JP4610588B2 - 任意の等価直列抵抗を伴う出力キャパシタの利用を可能にするための固定オン時間制御利用電圧調整器におけるリプル発生 - Google Patents

Description

この発明はスイッチング型電圧調整器に関し、より詳しくいうと、任意の等価直列抵抗（ＥＳＲ）を伴う出力キャパシタにバック（ｂｕｃｋ）電圧調整器を接続できるように固定オン時間制御利用型バック電圧調整器に含める制御スキームに関する。

ＤＣ電圧調整器、すなわちスイッチング型電圧調整器は一つのＤＣ電圧レベルをもう一つの電圧レベルに電圧変換する。このタイプのスイッチング型電圧調整器はＤＣ−ＤＣ変換器とも呼ばれる。スイッチングモード電源と呼ばれることもあるスイッチング型電圧調整器は、キャパシタ、インダクタおよび変成器などの低損失回路部品と、入力側から出力側へのエネルギーの離散的パケット移送のためのオンオフ動作を行うパワースイッチとにより、電源供給機能を提供する。そのエネルギー移送の調整に饋還回路を用い、回路の所望の負荷限界値の範囲内に一定出力電圧を維持するようにしている。

スイッチング型電圧調整器は、入力電圧のステップアップもしくはステップダウン、またはそれら両方の機能をもたらすように構成できる。より詳細に述べると、「バックコンバータ」とも呼ばれるバック（ｂｕｃｋ）スイッチング型電圧調整器は入力電圧をステップダウンし、「ブーストコンバータ」とも呼ばれるブーストスイッチング型電圧調整器は入力電圧をステップアップする。バック−ブーストスイッチング型電圧調整器、すなわちバック−ブースト変換器は、ステップアップ機能とステップダウン機能との両方をもたらす。

スイッチング型電圧調整器の動作は周知であり、次のとおり一般化して説明できる。すなわち、パワースイッチのオンへの切換時に出力フィルタ回路のインダクタにエネルギーを加えて、そのインダクタを流れる電流がビルドアップできるようにする。パワースイッチがオフになると、インダクタの両端子にかかる電圧が逆極性になり、電荷が出力フィルタ回路の出力キャパシタおよび負荷に転送される。その出力キャパシタによって出力電圧は比較的一定の電圧に維持される。同期制御動作のための第２のパワースイッチを用いることもある。

スイッチング型電圧調整器は、集積化した（内部）パワースイッチまたは外部パワースイッチを用いて構成することができる。スイッチング型電圧調整器を集積回路（ＩＣ）で構成してパワースイッチをそのＩＣに外付けした場合は、そのスイッチング電圧調整器ＩＣは「スイッチング型電圧調整器コントローラ」または変換器コントローラと呼ばれることもあり、それによって、そのコントローラが、比較的一定の出力を発生するように出力フィルタ回路に接続した外付けパワースイッチ駆動用の制御信号を生ずることを表す。スイッチング型電圧調整器コントローラは、そのコントローラの電圧変換機能に応じて、バック（ｂｕｃｋ）コントローラ、ブーストコントローラ、またはバック−ブーストコントローラと呼ばれることもある。

固定オン時間制御付きのバックスイッチング型電圧調整器、すなわち「バック電圧調整器」は、パルス幅変調（ＰＷＭ）モード時の軽負荷動作の効率が高いこと、外部信号との同期を取りやすいこと、比較的長いオフ時間の制御が容易であること、高い入力電圧を低い出力電圧に調整するための固定のオン時間がごく短いこと、など重要な利点があるために、この業界で推賞されている。

固定オン時間（すなわち、一定のオン時間）の電圧調整器はリプルモード制御による電圧調整器の一つのタイプであり、ヒステレティック電圧調整器はリプルモード制御によるスイッチング型電圧調整器のもう一つのタイプである。概括的にいうと、リプルモード電圧調整器は出力信号の中のリプル成分に基づいて出力電圧を調整する。パワースイッチのスイッチング動作のために、スイッチング型電圧調整器は切換対象の出力インダクタを通じてリプル電流を生ずる。このリプル電流が、負荷と並列に挿入された出力キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）を主因として出力電圧リプルとなって現れる。

ヒステレティック電圧調整器は、比較器を用いて、リプルを含む調整対象の出力電圧をヒステリシス制御電圧帯と比較する。ヒステリシス上限値以上では上記ヒステレティックコントローラが出力インダクタを低い値に切り換え、下限値以下では上記ヒステレティックコントローラが出力インダクタを高い値に切り換える。一方、固定オン時間電圧調整器は、上記ヒステレティックコントローラと同様に動作するものの、出力リプルが単一の基準点以下に下がったときは、固定時間長にわたり出力インダクタを高い値に切り換える。上記固定時間長の終わりの時点で出力リプルが依然として上記単一の基準点よりも低い場合は、出力インダクタを、固定のオン時間にわたり再び高い値に切り換える前に最小のオフ時間にわたり低い値に切り換える。

リプルモード制御による電圧調整器においては、上記出力リプルは出力電圧調整に有用ではあるものの、出力電圧の雑音成分および負荷電圧限界値の点では不都合である。したがって、出力リプルを最小に留める要求が低ＥＳＲキャパシタの設計および製造を促してきた。出力キャパシタのＥＳＲを下げると出力リプル信号を大幅に下げることができる。リプルを下げることによって、雑音を最小に抑えるとともに負荷電圧変動を低下させることができるが、リプルモードの電圧調整は困難になる。また、リプルの大きさを抑えると、比較器電圧差が小さくなり、正確で迅速な比較が非常に困難になる。

そのために、固定オン時間電圧調整器のメーカーは、出力電圧に最小限のリプル電圧を確保して実効的リプルモード制御を実行できるようにするために、出力キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）に最小値を定めている。すなわち、ＥＳＲ値の大きい出力キャパシタを固定オン時間電圧調整器すべてに用いることを余儀なくされる。出力キャパシタ自体のＥＳＲ値が十分に大きくないときは、所要リプル電圧最小値を生ずるための直列抵抗を出力キャパシタに加えることをメーカーが示唆することもある。

ＥＳＲ値の大きい出力キャパシタへの上述の要求を満たす一つの手法は、制御ループに電流饋還を加えるやり方である。もう一つの手法は、バーチャルリプル発生器を用いて、インダクタ電流比例のバーチャルリプルを内部的に発生するやり方である。これらの手法によって、リプルモード電圧調整器でもＥＳＲ値の小さい出力キャパシタを利用できるようになるが、電圧調整器はそれだけ複雑になりコスト高になる。

出力信号が最小値以上のリプル電圧成分を含むことが上述のとおり要求されるので、固定オン時間電圧調整器の用途は出力電圧中のリプル電圧成分の存在を許容する用途に限られる。また、ＥＳＲ値の大きいタンタルキャパシタよりは通常コスト安のセラミックキャパシタなどＥＳＲ値が零であるキャパシタは、制御ループの適切な動作に必要なＥＳＲ最小値条件を満たさないので利用できない。

ＵＳＰ ５ ７７３ ９６６

したがって、この発明の目的は出力キャパシタのＥＳＲ値の大小に関わりなく制御ループの動作を確保し、それによって出力キャパシタの選択の制約および用途の制約を解消したスイッチング型電圧調整器を提供することである。

この発明の一つの実施例によると、集積回路の形に構成したバックスイッチング型電圧調整器は入力電圧を受け、固定のオン時間・最小オフ時間饋還制御スキームを用いて第１のパワースイッチおよび第２のパワースイッチを制御し、スイッチ出力電圧の取り出しのためのスイッチ出力ノードに出力を供給するようにする。上記スイッチ出力ノードは上記集積回路に外付けしたＬＣフィルタに接続し、ほぼ一定値の調整ずみの出力電圧を出力ノードに出力するようにする。その調整ずみの出力電圧を、饋還電圧ノードに饋還電圧を生ずる分圧回路経由でバックスイッチング型電圧調整器に饋還する。このバックスイッチング型電圧調整器は上記集積回路上に形成した第１のキャパシタと第１の抵抗器とを含み、それら第１のキャパシタおよび第２の抵抗器を上記スイッチ出力ノードと上記饋還電圧ノードとの間に接続し、第２のキャパシタをそれら出力ノードと出力電圧ノードとの間に接続する。

動作の際には、第１のキャパシタおよび第１の抵抗器がスイッチ出力電圧に関連づけられたリプル電圧信号を発生し、そのリプル電圧信号、すなわち上記第２のキャパシタンスの容量値の関数で表される大きさを有するリプル電圧信号を、上記固定時間・最小オフ時間饋還制御スキームで用いるように供給する。

入力電圧を受け、固定オン時間・最小オフ時間饋還制御スキームを用いて第１のパワースイッチおよび第２のパワースイッチを制御し、スイッチ出力電圧取り出しのためのスイッチ出力ノードに出力を供給するようにするバックスイッチング型電圧調整器であって、上記スイッチ出力ノードをＬＣフィルタに接続し、ほぼ一定値の調整ずみの出力電圧を出力ノードに発生するとともにその調整ずみの出力電圧を饋還電圧ノードへの饋還電圧の発生のための分圧回路に饋還するバックスイッチング型電圧調整器における方法は、前記スイッチ出力電圧からリプル電圧を発生する過程と、前記固定オン時間・最小オフ時間饋還制御スキームで用いるように前記リプル電圧信号を前記饋還電圧ノードに注入する過程と、前記饋還電圧ノードにおけるリプル電圧信号の大きさを容量性分圧回路により調整する過程とを含む方法をこの発明は提供する。

ＥＳＲ値の大小に関わりなく出力キャパシタを選択でき、したがってコスト安で饋還制御動作の確実な安定性の高いスイッチング型電圧調整器を提供できる。

この発明の原理によると、固定オン時間・最小オフ時間制御ループを用いたバックスイッチング型電圧調整器は、スイッチ出力電圧を用いて所要リプル電圧信号を内部で発生するとともに、そのリプル電圧信号を電圧調整器の饋還制御ループに注入するリプル注入回路を含む。発生すべきリプル電圧の大きさは、この電圧調整器と一体に組み入れることもでき外付けすることもできるフィードフォワードキャパシタによって調整する。このようにして、このバック電圧調整器は、任意の値のＥＳＲを有する出力キャパシタに適応できるように形成できる。より詳しく述べると、このバック電圧調整器に接続した出力キャパシタのＥＳＲ値が大きい場合は、スイッチ出力電圧からリプルをほとんどまたは全く発生しないようにリプル注入回路をプログラムするようにフィードフォワードキャパシタを用いる。一方、上記出力キャパシタのＥＳＲ値が零またはそれに近い値である場合は、スイッチ出力電圧から所要のリプル電圧を生ずるようにリプル注入回路をプログラムするようにフィードフォワードキャパシタを用いる。

リプル注入回路を組み入れたこの発明のバックスイッチング型電圧調整器は、従来技術によるこの種の回路に比べて多数の利点を有する。まず、このスイッチング型電圧調整器は出力キャパシタのＥＳＲが如何なる値であっても対処できる。すなわち、リプルをほとんど含まない出力電圧を生ずるようにＥＳＲ値の小さいセラミックキャパシタなどの出力キャパシタを用いることを可能にする。一方、リプル注入回路により、スイッチ出力電圧を用いて、所要リプル電圧をそのリプル電圧が調整ずみ出力電圧に悪影響を及ぼさない形で内部的に発生できる。

この発明の一つの側面によると、リプル注入回路は、スイッチ出力電圧と饋還電圧との間に挿入したフィードフォワードキャパシタを併せ備える。一つの実施例では、上記第１のキャパシタおよび第１の抵抗器を、このバックスイッチング型電圧調整器の集積回路に上記饋還分圧回路と併せて搭載し、フィードフォワードキャパシタをその集積回路に外付けで接続する。もう一つの実施例では、そのフィードフォワードキャパシタもスイッチング型電圧調整器に組み入れる。そのフィードフォワードキャパシタは、内付けの場合は、発生すべきリプルの所要量の調整のために所望のキャパシタンスを選択するようにプログラム可能な容量値を備えるキャパシタの形に形成できる。

図１はこの発明の一つの実施例によるリプル注入回路を組み込んだ固定オン時間・最小オフ時間バックスイッチング型電圧調整器の概略図である。図１を参照すると、バックスイッチング型電圧調整器システム１０は、出力ＬＣフィルタ回路に接続したバックスイッチング型電圧調整器（以下、「バック電圧調整器」ともいう）１００を含む。バック電圧調整器１００は入力電圧Ｖ_ＩＮを受けてスイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷ（端子１０４）をインダクタＬ１および出力キャパシタＣ_ＯＵＴから成る出力ＬＣフィルタ回路に供給する。この出力ＬＣフィルタ回路は実質的に一定の大きさのＤＣ出力電圧を出力電圧ノード１１４に生ずる。実際の具体的回路では、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは図１に示すとおり負荷１１６を駆動するように供給する。出力キャパシタＣ_ＯＵＴは、図１に点線の直列回路で示すとおり、特定の値のＥＳＲを伴う。ＥＳＲが零である出力キャパシタを用いた場合は上記図１のＥＳＲの抵抗値は零であり抵抗器両端子短絡と等価になる。

バック電圧調整器１００は固定オン時間・最小オフ時間饋還制御ループを具体化している。この明細書では、固定オン時間を「一定オン時間」とも呼ぶ。以下の説明では、電圧調整器１００の固定オン時間饋還制御ループをまず述べ、その饋還制御ループに所望の量のリプルを注入するリプル注入回路を次に述べる。

図１を参照すると、バック電圧調整器１００は端子１０２に入力電圧Ｖ_ＩＮを受ける。一対のパワースイッチＭ１およびＭ２をその端子１０２と接地電位端子ＰＧＮＤ１０６との間に直列に接続する。この回路構成において、電圧調整器１００は、上記パワースイッチとそれ以外の回路部分との雑音分離のために、互いに別々の接地端子ＰＧＮＤおよびＳＧＮＤを含む。雑音分離用に別個の接地電位端子接続を用いることは周知であり、この発明の構成に重要ではない。この実施例では、パワースイッチＭ１はＰＭＯＳトランジスタで構成し、パワースイッチＭ２はＮＭＯＳトランジスタで構成し、それらトランジスタを駆動回路１３４からの駆動信号で制御する。スイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷはこれらパワースイッチＭ１およびＭ２の共通接続ノード１２２に得られる。スイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷはＳＷ端子１０４経由でインダクタＬ１および出力キャパシタＣ_ＯＵＴから成るＬＣフィルタ回路に供給し、このＬＣフィルタでフィルタ処理して実質的に一定振幅のＤＣ出力電圧Ｖ_ＯＵＴを出力電圧ノード１１４に生ずる。このＤＣ出力電圧Ｖ_ＯＵＴを負荷１１６の駆動に用いる。

ＤＣ出力電圧Ｖ_ＯＵＴはスイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷ調整用の饋還制御ループを構成するように電圧調整器１００に饋還する。より詳細に述べると、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを抵抗器Ｒ１およびＲ２から成る分圧回路にＦＢ端子１０８経由で饋還する。出力電圧Ｖ_ＯＵＴの分圧出力である饋還電圧Ｖ_ＦＢ（ノード１２４）を比較器１２６の第１の入力端子（負入力端子）に加え、比較器１２６の第２の入力端子（正入力端子）には基準電圧Ｖ_ＲＥＦ（ノード１３８）を加える。基準電圧Ｖ_ＲＥＦは、入力電圧Ｖ_ＩＮの供給を受ける基準電圧発生回路１３６で発生する。基準電圧発生回路１３６は周知であり、入力電圧Ｖ_ＩＮを受けて所望の大きさの電圧を生ずる任意の回路で構成できる。

比較器１２６は饋還電圧Ｖ_ＦＢと基準電圧Ｖ_ＲＥＦとの間の差を表す誤差電圧信号Ｖ_ＥＲＲを生ずる。固定オン時間制御ループを形成するように、誤差電圧信号Ｖ_ＥＲＲをオンタイマー１２８の開始入力端子に供給する。オンタイマーはその開始入力信号のアサート時に所定のオン継続時間長を生じ、その所定のオン時間長の終了を表す終了出力を生ずる。饋還電圧Ｖ_ＦＢが基準電圧Ｖ_ＲＥＦ以下に低下した場合は誤差信号Ｖ_ＥＲＲをアサートし、オンタイマー１２８にプログラムずみのオン時間長を始動させる。そのオン時間始動時にオンタイマー１２８は論理回路１３２へのバス１２９に制御信号を供給して論理回路１３２にハイ側スイッチＭ１をオン状態に切り換えさせる。これによって、インダクタＬ１経由の電流がビルドアップ可能になる。ハイ側スイッチＭ１は固定時間長だけオン状態に留まる。オン時間長が満了すると、オンタイマー１２８が論理回路１３２に指示してハイ側スイッチＭ１をオフにロウ側スイッチＭ２をオンに切り換えさせる。

最小オフ時間制御を実現するために、オンタイマー１２８からの終了出力信号をオフタイマー１３０の開始入力端子に供給する。したがって、オン時間が満了すると、オフタイマー１３０にプログラムされていたオフ時間長が始動する。オフタイマー１３０は、オフ時間長の終了を表すように終了出力信号を論理回路１３２に供給し、その時点で、饋還電圧Ｖ_ＦＢが基準電圧以下であればパワートランジスタＭ１はオン状態に戻り得る。このようにして、最小オン時間を饋還ループに実現する。

比較器１２６，オンタイマー１２８およびオフタイマー１３０の動作を通じて論理回路１３２は駆動回路１３４への制御信号を発生し、パワースイッチＭ１およびＭ２が交互にオンオフ状態になりスイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷを生ずるようにする。この実施例では、饋還制御ループを、電圧調整器１００のオン時間が動作周波数一定保持のために互いに異なる入力電圧および互いに異なる出力電圧に適応できるように形成する。

図２は、図１のスイッチング型電圧調整器システム１０に実現した一定オン時間・最小オフ時間饋還制御ループ動作を図解する流れ図である。図２を参照すると、饋還制御ループの動作の開始時に饋還電圧Ｖ_ＦＢを基準電圧Ｖ_ＲＥＦと比較する（ステップ２０４）。饋還電圧Ｖ_ＦＢが基準電圧Ｖ_ＲＥＦ以下であれば、制御ループは固定のオン時間にわたりハイ側スイッチＭ１をオンに切り換え、ロウ側スイッチＭ２をオフに切り換える（ステップ２０６）。この固定のオン時間のあと、ハイ側スイッチＭ１は最小オフ時間にわたりオフに切り換わり、ロウ側スイッチＭ２はオンに切り換わる（ステップ２０８）。そのあと、制御ループは比較ステップ２０４に戻る。饋還電圧Ｖ_ＦＢが基準電圧Ｖ_ＲＥＦ以上であれば、何ら切換を行わず、ハイ側スイッチＭ１はオフ状態に留まり、ロウ側スイッチＭ２はオン状態に留まる。しかし、饋還電圧Ｖ_ＦＢが基準電圧Ｖ_ＲＥＦ以下になれば、ハイ側スイッチＭ１は固定オン時間にわたり再びオンに切り換わる（ステップ２０６）。制御ループは饋還ループを基準電圧Ｖ_ＲＥＦ以上に保つように継続して動作する。

図２の流れ図に示すとおり、図１の電圧調整器システム１０は、饋還電圧が基準電圧Ｖ_ＲＥＦ以上の場合にオフ時間を最小オフ時間（ｍｉｎオフ）から定格オフ時間に増加させることによってオフ時間を調整する。連続電流モードの場合は、このバック電圧調整器の動作周波数は安定しており、デューティサイクルは次式、すなわち

で与えられる。ここでConsTonは一定オン時間を表し、Contr.Toffはオフ時間を表す。上記一定オン時間が次式、すなわち
ConstTon ≒ 1/Vin （式２）
で与えられるとすると、スイッチ出力電圧の周波数はＶ_ＩＮの関数としてほぼ一定になる。用途によっては、スイッチ出力電圧の一定周波数が望ましい。

図１に戻ると、バックスイッチング型電圧調整器１００は、フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦとの連携動作によりスイッチング出力電圧から所定量のリプルを生じ、スイッチング型電圧調整器システム１０の饋還制御ループにリプル電圧信号を注入するリプル注入回路１２０を含む。このリプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦを備えることにより、この発明のバック電圧調整器１００はＥＳＴの値に関わりなく出力キャパシタＣ_ＯＵＴに接続できる。すなわち、セラミックキャパシタなどのＥＳＲ零のキャパシタも出力キャパシタＣ_ＯＵＴとして使うことができるので、出力電圧Ｖ_ＯＵＴのリプル成分を最小にすることができる。一方、この発明の上記リプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタは饋還制御ループに必要なリプルをもたらすように動作する。ＥＳＲの大きいキャパシタを用いた場合は、この発明のリプル注入回路は、リプル発生が不要であるので、フィードフォワードキャパシタで不活性化できる。

リプル注入回路１２０は、ノード１２２とノード１２４との間に互いに直列接続で挿入した第１のキャパシタＣ_ＩＮＪおよび抵抗器Ｒ_ＩＮＪを含む。リプル注入回路１２０は、抵抗器Ｒ１およびＲ２から成る分圧回路と連携して、所望の電圧レベルおよび所望量のリプルを含む饋還電圧Ｖ_ＦＢを生ずるように動作する。この電圧調整器においては、リプル注入回路１２０をスイッチ電圧出力ノード１２２に接続してリプル電圧信号をスイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷから生ずるようにする。すなわち、リプル電圧信号はスイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷの分圧出力信号であり、その電圧Ｖ_ＳＷの周波数を備える。饋還電圧Ｖ_ＦＢノード１２４に得られるリプル電圧信号の大きさはフィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦの容量値で定まる。フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦは出力電圧Ｖ_ＯＵＴノード１１４と電圧調整器１００のフィードフォワード（ＦＦＷＤ）端子１１０との間に接続する。ＦＦＷＤ端子１１０は饋還電圧Ｖ_ＦＢノード１２４に直接に接続する。すなわち、フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦは出力電圧Ｖ_ＯＵＴノード１１４と饋還電圧Ｖ_ＦＢノード１２４との間に接続する。

リプル注入回路１２０で生じたリプル電圧は抵抗器Ｒ_ＩＮＪの抵抗値に対する抵抗器Ｒ１およびＲ２から成る分圧器の等価抵抗器の比を表す。また、リプル電圧はキャパシタＣ_ＩＮＪおよびフィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦで分圧した値となる。スイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷをキャパシタＣ_ＩＮＪに加えると、そのキャパシタＣ_ＩＮＪは微分回路として作用する。スイッチ電圧Ｖ_ＳＷの切換速度が十分に高い場合は、キャパシタＣ_ＩＮＪは短絡回路として作用する。饋還電圧ノード１２４の電圧は（Ｒ１//Ｒ２）/（Ｒ１//Ｒ２）＋Ｒ_ＩＮＪで与えられる。このようにして、スイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷを分圧してリプル電圧信号を生ずる。一つの実施例では、リプル電圧のピーク／ピーク値は約２０ｍＶである。

フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦは直列接続の抵抗器Ｒ１およびＲ２と並列に接続され、キャパシタＣ_ＩＮＪと協動して容量性分圧回路を構成する。したがって、リプル電圧信号のピークピーク電圧はフィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦの容量値の関数になる。すなわち、フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦの容量値を、任意のＥＳＲ値の出力キャパシタＣ_ＯＵＴで電圧調整器１００が動作できるようにリプル注入回路をプログラムするのに用いるのである。

より詳細に述べると、フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦは出力電圧Ｖ_ＯＵＴと饋還電圧Ｖ_ＦＢとをＡＣ結合する。キャパシタＣ_ＦＦの容量がごく大きい場合は、キャパシタＣ_ＦＦは出力電圧Ｖ_ＯＵＴノード１１４に現れるＡＣ信号に対して短絡回路として作用する。すなわち、リプル注入回路は大容量Ｃ_ＦＦで短絡され、饋還電圧Ｖ_ＦＢノードに注入されるべきリプル電圧信号は生じない。代わりに、リプル電圧成分を含む出力電圧Ｖ_ＯＵＴがＦＢ端子１０８経由で饋還制御ループの分圧器に印加される。すなわち、饋還電圧Ｖ_ＦＢは所要リプルを含む出力電圧信号Ｖ_ＯＵＴから発生する。

一方、キャパシタＣ_ＦＦの容量がごく小さいか零である場合は、キャパシタＣ_ＦＦは出力電圧Ｖ_ＯＵＴノード１１４に現れるＡＣ信号に対してオープンの回路になる。その場合、キャパシタＣ_ＩＮＪおよび抵抗器Ｒ_ＩＮＪを含むリプル注入回路で生じたリプル信号は饋還電圧Ｖ_ＦＢノード１２４に通過し、リプル最大値を饋還制御ループに供給する。

実際の具体的回路では、ＥＳＲの十分に大きい出力キャパシタＣ_ＯＵＴを用いた場合は、饋還制御ループへのリプル電圧信号の発生のためのリプル注入回路１２０は不要である。リプル注入回路からのリプル電圧信号を必要としない場合は、容量値の大きいフィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦを用い、リプル注入回路のキャパシタＣ_ＩＮＪを実質的に短絡し、リプル注入回路からのリプル電圧信号をキャパシタＣ_ＦＦで相殺するようにする。

一方、ＥＳＲがごく小さいか零である出力キャパシタＣ_ＯＵＴを用いた場合は、リプル注入回路１２０を用いて饋還制御ループへの所要リプル電圧信号を生ずる。すなわち、容量値の小さいフィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦを、リプル注入回路１２０によりスイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷから生じたリプル信号が饋還電圧ノード１２４に通過できるようにするために用いる。

上述のとおり、フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦはリプル注入回路１２０から供給すべきリプル電圧の大きさを調整するように動作する。一つの実施例では、フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦの容量値は２２０ｐＦ乃至２．２ｕＦの範囲にする。そうすると、電圧調整器１００は、任意のＥＳＲ値の出力キャパシタで、フィードフォワードキャパシタの対応容量値を選ぶだけで動作できる。フィードフォワードキャパシタは、リプル注入回路と容量性分圧回路を構成するほかに、饋還制御ループに零をもたらすことによって過渡応答特性の安定性を改善する。

さらに、リプル注入回路の発生するリプル電圧信号はインダクタＬ１へのスイッチ出力電圧Ｖ_ＳＷのＡＣバージョンであるから、リプル電圧信号は入力電圧Ｖ_ＩＮに比例する。制御ループ安定性の観点から見ればリプルの大きい方が望ましいが、精度（負荷調整、出力電圧リプル）の観点から見れば入力電圧は変動時の影響を最小にするようにリプルを最小にする必要がある。

この実施例では、フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦをバック電圧調整器のＩＣに外付けしてフィードフォワードキャパシタの互いに異なる容量値を出力キャパシタＣ_ＯＵＴのＥＳＲ特性との相互調整に使えるようにする。すなわち、注入リプル電圧の大きさをフィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦの容量で微調整できる。しかし、他の実施例では、リプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦの両方を電圧調整器ＩＣに組み入れてシステム１０の外付け部品を減らすこともできる。そのようにＩＣに組み入れた場合は、フィードフォワードキャパシタＣ_ＦＦは出力キャパシタのＥＳＲ値の所定の範囲に適した容量値とする。

リプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタを含むこの発明のバック電圧調整器は慣用のものに比べて多数の利点を有する。例えば、一つの従来技術による手法では、出力電圧Ｖ_ＯＵＴからリプル電圧を発生するのに、リプル電圧のごく小さい残留値を増幅している。リプル電圧信号が実際にごく小さい場合は、リプルを複製するのも雑音信号からリプル信号を弁別するのも非常に難しい。対照的に、この発明のリプル注入回路はスイッチ出力電圧からリプル信号を発生する。したがって、スイッチ出力電圧の分圧に単純な回路を利用でき、このリプル信号を雑音の影響なしに発生できる。

上に述べてきた詳しい説明は、この発明の特定の実施例を例示するためのものであって限定を意図するものではない。この発明の範囲内で多数の変形および改変が可能である。すなわち、この発明は添付特許請求の範囲の各請求項のみによって画定される。

低コストで性能改善したスイッチング型電圧調整器の製造に利用できる。

この発明の一つの実施例によるリプル注入制御スキーム組込みの固定オン時間電圧調整器の概略図。 図１の電圧調整器に用いた固定オン時間・最小オフ時間制御ループの説明図。

符号の説明

１０ スイッチング型電圧調整器システム
１００ バック電圧調整器
１０２，１０４，１０８，１１０，１１２ 端子
１１４ 出力電圧Ｖ_ＯＵＴノード
１１６ 負荷
１２０ リプル注入回路
１２６ 比較回路
１２８ オンタイマー
１３０ オフタイマー
１３２ 論理回路
１３４ 駆動回路
Ｍ１，Ｍ２ トランジスタパワースイッチ
２０６ 一定オン時間にわたりスイッチＭ１をオンにする
２０８ 最小オフ時間にわたりスイッチＭ１をオフにする

Claims (17)

1. 集積回路の形に構成されて入力電圧を受けるバック（ｂｕｃｋ）スイッチング型電圧調整器であって、固定オン時間・最小オフ時間饋還制御スキームを用い第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御してスイッチ出力電圧取出し用のスイッチ出力ノード、すなわち前記集積回路に外付けしたＬＣフィルタ回路に接続されて実質的に一定電圧の電圧調整ずみの出力電圧を出力ノードに生ずるようにするスイッチ出力ノードに前記スイッチ出力電圧を生ずるバックスイッチング型電圧調整器において、
   前記電圧調整器の前記集積回路の内部に内付けの形で形成された分圧回路であって、前記出力ノードと第１の電圧源との間に互いに直列接続して挿入した第２の抵抗器と第３の抵抗器とを含み、前記電圧調整ずみの出力電圧を受けるとともにその出力電圧の分圧出力を前記第２の抵抗器と前記第３の抵抗器との間の饋還電圧ノードに饋還電圧として生ずる分圧回路と、
   前記電圧調整器の前記集積回路に内付けの形で形成され、前記スイッチ出力ノードと前記饋還電圧ノードとの間に互いに直列接続して挿入した第１のキャパシタおよび第１の抵抗器と、
   前記出力ノードと前記饋還電圧ノードとの間に接続した第２のキャパシタと
   を含み、
   前記第１のキャパシタおよび前記第１の抵抗器が前記スイッチ出力電圧のＡＣ成分であるリプル電圧信号を発生してそのリプル電圧信号、すなわち大きさが前記第２のキャパシタの容量値の関数であるリプル電圧信号を前記固定オン時間・最小オフ時間饋還制御スキーム用に前記饋還電圧ノードに供給する
   バックスイッチング型電圧調整器。
2. 前記第２のキャパシタが前記電圧調整器の前記集積回路に外付けで接続されている請求項１記載のバックスイッチング型電圧調整器。
3. 前記第２のキャパシタが前記電圧調整器の前記集積回路の内部に内付けで形成されている請求項１記載のバックスイッチング型電圧調整器。
4. 前記ＬＣフィルタ回路が第１のインダクタおよび出力キャパシタを含み、前記第２のキャパシタの容量値が前記出力キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）の値に関連づけられている請求項２記載のバックスイッチング型電圧調整器。
5. 前記第２のキャパシタの容量値を、前記出力キャパシタの前記ＥＳＲ値が大きい場合に大きくし、前記キャパシタのＥＳＲ値が小さいかまたは零の場合に小さくした請求項４記載のバックスイッチング型電圧調整器。
6. 前記第２のキャパシタの容量値が大きい場合に約２．２ｕＦ、小さい場合に約２２０ｐＦである請求項５記載のバックスイッチング型電圧調整器。
7. 前記リプル電圧信号が、前記第２のキャパシタの容量値が大きい場合に小さく、前記第２のキャパシタの容量値が小さい場合に大きい請求項５記載のバックスイッチング型電圧調整器。
8. 前記ＬＣフィルタ回路が第１のインダクタおよび出力キャパシタを含み、前記第２のキャパシタが前記出力キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）値に関連づけられた容量値を有する請求項１記載のバックスイッチング型電圧調整器。
9. 前記リプル電圧信号が前記スイッチ出力電圧の分圧出力である請求項１記載のバックスイッチング型電圧調整器。
10. 入力電圧を受けるバック（ｂｕｃｋ）スイッチング型電圧調整器であって、固定オン時間・最小オフ時間饋還制御スキームを用い第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御してスイッチ出力電圧取出し用のスイッチ出力ノード、すなわちＬＣフィルタ回路に接続されて実質的に一定電圧の電圧調整ずみの出力電圧を出力ノードに生ずるようにするスイッチ出力ノードに前記スイッチ出力電圧を生ずるバックスイッチング型電圧調整器における方法おいて、
    前記電圧調整ずみの出力電圧を受け、前記出力ノードと第１の電圧源との間に互いに直列接続して挿入した第２の抵抗器と第３の抵抗器とを含む分圧回路を用いて饋還電圧、すなわち前記第２の抵抗器と前記第３の抵抗器との間の前記饋還電圧ノードに前記電圧調整ずみの出力電圧の分圧出力である饋還電圧を饋還電圧ノードに生ずる過程と、
    互いに直列接続して前記スイッチ出力ノードと前記饋還電圧ノードとの間に挿入した第１のキャパシタおよび第１の抵抗器を用いて前記スイッチ出力電圧からリプル電圧信号を発生する過程と、
    前記リプル電圧信号、すなわち前記スイッチ出力電圧のＡＣ成分である前記リプル電圧信号を前記固定オン時間・最小オフ時間饋還制御スキーム用に前記饋還電圧ノードに注入する過程と、
    容量性分圧回路、すなわち前記第１のキャパシタと前記分圧回路の前記第２の抵抗器に並列に接続した第２のキャパシタとで形成される容量性分圧回路を用いて前記饋還電圧ノードにおける前記リプル電圧信号の大きさを調整する過程と
    を含むバックスイッチング型電圧調整器における方法。
11. 前記スイッチ出力ノードと前記饋還電圧ノードとの間に直列接続で挿入した第１のキャパシタおよび第１の抵抗器であって、前記スイッチ出力電圧から前記リプル電圧信号を生じてそのリプル電圧信号を前記饋還電圧ノードに供給する過程をさらに含む請求項１０記載の方法。
12. 前記リプル電圧信号が前記スイッチ出力電圧の分圧出力である請求項１１記載の方法。
13. 前記容量性分圧回路を用いて前記饋還電圧ノードにおける前記リプル電圧信号の大きさを調整する過程が、
    前記出力電圧ノードと前記饋還電圧ノードとの間に第２のキャパシタ、すなわちその容量値の関数が前記リプル電圧信号の大きさとなる第２のキャパシタを設ける過程
    を含む請求項１１記載の方法。
14. 前記ＬＣフィルタ回路が第１のインダクタおよび出力キャパシタを含み、前記第２のキャパシタが前記出力キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）値に関連づけられた容量値を有する請求項１１記載の方法。
15. 前記第２のキャパシタを設ける過程が、前記出力キャパシタのＥＳＲ値が大きい場合に大きい容量値を有する第２のキャパシタを設けることと、前記出力キャパシタのＥＳＲ値が小さいか零の場合に小さい容量値を有する第２のキャパシタを設けることとを含む請求項１４記載の方法。
16. 前記第２のキャパシタの容量値が大きい場合に約２．２ｕＦ小さい場合に約２２０ｐＦである請求項１５記載の方法。
17. 前記リプル電圧信号が、前記第２のキャパシタの容量値が大きい場合に小さく、前記第２のキャパシタの容量値が小さい場合に大きい請求項１３記載の方法。
    

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