JP4981799B2

JP4981799B2 - 位相シフトを用いたスイッチング電源の制御

Info

Publication number: JP4981799B2
Application number: JP2008519323A
Authority: JP
Inventors: トッドエフ．シッフ
Original assignee: アナログデバイス，インコーポレイテッド
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-06-06
Also published as: CN101213629B; TW200705780A; US20070001655A1; JP2009500992A; TWI316780B; CN101213629A; WO2007005183A3; US7443150B2; WO2007005183A2

Description

本願は、ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｎｔｒｏｌＷｉｔｈＰｈａｓｅＳｈｉｆｔという名称の、２００５年１０月３日出願の米国特許出願１１／２４３５２０、および２００５年６月３０日出願の米国仮出願６０／６９５９３６からの優先権を主張するものである。これらを、参照により組み込む。

図１は、パルス幅変調（ＰＷＭ）を利用する従来型のスイッチング電源制御システムを示す。電力コンバータ１０が、電源ＶＣＣから負荷１２への電力の流れを、パルス幅変調信号ＰＷＭに応答して制御する。電力コンバータは、典型的なバック（ｂｕｃｋ）構成の形に構成された単一のスイッチング・トランジスタＱ１、コイルＬ１、およびダイオードＤ１を含む。誤差増幅器１６が、出力の何らかの尺度をもたらす帰還信号ＦＢと入力制御信号ＶＩＮとの差を増幅することによって、誤差信号ＶＥＲＲを生成する。コントローラ１４が、調整された出力、一般に定電圧が負荷にもたらされるように、電力コンバータ内のスイッチング・トランジスタを制御するＰＷＭ信号をＶＥＲＲに応答して生成する。

図２は、コントローラ１４によって生成されるＰＷＭ信号の波形例を示す。時間ｔ０に、ＰＷＭ信号がオン状態にスイッチし、それにより電力コンバータ１０内のスイッチング・トランジスタがオンになる。時間ｔ１に、ＰＷＭ信号がオフ状態にスイッチし、それにより、スイッチング・トランジスタがオフになる。パルス幅は、その間にＰＷＭ信号がオン状態にあるｔ０からｔ１までの時間である。図２の波形は、ＰＷＭ信号の連続するオン遷移とオン遷移との間の時間である周期Ｔを有する。負荷への電力量を制御するためには、コントローラが、ＰＷＭ信号がオフにスイッチする時間ｔ１を変化させることによりＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ・サイクル）を変化させる。例えば、負荷に供給されている電力量が少なすぎる場合、コントローラは、電力コンバータ内のトランジスタ・スイッチがスイッチング・サイクルのより長い部分の間オンであるように、スイッチをより長くｔ１’までオンのままにすることができる。反対に、負荷に供給されている電力量が少なすぎる場合、コントローラは、スイッチがスイッチング・サイクルのより短い部分の間オンであるように、スイッチをｔ１’’までしかオンのままにしないことができる。オン時間は、連続した出力調整をもたらすために、各スイッチング・サイクル中に変化してよい。

上述の例は、各スイッチング・サイクル中の第２のスイッチング事象（この場合、ターン・オフ事象）が変化するので、立下りエッジ変調と呼ぶことができる。立上りエッジ変調では、第１のスイッチング事象（例えばターン・オン時間）が変化するとともに、ＰＷＭ信号が固定時間にオフになる。

ＰＷＭスイッチング電源の過渡応答を改善するためのさまざまな技法が提案されてきた。１つの技法は、ＰＷＭ信号のスイッチング・サイクルを制御するために、電圧制御発振器（ＶＣＯ）を使用するものである。ＶＣＯに誤差信号を印加することによって、ＰＷＭ信号のスイッチング周波数を、一定の出力電圧を変化する負荷内に維持しようとして動的に変化させることができる。グリッチ・キャッチャ（ｇｌｉｔｃｈｃａｔｃｈｅｒ）と呼ばれる別の手法は、出力電圧が負荷の突然の増加に応答して降下するのを防止しようとして、一時的な出力電流パルスを直接、供給ＶＣＣから負荷内に供給するために、通常の制御ループを避けるものである。

本特許開示は、スイッチング電源に関する多数の発明を包含する。それらの本発明の原理は、独立した実用性を有し、独立に特許性がある。場合によっては、原理の一部がさまざまな組合せにおいて互いに利用される場合に、追加の利点が実現され、したがってさらに多くの特許性のある発明が生ずる。それらの原理は、無数の異なる実施形態において実現することができる。好ましい実施形態だけが以下に記述される。一部の特定の詳細が、好ましい実施形態を例示するために示されるが、他の同様に効果的な構成を、本特許開示の本発明の原理に従って案出することができる。したがって、本発明の原理は、本明細書に開示される特定の詳細に限定されない。

図３は、本特許開示の本発明の原理による制御システムを有するスイッチング電源の一実施形態を示す。図３の実施形態は、任意の適切なスイッチング電源トポロジを実施することができ、したがって、任意の適当な数および組合せのスイッチ、トランス、コイル、コンデンサ、ダイオードなどを含むことができる電力コンバータ１８を含む。説明を簡単にするために、この例での電力コンバータは、単一のＰＷＭ信号しか必要としない単一のスイッチング素子を有すると仮定することができるが、本発明の原理は、任意の特定のトポロジに限定されず、複数のＰＷＭ信号を利用する諸実施形態を包含することができる。

図３に示すＰＷＭ信号は、ＰＷＭ信号の位相を調整するための対応がなされているコントローラ２２によって生成される。図３の実施形態は、ＰＷＭ信号の位相を、負荷２０、電源ＶＣＣ、制御入力信号の変化など、動作条件の変化に応答してシフトさせるための位相シフト論理回路２４も含む。

この位相シフトは、本特許開示の本発明の原理によるＰＷＭ信号の一実施形態を示す図４を参照して、より良く理解することができる。ｔ０〜ｔ２までのスイッチング・サイクルが、負荷への出力を調整するために変化することができる時間ｔ１にＰＷＭ信号がオフにスイッチする、従来どおりの形で動作する。次のサイクルも、ｔ２〜ｔ３までの従来の「オン」パルスから開始し、その幅も、出力を制御するために変調される。しかし、ｔ３に開始するオフ時間中のある時点に、システムが動作条件の変化、例えば、電力需要を増大させる負荷の増加を検出する。ＰＷＭ信号が、通常予定されるターン・オン時間ｔ４までオフのままである場合、出力が許容できないレベルに降下する恐れがある。しかし、図４の実施形態では、変化した動作条件によりすばやく応答するために、ＰＷＭ信号がｔ４’にすばやくオンにし戻されて、ターン・オンが早められる。これにより、位相シフトがＰＷＭ信号に加えられ、ＰＷＭ信号は、後続のスイッチング・サイクル中に、通常の周期Ｔに戻る。

本特許開示の本発明の原理に従ってＰＷＭ信号を位相シフトさせる原理は、あらゆる形態のＰＷＭコンバータ・トポロジ、および立上りエッジ変調、立下りエッジ変調などを含む制御技法に適用することができる。例えば、立上りエッジ変調を用いた一実装形態では、通常のターン・オフ時間を待つのではなく、動作条件が変化するとすぐにＰＷＭ信号をオフにすることができる。図３に示す位相シフト論理回路２４は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの任意の適切な組合せの形で実装することができる。本特許開示の本発明の原理による諸実施形態は、誤差増幅器、出力センサなど、追加の装置を含むこともでき、それらは、図３に示す装置から分離しても、以下に説明するように、それらの装置と一体化して共働するように製作してもよい。

図５は、本特許開示の本発明の原理による制御システムを有するスイッチング電源の別の実施形態を示す。図５の実施形態では、コントローラが、発振器２６からのクロック信号および誤差増幅器２９からの誤差信号ＶＥＲＲに応答してＰＷＭ信号を生成する比較器２８を含む。位相シフト論理回路３２が、発振器２６をリセットすることによって、ＰＷＭ信号の位相をシフトさせる。この実施形態では、位相シフト論理回路が、誤差信号ＶＥＲＲを監視することによって動作条件の変化を検出する。

図６は、本特許開示の本発明の原理による、スイッチング電源制御システム用の位相シフト回路の一実施形態を示す。スイッチ３８、抵抗器Ｒ１、およびコンデンサＣ１が、サンプル・ホールド回路を形成し、サンプル・ホールド回路は、ＰＷＭ信号のオン時間中、スイッチが閉じられているときに誤差信号ＶＥＲＲを追跡する。ＰＷＭ信号がオフになると、比較器４０が、動作条件の変化を監視するために、Ｃ１上に保持されたＶＥＲＲのサンプリングされた値をＶＥＲＲの実時間値と比較する。比較器の出力端がリセット信号を生成し、リセット信号は、例えばＰＷＭ信号を制御する発振器をリセットすることによって、ＰＷＭ信号を位相シフトさせるのに使用することができる。雑音余裕度をもたらすために、かつ／またはＰＷＭ信号を位相シフトさせるためのしきい値レベルを設定するために、オフセット４２を比較器の入力端に追加することができる。このオフセットは、図６に示すように、ユーザ構成可能とすることができる。２つ以上のＰＷＭ信号を利用する多相電力コンバータに関する一実施形態では、全ての位相がオフのときはいつでも、サンプル・ホールド回路がサンプリングされた値を保持するように、それらのＰＷＭ信号の論理和をとることができる。

図７は、本特許開示の本発明の原理による制御システムを有するスイッチング電源の別の実施形態を示す。図７の実施形態は、本特許開示と共通の発明者を有する米国特許第６６８３４４１号に記載のように、複数の出力代表信号が制御目的で加算された、ＰＷＭ制御システム付きの２相電力コンバータを含む。電圧制御帰還増幅器Ａ２からの出力信号ＶＣＯＭＰが、好都合な誤差信号を位相シフト論理回路３９にもたらす。ＰＷＭ信号ＰＷＭ１およびＰＷＭ２が、ＯＲゲート４４において組み合わされて、サンプル・ホールド・スイッチ３８を制御する。比較器４４からのＲＥＳＥＴ出力が、動作条件の変化に応答してＰＷＭ信号を位相シフトさせるために、コントローラ２１０内の発振器をリセットする。したがって、過渡応答が改善された堅牢で共働的な制御システムを、追加の構成要素をほとんど追加せずに、ＰＷＭ制御システム内に既に存在している信号を利用することによって実現することができる。

以上、本特許開示の本発明の原理を、上記でいくつかの特定の実施形態例に即して説明してきたが、それらの実施形態は、本発明の概念から逸脱することなく、構成の点で詳細に修正することができる。したがって、かかる変更および修正は、添付の特許請求の範囲内にあると考えられる。

従来技術のＰＷＭスイッチング電源制御システムを示す図である。従来技術のＰＷＭスイッチング電源制御システムからのＰＷＭ信号の波形例を示す図である。本特許開示の本発明の原理による制御システムを有するスイッチング電源の一実施形態を示す図である。本特許開示の本発明の原理によるＰＷＭ信号の一実施形態を示す図である。本特許開示の本発明の原理による制御システムを有するスイッチング電源の別の実施形態を示す図である。本特許開示の本発明の原理による、スイッチング電源制御システム用の位相シフト回路の一実施形態を示す図である。本特許開示の本発明の原理による制御システムを有するスイッチング電源の別の実施形態を示す図である。

Claims

スイッチング電源に用いられるスイッチング電源制御システムであって、
前記スイッチング電源からの負荷への電力を制御するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成するためのコントローラと、
前記負荷の動作条件の変化に応答して、前記ＰＷＭ信号の位相をシフトさせるためのリセット信号を生成する位相シフト論理回路とを備え、
前記コントローラは、
前記位相シフト論理回路に接続され、前記スイッチング電源の出力に応答して、誤差信号を生成する誤差増幅器と、
前記位相シフト論理回路に接続され、クロック信号を生成する、前記位相シフト論理回路からの前記リセット信号に応答してリセット可能なクロック発振器と、
前記クロック発振器からの前記クロック信号および前記誤差増幅器からの前記誤差信号に応答して前記ＰＷＭ信号を生成する比較器とを備え、
前記位相シフト論理回路は、
前記誤差信号を監視することによって、前記動作条件の変化を検出し、
前記動作条件の変化が検出された場合、前記リセット信号を用いて前記クロック発振器をリセットすることによって、前記ＰＷＭ信号の前記位相をシフトさせ、前記発振器をリセットしない場合と比較して、前記発振器の次のクロック信号の出力を早めることを特徴とするスイッチング電源制御システム。
前記ＰＷＭ信号が、立下りエッジ変調され、前記ＰＷＭ信号の前記位相は、前記動作条件の変化に応答して前記ＰＷＭ信号がオンになることにより、シフトされる請求項１に記載のスイッチング電源制御システム。
前記ＰＷＭ信号が、立上りエッジ変調され、前記ＰＷＭ信号の前記位相は、前記動作条件の変化に応答して前記ＰＷＭ信号がオフになることにより、シフトされる請求項１に記載のスイッチング電源制御システム。
前記ＰＷＭ信号は、周期、および前記負荷への前記電力を制御するためのデューティ・サイクルを有し、
前記位相シフト論理回路は、前記誤差増幅器からの前記誤差信号に応答して、前記クロック発振器をリセットすることによって、前記周期を１回変更する請求項１に記載のスイッチング電源制御システム。
スイッチング電源を制御する方法であって、
リセット信号に応答してリセット可能なクロック発振器が生成したクロック信号に応答して、前記スイッチング電源からの負荷への電力を制御するためのＰＷＭ信号を生成するステップと、
前記スイッチング電源の出力に応答して、誤差信号を生成する誤差増幅器が生成した前記誤差信号を監視することによって、前記負荷の動作条件の変化を感知するステップと、
前記動作条件の変化に応答して、前記ＰＷＭ信号の位相をシフトさせるステップとを含み、
前記ＰＷＭ信号の前記位相をシフトさせる前記ステップは、
前記誤差信号を監視することによって、前記動作条件の変化を検出するステップと、
前記動作条件の変化が検出された場合、前記リセット信号を用いて前記クロック発振器をリセットすることによって、前記ＰＷＭ信号の前記位相をシフトさせ、前記発振器をリセットしない場合と比較して、前記発振器の次のクロック信号の出力を早めることを含むことを特徴とする方法。
前記ＰＷＭ信号が、立下りエッジ変調され、前記ＰＷＭ信号の位相をシフトさせることが、前記動作条件の変化に応答して、前記ＰＷＭ信号をオンにすることを含む
請求項５に記載の方法。
前記ＰＷＭ信号が、立上りエッジ変調され、前記ＰＷＭ信号の位相をシフトさせることが、前記動作条件の変化に応答して、前記ＰＷＭ信号をオフにすることを含む
請求項５に記載の方法。
前記ＰＷＭ信号は、周期、および前記負荷への前記電力を制御するためのデューティ・サイクルを有し、
前記位相シフト論理回路は、前記誤差増幅器からの前記誤差信号に応答して、前記クロック発振器をリセットすることによって、前記周期を１回変更する請求項５に記載の方法。
スイッチング電源に用いられるスイッチング電源制御システムであって、
前記スイッチング電源からの負荷への電力を制御するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成するためのコントローラと、
前記負荷の動作条件の変化に応答して、前記ＰＷＭ信号の位相をシフトさせるためのリセット信号を生成する位相シフト論理回路とを備え、
前記コントローラは、
前記位相シフト論理回路に接続され、前記スイッチング電源の出力に応答して、誤差信号を生成する誤差増幅器と、
前記位相シフト論理回路に接続され、クロック信号を生成する、前記位相シフト論理回路からの前記リセット信号に応答してリセット可能なクロック発振器とを備え、
前記位相シフト論理回路は、
前記ＰＷＭ信号のオン時間中、前記誤差信号を追跡および保持することによって、前記誤差信号のサンプル値を保持するサンプル・ホールド回路と、
前記ＰＷＭ信号がオフになると、前記誤差信号と前記誤差信号の前記サンプル値とを比較し、前記リセット信号を生成する比較器とを備え、
前記比較器を用いて、前記誤差信号を監視することによって、前記動作条件の変化を検出し、
前記動作条件の変化が検出された場合、前記リセット信号を用いて前記クロック発振器をリセットすることによって、前記ＰＷＭ信号の前記位相をシフトさせ、前記発振器をリセットしない場合と比較して、前記発振器の次のクロック信号の出力を早めることを特徴とするスイッチング電源制御システム。
前記位相シフト論理回路は、さらに、前記比較器の入力端にオフセットを追加するオフセット回路を備えること請求項９に記載のスイッチング電源制御システム。
前記オフセット回路は、ユーザ構成可能である請求項１０に記載のスイッチング電源制御システム。