出力２２に出力し、キャパシタ１０を放電するためにキャパシタの両側を共に短絡する。基準ランプ回路４および変調ランプ回路６の双方におけるキャパシタ１０の放電は、基準ランプ回路における電圧検出器１８により制御される。

変調ランプ回路６におけるキャパシタ１０の充電率は、電流源３２により制御される。変調ランプ回路における電流源３２による電流出力が、基準ランプ回路における電流源８による電流出力よりも大きい場合、回路が整合されると、変調ランプ回路における変調検出器１８が、基準ランプ回路における電圧検出器１８の前に出力を生成するためにトリガー(trigger)する。基準電圧検出器がトリガーすると、変調ランプ回路におけるキャパシタ１０を放電し、それにより変調ランプ回路における電圧検出器１８をリセットし、出力の符号を元の符号へ戻す。

変調ランプ回路６の出力は、信号発生器の出力として機能する。パルスレート変調のパーセンテージは、変調電流源３２による電流出力が、基準電流源８の電流出力を増加させる量によって与えられる。従って双方の電圧が等しければ、パルス幅変調信号における１００％が、出力される。変調電流源３２が基準電流源８の２倍の電流を生成する場合、パルス幅において５０％が達成される。これは、出力において４０％を生成する２．５倍の率について、図２に図解されている。

従来のＰＷＭ回路は、通常は鋸波形の規則的な基準波形を発生させ、ＤＣ電圧に対してオペアンプと比較することにより、ＰＷＭ信号を発生させる。ＤＣ電圧のレベルを変更することにより、ＰＷＭパーセンテージは変更可能である。このアプローチに伴う問題は、２つの信号を制御する２つの回路が完全に独立しているため、ＤＣ電圧を規則的な波形に慎重に整合しなければならないことである。このことは、どちらかの回路での部品の値における変化がＰＷＭ出力におけるエラーを引き起こし得ることを意味する。これを是正するために、通常これらのタイプの回路において、ある程度のトリミングがある。本発明によるデュアルチャージ技術は、システムを構成する２つの回路が同一であり、自己相殺するため、これらの問題点に影響されない。このことは、まったく同一の部品が、双方に使用されているため、部品における変化が２つの回路に共通である限り、高度な整合を得ることができる。従って、回路の双方の半分は、同様に影響され、変化は相殺される。このことは回路を、部品が良好な整合を示すＩＣ適用に、理想的に適合させる。

回路の自己相殺設計はまた、高度な温度独立性を持っていることを意味する。部品の性質の変化による、電流源、キャパシタまたは電圧検出器において検出される電圧レベルの変化は、温度が急激に変化する場合でも、他方の回路において、整合および相殺される。従って、ＰＷＭのオン比は、既存の回路と比較してより一定に保たれる。これは、広い作動温度範囲を有するパワーＩＣにおいて非常に重要である。

この回路のさらなる利点は、回路はオープンループであり、それ自体は設計にオペアンプを必要としないことである。これは多くの利点を提示する。第１に、これは、オペアンプの性能によりＰＷＭ回路の性能が限定されないため、設計および動作を大幅に単純化する。このことは、既存のＰＷＭ設計の性能を低下させるオフセットおよびスルーレートを、考慮にいれる必要がないことを意味する。これは、ＰＷＭシステムが非常に高い周波数を持ち、良好なレベルの精度を得るために出力でのスルーレートが非常に高くならなくてはならないが、これが好適なオペアンプの設計を難しくする可能性がある場合に、特に重要である。

このシステムの別の利点は、入力電流の比率で、回路におけるキャパシタを充電することにより、この方法が、ＰＷＭ信号の期間にわたって、入力および基準電流を効果的に統合することである。このことは、システムが、入力および基準電流の双方において、ノイズ感度が低いことを意味する。これは、既存の設計より改善された精度をもたらす。さらに重要なことには、入力が連続して変化する場合、最後のＰＷＭ出力は、入力が基準波形と等しい瞬間に単にサンプリングされた電圧ではなく、全期間に対する入力レベルにより決定されることを意味する。従って、デュアルチャージ回路は、出力ＰＷＭパルスストリームの制御における変化する入力信号を、既存の回路よりも、より良く表現する。これは、動的入力を有するシステムにおいて、デュアルチャージ比率回路に、従来の設計より、多大な利益を与える。

図３を参照して、信号発生器２は、スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータのトランジスタを駆動させるために使用可能である。入力ＤＣ信号は、高入力ＤＣ端子４０および低入力ＤＣ端子４２に供給される。制御端子４４もまた、必要な出力電圧を制御するために、信号発生器２に入力する。

信号発生器は、スイッチング回路７２に接続され、高電圧入力４０と駆動ノード５０の間に接続されるＭＯＳＦＥＴスイッチ４６を制御する。フィルタ５２が、駆動ノード５０と低電圧端子４２の間に接続され、この場合のフィルタ５２は、直列に接続されたインダクタ５４とキャパシタ５６と、その２つの間のフィルタノード５８と共に形成される。ダイオード６８は、スイッチ４６がオフの場合に、インダクタ５４に電流経路を経路を提供する。

低電圧出力端子６２は、低電圧入力端子４２に接続され、高電圧出力端子６０は、フィルタノード５８に接続される。部品は、すべて単一のデバイスパッケージ６６に一体に形成されることができる。

たとえば、出力は、自動車分野におけるランプを駆動させるために使用可能である。

図４を参照して、代わりの実施形態は、２つのトランジスタを有する同期型ＤＣ−ＤＣコンバータを含む。

信号発生器２からの出力３０は、この場合のＭＯＳＦＥＴでは、第１のパワートランジスタ４６および第２のパワートランジスタ４８に使用される。トランジスタのうちの一方は、出力ノード３０から直接駆動されるが、他方は、インバータ５１を介して駆動される。トランジスタ４６，４８は、入力高ＤＣ電圧端子４０と入力低ＤＣ電圧端子４２の間に直列に接続される。２つのトランジスタを結合するノードは、出力駆動がこの点から取られるため、駆動ノードとして既知である。

フィルタ５２は、駆動ノード５０および低電圧端子４２の間に接続され、フィルタ５２は、この場合、フィルタノード５８に直列に接続されるインダクタ５４とキャパシタ５６によって形成され、フィルターノード５８はインダクタ５４とキャパシタ５６の間にある。

高出力電圧端子６０および低出力端子６２は、フィルタノード５８および低電圧入力ノード４２にそれぞれ接続される。フィードバックリンク６４は、変調電流源による電流出力を制御するためのフィードバックに用いられる。変調電流信号が、フィードバックリンク６４および入力制御ノード４４における信号から、どのように制御されるかの詳細は、当業者には既知であり、故にこれ以上の説明はされない。

点線によって示されるパッケージ６６は、回路全体を含み、パワートランジスタ４６，４８および信号発生器２を有する。代わりの実施形態では、パッケージ６６は、トランジスタ４６，４８の一方を含み、他方をディスクリート部品として供給されるものとするか、信号発生器２を別々にパッケージすることが可能である。信号発生器２の２つの半分を同一のチップおよび同一のパッケージに設けることは、温度整合に助力する。

トランジスタ４６，４８は、スイッチングモジュールを形成する。なお、本発明はまた１つのトランジスタのみを使用するモジュールなど、他のタイプのスイッチングモジュールにも適用できる。さらに、当業者は、説明された実施形態のフィルタ５２を置き換えるために使用可能な、多くの代わりのフィルタ設計に気付くであろう。

本発明による信号発生器およびスイッチングコンバータは、特に自動車への適用のような温度が変わるような適用に適している。

特に、信号発生器２は、フィリップス社(Philips)から発売されているＴＯＰＦＥＴ（商標）(Trade Mark)のような、集積パワーデバイスのためのドライブとして含まれることができる。

本開示を読んで、他の変更や修正が、当業者にとって明らかになるであろう。このような変更や修正は、設計、製造およびここで述べられる特徴に加えて、または代わりに使用される信号発生器および／又はパルス幅変調回路の使用における既知である特徴と同等の、および他の特徴を含む。請求項は、この適用において、特定の特徴の組み合わせに対して明確に述べているが、開示の範囲はまた、本発明と同じ技術的な問題のいくつかまたはすべてを軽減するしないにかかわらず、新規性のある特徴または、ここに開示された特徴の新規性のある組み合わせを明瞭にまたは絶対的にまたは一般化されて、含む。これによって、出願者は、本適用の実行またはそこから得られるさらなる適用の実行中、新しい請求項を、このような特徴および／またはこのような特徴の組み合わせに対して明確に述べることができることを通知するものである。

本発明の実施形態は、添付の図面を参照して、純粋に例としてここで説明される。
図１は、本発明による信号発生器を示す。 図２は、電圧変調および電圧基準回路の出力を示す。 図３は、図１の信号発生器を組み込んだ、スイッチング変調器の第１の実施形態を示す。 図４は、図１の信号発生器を組み込んだ、スイッチング変調器の第２の実施形態を示す。

Claims (8)

1. パルス幅変調信号を発生させる信号発生器であって、
   整合された基準ランプ回路および変調ランプ回路を備え、
   前記基準ランプ回路および前記変調ランプ回路は、それぞれ、
   電流源と、
   前記電流源からの電流出力によって充電されるように配置されたキャパシタンスと、
   前記キャパシタンスを放電させるスイッチと、
   前記キャパシタンスにおける所定の電荷を検出する電圧検出器と、を含んでおり、
   前記基準ランプ回路の前記電圧検出器の出力は、前記基準回路および前記変調ランプ回路双方の前記スイッチを制御し、
   前記変調ランプ回路の前記電圧検出器の出力は、パルス幅変調信号を供給する出力に接続されるとともに、
   前記基準ランプ回路の前記電流源は、固定電流の定電流源であり、
   前記変調ランプ回路の前記電流源は、出力定電流を制御して、出力がオンである時間のパーセンテージを制御するための制御入力を有する、変調電流源である、
   ことを特徴とする信号発生器。
2. 前記基準ランプ回路および変調ランプ回路のそれぞれにおいて、
   前記電流源は、測定ノードで前記キャパシタンスに接続され、
   前記電圧検出器はセンス入力と出力とを有し、前記センス入力は前記測定ノードに接続され、前記測定ノードにおける電圧を検出し、所定の条件の下で、前記出力に制御信号を出力し、
   前記スイッチが、前記キャパシタンスをまたがって配置され、
   前記スイッチは、制御入力を有し、前記制御信号に応じてキャパシタンスを放電する前記制御入力における信号によって、閉じられるように配置され、
   前記基準ランプ回路および変調ランプ回路の、前記キャパシタンス、前記電圧検出器および前記スイッチは、整合され、
   前記基準ランプ回路における前記電圧検出器の前記制御出力は、前記基準ランプ回路および変調ランプ回路双方の前記スイッチの前記制御入力に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の信号発生器。
3. 前記各ランプ回路における前記スイッチは、前記キャパシタンスをまたがって接続される制御される端子と、前記基準ランプ回路の前記電圧検出器の前記出力に接続される制御端子とを有するトランジスタである、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の信号発生器。
4. 前記変調ランプ回路および基準ランプ回路は、単一の半導体基板に集積されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の信号発生器。
5. スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ回路であって、
   ＤＣ入力と、
   ＤＣ出力と、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の信号発生器と、
   入力ＤＣ電圧を出力ＤＣ電圧に変換するために、前記ＤＣ入力と前記ＤＣ出力の間に接続され、前記信号発生器の前記変調ランプ回路の前記電圧検出器の出力によって制御される少なくとも１つのスイッチを含むスイッチングモジュールと、を備えることを特徴とする回路。
6. 前記信号発生器と、少なくとも１つのパワートランジスタスイッチとを含むデバイスパッケージを、さらに備えることを特徴とする請求項５に記載のパワースイッチングデバイス。
7. 第１および第２のパワートランジスタを備え、
   前記信号発生器は、前記第２のトランジスタがスイッチオフされる場合のみ、前記第１のパワートランジスタをスイッチオンし、前記第１のトランジスタがスイッチオフされる場合のみ、前記第２のトランジスタをスイッチオンするように配置される、ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のパワースイッチングデバイス。
8. パルス幅変調器のための制御信号を発生させる方法であって、
   整合された基準ランプ回路および変調ランプ回路を設け、前記基準ランプ回路および前記変調ランプ回路のそれぞれが、電流源と、前記電流源からの電流出力によって充電されるように配置されたキャパシタンスと、前記キャパシタンスを放電するスイッチと、前記キャパシタンスにおける所定の電荷を検出する電圧検出器と、を含み、
   前記基準ランプ回路の前記キャパシタンスを充電するために、定電流を駆動し、
   前記変調ランプ回路の前記キャパシタンスを充電するために、変調電流を供給し、
   それぞれの前記キャパシタンスをまたがる電圧が所定の値を超える場合を、前記各ランプ回路における前記電圧検出器において検出し、
   前記基準ランプ回路における前記キャパシタンスをまたがる電圧が、所定の値を超える場合に、前記キャパシタンスを放電するために、前記基準ランプ回路における前記電圧検出器から、前記変調ランプ回路および基準ランプ回路双方における前記スイッチの前記入力に、制御信号を出力し、
   前記変調ランプ回路における前記電圧検出器からの信号を、パルス幅変調器のための制御信号として出力するとともに、
   前記出力がオンである時間のパーセンテージを変えるために、変調された定電流を調整する、
   ことを特徴とする方法。

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