JP4945749B2

JP4945749B2 - 電源回路

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Publication number: JP4945749B2
Application number: JP2006244665A
Authority: JP
Inventors: 信行大高
Original assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Current assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: JP2008067550A

Description

本発明は電源回路に係り、特にスイッチングレギュレータの出力とシリーズレギュレータの出力とを切り換えて負荷に供給する電源回路に関する。

携帯電話機、ＰＨＳ（ＰｅｒｓｏｎａｌＨａｎｄｙｐｈｏｎｅＳｙｓｔｅｍｓ）、ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）、ＰＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）等の携帯型電子機器の電源としては、電池が用いられる。そして、電子機器の各構成要素に供給する所定電圧を作り出すために、いわゆるシリーズレギュレータが用いられる。また、シリーズレギュレータの他にスイッチングレギュレータを用いることも行われる。

例えば、特許文献１には、通信機能を有する携帯機器に搭載された電池から供給される電源電圧が低下しても携帯機器を駆動できるように、低下した電源電圧を所定の出力電圧に昇圧させる回路として、チョッパ方式の昇圧型スイッチングレギュレータが述べられている。ここでは、スイッチングレギュレータの出力電圧を基準電圧と比較し、その差に応じた誤差信号を出力するエラーアンプと、エラーアンプからの誤差信号に基づいてＰＷＭ信号のデューティ比を設定するＰＷＭ回路と、ＰＷＭ信号がハイのときオンするスイッチングトランジスタと、スイッチングトランジスタのスイッチング制御に応じて流れる電流量が制御される昇圧コイルと、昇圧コイルからの電圧を保持し、出力電圧を出力するコンデンサとを含む構成が開示されている。

特開２００６−５４９６９号公報

シリーズレギュレータとスイッチングレギュレータとを比較すると、負荷が重いとき、すなわち出力電流を多くする必要のあるときには、後者のほうが変換効率がよい。したがって、携帯型電子機器においては、シリーズレギュレータとスイッチングレギュレータの双方を装備し、負荷が重いときには後者の出力を用い、軽負荷のときに前者の出力を用いるように切り換えることが行われる。

スイッチングレギュレータの出力電圧を所定の範囲にするために、エラーアンプを用いて出力電圧と基準電圧とを比較するフィードバック制御が行われる。この場合に、スイッチングレギュレータはＰＷＭ技術を用いるので、パルス幅がうまく合わないと、その動作が不安定になる。特に、スイッチングレギュレータをオフ状態からオンするときにおいては、パルス生成が過渡期にあり、出力電圧をエラーアンプにフィードバックすることでは不十分なことが生じる。そのために、シリーズレギュレータからスイッチングレギュレータに出力を切り換える際に、ノイズが生じることがある。

本発明の目的は、スイッチングレギュレータの動作を立ち上げる際のノイズを抑制することができる電源回路を提供することである。

本発明に係る電源回路は、スイッチングレギュレータの出力とシリーズレギュレータの出力とを切り換えて負荷に供給する電源回路において、スイッチングレギュレータは、一方端子に入力される基準電圧と、比較入力切換スイッチを介して他方端子に入力される電圧との間の誤差を誤差信号として生成するエラーアンプと、誤差信号に応じてデューティ比を可変したＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ回路部と、ＰＷＭ回路部と出力端子との間に設けられるコイルと、ＰＷＭ回路部とコイルとの間に設けられるループ切換スイッチと、出力端子の出力電圧をエラーアンプの他方端子側に戻す第１フィードバックループと、ＰＷＭ信号をＤＣ信号に変換してエラーアンプの他方端子側に戻す第２フィードバックループと、を有し、スイッチングレギュレータを始動させるときに、ループ切換スイッチによってＰＷＭ回路部とコイルとの間の接続を切断し、比較入力切換スイッチを第２フィードバックループ側に接続し、予め定めた所定条件を満たした後に、ループ切換スイッチによってＰＷＭ回路部とコイルとの間を接続し、比較入力切換スイッチを第１フィードバックループ側に接続することを特徴とする。

また、本発明に係る電源回路において、ループ切換スイッチによるコイルへの接続を、接続切換後のコイルからの最初の出力パルス信号について半波となるタイミングで行うことが好ましい。

また、本発明に係る電源回路において、制御部は、スイッチングレギュレータの出力とシリーズレギュレータの出力との間の大小関係に応じて、半波となるタイミングについて、最初の出力パルス信号が上側又は下側から始まる半波となるタイミングを選択することが好ましい。

上記構成により、エラーアンプ−ＰＷＭ回路部−コイル−出力端子というスイッチングレギュレータにおいて、出力端子の出力電圧をエラーアンプの他方端子側に戻す第１フィードバックループの他に、ＰＷＭ信号をＤＣ信号に変換してエラーアンプの他方端子側に戻す第２フィードバックループを設ける。

そして、スイッチングレギュレータを始動させるときに、ＰＷＭ回路部とコイルとの間の接続を切断し、第２フィードバックループを用いる。そして予め定めた所定条件を満たすときに、ＰＷＭ回路部と出力ドライバとの間を接続し、第１フィードバックループを用いる。このように、予め定めた所定条件を満たすまでの間は、ＰＷＭ回路部をコイルに接続しないことにしたので、その期間の間はコイルからは何も出力されず、第１フィードバックループに切り換えた後になって初めてコイルから出力される。したがって、スイッチングレギュレータの動作を立ち上げる際のノイズを抑制することができる。

また、ループ切換スイッチによるコイルへの接続を、接続切換後のコイルからの最初の出力パルス信号について半波となるタイミングで行うこととする。安定期になったからといって、そのままＰＷＭ回路部とコイルとを接続すると、その接続タイミングによってコイル電流値の平均値が異なってくる。

例えば、ＰＷＭ回路部のパルスが立ち上がるタイミングでコイルを接続すると、コイル電流は、接続時から上昇を始め、パルス幅の全時間に渡って上昇を続け、その後次のパルスが来るまで下降を続ける。したがって、パルス一周期に渡るコイル電流の平均値は、接続時と最大上昇時との間の平均値となる。ＰＷＭ回路部のパルスが半波となるタイミングでコイルを接続すると、パルス幅の半分の時間分だけ上昇し、次のパルスが来るまで下降し、次のパルスが来るとパルス幅の全時間に渡って上昇する。したがって、パルス一周期に渡るコイル電流の平均値をゼロとすることができる。これにより、コイルへの接続時においてコイル電流の波高値の乱れを少なくし、さらにノイズを抑制することができる。

また、スイッチングレギュレータの出力とシリーズレギュレータの出力との間の大小関係に応じて、半波となるタイミングについて、最初の出力パルス信号が上側又は下側から始まる半波となるタイミングを選択することとするので、過渡期における両レギュレータの出力の大小によるノイズを少なくすることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下において、スイッチングレギュレータの構成を、エラーアンプ−ＰＷＭ回路部−出力ドライバ−コイル−出力端子として説明するが、用途に応じてこれ以外の要素を付加する構成としてもよい。例えば、以下において、平滑コンデンサをシリーズレギュレータと共通化するものとして説明するが、平滑コンデンサを含めてスイッチングレギュレータの構成としてもよい。また、ＰＷＭ回路部と出力ドライバとを分離した構成として説明するが、ＰＷＭ回路部と出力ドライバを一体化した構成としてもよい。その場合には、ループ切換スイッチをコイルにパルスを供給する手前に設ける構成とすることができる。また、スイッチングレギュレータにおいてフィードバックループを切り換える機能を、電源回路全体の制御部に含ませて説明するが、電源回路全体の制御部と別に、スイッチングレギュレータの制御部として構成してもよい。

図１は、スイッチングレギュレータの出力とシリーズレギュレータの出力とを切り換えて負荷に供給する電源回路１０の構成を示す図で、特にスイッチングレギュレータの内容を詳細に示してある。電源回路１０は、シリーズレギュレータ１２とスイッチングレギュレータ１４と、制御部２０とを含み、負荷が必要とする電流に応じ、高負荷のときはスイッチングレギュレータ１４を作動させ、低負荷のときはシリーズレギュレータ１２を作動させて、いずれかの出力を供給端子１６から負荷へ供給する回路である。そのために、電源回路１０は、シリーズレギュレータ１２と、スイッチングレギュレータ１４のそれぞれの出力を出力端子４８で接続し、これに２つのレギュレータに共通化した平滑コンデンサ１８を接続して、負荷への供給端子１６とする構成を有する。

なお、シリーズレギュレータ１２は、図示されていない電池電源を用いて、定電圧回路によって所望の出力電圧を生成する機能を有する回路である。シリーズレギュレータ１２の内部構成は、周知のものを用いることができるので、詳細な説明を省略する。

スイッチングレギュレータ１４は、エラーアンプ３０と、ＰＷＭアンプ３４と、出力ドライバ３８と、コイル４０とが直列に接続された基本構成を有する。そして、２つのフィードバックループ５０，５２が設けられる。第１のフィードバックループ５０は、上記基本構成の作動状態でスイッチングレギュレータ１４の出力電圧をエラーアンプ３０に帰還するもので、第２のフィードバックループ５２は、出力ドライバ３８の手前で上記基本構成を遮断し、ＰＷＭアンプ３４の出力をＤＣ変換部４６でＤＣ電圧に変換しエラーアンプ３０に帰還するものである。

第１フィードバックループ５０と第２フィードバックループ５２とは排他的に用いられる。すなわち、双方が同時に用いられることはない。そのために、エラーアンプ３０の他方端子に比較切換スイッチ４２が接続され、出力ドライバ３８とコイル４０との間にループ切換スイッチ４４が設けられる。比較切換スイッチ４２とループ切換スイッチ４４の作動は、エラーアンプ３０の出力が過渡期か安定期かに応じて制御部２０によって制御される。

エラーアンプ３０は、一方端子に基準電圧３２が供給され、他方端子には上記のように比較切換スイッチ４２が接続される。エラーアンプ３０は、一方端子に入力される基準電圧と、他方端子に入力される電圧とを比較し、その間の偏差である基準電圧からの乖離を誤差信号として生成する機能を有する回路である。誤差信号は符号を有するが、例えば、他方端子に入力される電圧が基準電圧よりも低いときにプラスとすることができる。生成された誤差信号はＰＷＭアンプ３４に向けて出力される。エラーアンプ３０で生成された誤差信号が、ＰＷＭアンプ３４に供給されると共に、図１で信号線５４で示されるように、フィードバックループの切換の判断のために制御部２０に供給される。

比較切換スイッチ４２は、制御部２０の制御の下で、第１フィードバックループ５０又は第２フィードバックループ５２のいずれかをエラーアンプ３０の他方端子に接続する機能を有する切換素子である。

ＰＷＭアンプ３４は、一方端子に基準周波数を有する三角波信号を生成する発振回路３６の出力端子が接続され、他方端子に誤差信号を出力するエラーアンプ３０の出力端子が接続される。ＰＷＭアンプ３４は、誤差信号の大きさに応じてデューティ比を可変したＰＷＭ信号を生成する機能を有する回路である。上記の例で、誤差信号がプラス側で大きいほどデューティ比の大きいＰＷＭ信号、すなわち、基準電圧より低い側に誤差信号が大きいほど、オン期間の長いパルス信号が生成される。

発振回路３６は、上記のように、予め定められた基準周波数を有し、振幅として図示されていない電池電圧を有する三角波を生成する機能を有する回路である。例えば、基準周波数として約１ＭＨｚ、振幅として約３Ｖ_PPの三角波を生成し、これをＰＷＭアンプ３４の一方端子に供給する。ＰＷＭアンプ３４の機能により、この三角波について誤差信号を閾電圧レベルとして、矩形パルス信号が生成される。このとき、矩形パルスのパルス幅は、閾電圧レベルで設定されるので、誤差信号が大きいほど矩形パルス信号のデューティ比が大きくなるようにする。

出力ドライバ３８は、ＰＷＭアンプ３４の出力である矩形パルス信号を適当に増幅し、コイル４０に供給する機能を有する回路である。したがって、矩形パルス信号のデューティ比等の内容は変化せず、その意味で、ＰＷＭアンプ３４と出力ドライバ３８とを合わせてＰＷＭ回路部と呼ぶこともできる。

ＰＷＭアンプ３４と出力ドライバ３８との間に設けられるループ切換スイッチ４４は、ＰＷＭアンプ３４で生成されたパルス信号をコイル４０側に伝達しないように、接続を遮断する機能を有する。また、その接続遮断と共に、ＰＷＭアンプで生成されたパルス信号についてＤＣ変換部４６を介してエラーアンプ３０の他方端子側に戻す機能も有する。前者の機能によって出力端子４８には出力信号が何も現れなくなり、第１フィードバックループ５０による帰還が行われなくなる。そして後者の機能によって、ＰＷＭアンプで生成されたパルス信号は、第２フィードバックループ５２を介してエラーアンプ３０の他方端子側に戻される。このように、ループ切換スイッチ４４は、比較切換スイッチ４２と共にフィードバックループを切り換える機能を有する。

ＤＣ変換部４６は、ＰＷＭアンプ３４で生成されたパルス信号をＤＣ電圧に変換する回路である。変換は、ＰＷＭ信号のデューティ比が大きいほど、ＤＣ電圧が大きくなるように行われる。これにより、比較切換スイッチ４２を介してエラーアンプ３０の他方端子にＰＷＭ信号のデューティ比に応じたＤＣ電圧が戻されることになる。

コイル４０は、出力ドライバ３８から出力されたパルス信号について、そのエネルギを蓄積し、蓄積されたエネルギを出力端子４８及び平滑コンデンサ１８を介して供給端子１６に接続される負荷に供給する機能を有する素子である。具体的には、パルス信号がオンのときに、そのエネルギを蓄え、オフの期間に蓄えたエネルギを負荷に供給する。したがって、ＰＷＭ信号のデューティ比が大きいほど、出力端子４８に現れる出力電圧の値が高くなり、逆に、デューティ比が小さいほど、出力端子４８に現れる出力電圧の値が低くなる。

第１フィードバックループ５０は、出力端子４８の出力電圧をエラーアンプ３０の他方端子側に戻す帰還ループである。なお、コイル４０に流れる電流は、ＰＷＭ信号のパルス周期と同じ周期の鋸状波形を有するが、出力端子４８に現れる出力電圧は、平滑コンデンサ１８等の作用により、ＤＣ電圧である。したがって、第１フィードバックループ５０によって出力端子４８から比較切換スイッチ４２に戻される信号は、ＤＣ電圧である。

第２フィードバックループ５２は、ループ切換スイッチ４４に関連して説明したように、ＰＷＭアンプ３４において生成されたＰＷＭ信号のデューティ比に応じたＤＣ電圧をエラーアンプ３０の他方端子側に戻す帰還ループである。

制御部２０は、電源回路１０全体の動作を制御する機能を有し、特に、供給端子１６に接続される負荷の内容が軽負荷か重負荷かに応じてシリーズレギュレータ１２を作動させるかスイッチングレギュレータ１４を作動させるかの切換を行う機能を有する。また、シリーズレギュレータ１２の作動からスイッチングレギュレータ１４の作動に切り換える際に、出力端子４８又は供給端子１６に現れ得るノイズを抑制するために、第１フィードバックループ５０と第２フィードバックループ５２との間でフィードバックループを切り換える機能を有する。

第１フィードバックループ５０と第２フィードバックループ５２との間でフィードバックループを切り換えるには、スイッチングレギュレータ１４の始動の当初は第２フィードバックループ５２とし、予め定めた所定条件を満たした後に、第１フィードバックループ５０に切り換えるものとすることができる。ここで、予め定めた所定条件として、スイッチングレギュレータ１４の始動からの一定時間の経過を用いることができる。この一定時間としては、エラーアンプ３０等の作動が安定するのに十分な時間とすることができる。

また、予め定めた所定条件として、エラーアンプ３０によって生成された誤差信号が所定の範囲に入ることとすることもできる。この場合に、制御部２０は、フィードバックループを切り換えるために、エラーアンプ３０によって生成された誤差信号を監視し、誤差信号のＤＣレベルが安定期にあるか過渡期にあるかを判定する判定手段を有する。誤差信号が安定期にあるか、過渡期にあるかの判定は、例えば、誤差信号のＤＣ電圧レベルが時間的に変動するか、安定しているか等に基づいて行われる。ＤＣ電圧レベルの変動の大きさの判定は、例えば、閾値を設定することで行うことができ、閾値以下のときに安定期、閾値を超えるときに過渡期と判定することができる。

フィードバックループを切り換える機能は、次のようにして行われる。予め定めた所定条件を満たす前、すなわち一定時間の経過前、あるいは判定手段が過渡期と判断するときには、ループ切換スイッチ４４によってＰＷＭアンプ３４と出力ドライバ３８との間の接続を切断し、比較切換スイッチ４２を第２フィードバックループ５２側に接続する。これによって、エラーアンプ３０は、ＰＷＭアンプ３４によって生成されたＰＷＭ信号に基づいて誤差信号を生成することができ、第２フィードバックループ５２の帰還によって、ＰＷＭ信号のデューティ比を基準電圧３２に対応する大きさに収束させることができ、誤差信号の変動が次第に少なくなり、閾値に近づいてくる。この期間の間、ループ切換スイッチ４４の機能により、変動の大きい誤差信号によって生成されたＰＷＭ信号は、出力ドライバ３８、コイル４０に供給されない。したがって、変動の大きい誤差信号によるノイズは、出力端子４８及び供給端子に現れない。

一定時間の経過後、あるいは誤差信号の変動が閾値以下となって判定手段が安定期と判断すると、ループ切換スイッチ４４はＰＷＭアンプ３４と出力ドライバ３８との間を接続し、比較切換スイッチ４２を第１フィードバックループ５０側に接続する。これによって、エラーアンプ３０は、出力端子４８に現れる出力電圧に基づいて誤差信号を生成することができ、以後、第１フィードバックループ５２の帰還によって、出力端子４８に現れる出力電圧の大きさを基準電圧３２に対応する大きさに維持することができる。

制御部２０はまた、判定手段によって過渡期から安定期に遷移したときに出力される切換信号に対して、フィードバックループの切換タイミング、特に、ループ切換スイッチ４４の切換タイミングを調整する機能を有する。この調整機能によって、シリーズレギュレータ１２の出力電圧とスイッチングレギュレータ１４の出力電圧が異なるときに、その相違によって切換時に生じ得るノイズを抑制することができる。

図２は、ループ切換タイミングの調整について説明する図である。図２（ａ）は、調整を行わずに一般的な方法に従った切換タイミングの例を示す図で、（ｂ）は、シリーズレギュレータ１２の出力電圧レベルよりもスイッチングレギュレータ１４の出力電圧レベルが高い場合の切換タイミングの例を示し、（ｃ）は、シリーズレギュレータ１２の出力電圧レベルよりもスイッチングレギュレータ１４の出力電圧レベルが低い場合の切換タイミングの例を示す図である。

図２の各図は、スイッチングレギュレータ１４の４つ信号の状態を横軸に時間軸とって示すもので、最上段はＰＷＭアンプ３４のパルス信号、２段目は切換信号、３段目は出力ドライバ３８の出力信号、最下段はコイル４０の電流信号である。ここで、切換信号とは、上記のように制御部２０の判定手段が出力する信号で、過渡期から安定期になったことを示す信号である。出力ドライバ３８の出力信号が、切換タイミングの調整の対象となる信号である。

図２（ａ）においては、切換信号とＰＷＭアンプ３４の出力信号とのＡＮＤによって、切換タイミングが決められている。したがって、切換信号がオンした後のＰＷＭ信号と同じパルス信号が出力ドライバ３８の出力信号となり、これがコイル４０に供給される。つまりＰＷＭアンプ３４のパルス信号が立ち上がるタイミングでコイル４０が接続されるので、コイル電流は、接続時から上昇を始め、パルス幅の全時間に渡って上昇を続け、その後次のパルスが来るまで下降を続ける。したがって、パルス一周期に渡るコイル電流の平均値は、接続時と最大上昇時との間の平均値となる。なお、コイル電流の平均値を図２（ａ）において一点鎖線で示してある。

図２（ｂ）は、切換信号がオンしてから、ＰＷＭアンプ３４の最初のパルスの立ち上がりから立ち下りまでの間の中間の時刻で切換タイミングが決められる。すなわち、図２（ａ）に比較して、切換タイミングがＰＷＭ信号の半波分遅延される。これによって、ＰＷＭ信号が半波となるタイミングでコイル４０が接続されるので、コイル電流はパルス幅の半分の時間分だけ上昇し、次のパルスが来るまで下降し、次のパルスが来るとパルス幅の全時間に渡って上昇する。したがって、パルス一周期に渡るコイル電流の平均値をゼロとすることができる。この場合のコイル電流の平均値を図２（ｂ）において一点鎖線で示してある。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）と同様にＰＷＭ信号が半波となるタイミングでコイル４０が接続されるが、最初の出力パルス信号が下側から始まる半波となるタイミングでコイル４０が接続される。これに対し図２（ｂ）は、最初の出力パルス信号が上側から始まる半波となるタイミングでコイル４０が接続される。

図２（ｂ）及び（ｃ）に述べた切り換えタイミングとすることで、いずれもコイル電流の平均値をゼロとすることができる。これにより、コイル４０への接続時においてコイル電流の波高値の乱れを少なくし、ノイズを抑制することができる。

図２（ｂ）と（ｃ）の使い分けは、スイッチングレギュレータの出力とシリーズレギュレータの出力との間の大小関係に応じて行われる。すなわち、シリーズレギュレータ１２の出力電圧レベルよりもスイッチングレギュレータ１４の出力電圧レベルが高い場合には、図２（ｂ）のように、コイル電流が上側に上昇するタイミングで切換を行うことが好ましく、逆にシリーズレギュレータ１２の出力電圧レベルよりもスイッチングレギュレータ１４の出力電圧レベルが低い場合には、図２（ｃ）のように、コイル電流が下側に下降するタイミングで切換を行うことが好ましい。

本発明に係る実施の形態における電源回路の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態においてループ切換タイミングの調整を説明する図である。

符号の説明

１０電源回路、１２シリーズレギュレータ、１４スイッチングレギュレータ、１６供給端子、１８平滑コンデンサ、２０制御部、３０エラーアンプ、３２基準電圧、３４ＰＷＭアンプ、３６発振回路、３８出力ドライバ、４０コイル、４２比較切換スイッチ、４４ループ切換スイッチ、４６ＤＣ変換部、４８出力端子、５０，５２フィードバックループ、５４信号線。

Claims

スイッチングレギュレータの出力とシリーズレギュレータの出力とを切り換えて負荷に供給する電源回路において、
スイッチングレギュレータは、
一方端子に入力される基準電圧と、比較入力切換スイッチを介して他方端子に入力される電圧との間の誤差を誤差信号として生成するエラーアンプと、
誤差信号に応じてデューティ比を可変したＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ回路部と、
ＰＷＭ回路部と出力端子との間に設けられるコイルと、
ＰＷＭ回路部とコイルとの間に設けられるループ切換スイッチと、
出力端子の出力電圧をエラーアンプの他方端子側に戻す第１フィードバックループと、
ＰＷＭ信号をＤＣ信号に変換してエラーアンプの他方端子側に戻す第２フィードバックループと、
を有し、
スイッチングレギュレータを始動させるときに、ループ切換スイッチによってＰＷＭ回路部とコイルとの間の接続を切断し、比較入力切換スイッチを第２フィードバックループ側に接続し、予め定めた所定条件を満たした後に、ループ切換スイッチによってＰＷＭ回路部とコイルとの間を接続し、比較入力切換スイッチを第１フィードバックループ側に接続することを特徴とする電源回路。
請求項１に記載の電源回路において、
ループ切換スイッチによるコイルへの接続を、接続切換後のコイルからの最初の出力パルス信号について半波となるタイミングで行うことを特徴とする電源回路。
請求項２に記載の電源回路において、
制御部は、スイッチングレギュレータの出力とシリーズレギュレータの出力との間の大小関係に応じて、半波となるタイミングについて、最初の出力パルス信号が上側又は下側から始まる半波となるタイミングを選択することを特徴とする電源回路。