JP5193954B2 - スイッチング電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電源システムの１種であるスイッチング電源に関して、特にノイズの低減に関するものである。

近年の電気機器を構成する回路基板では、複数のLSIが多種の電圧を必要としており、回路基板上に多数のオンボード電源を実装して、必要な電圧レベルを供給している。このオンボード電源にはいくつかの種類があるが、電流量が多い給電系では電力効率向上に適したスイッチング電源が採用されるケースが多い。このスイッチング電源はスイッチング動作によって入力電圧からパルス電圧を生成し、それを平滑化して出力電圧を生成している。

一方でスイッチング電源は、その方式上スイッチオン・オフを繰り返すため、平滑化前のスイッチングノードには、スイッチオン・オフに伴う入力電圧振幅のパルス電圧波形や、基板パターン上の寄生インダクタンスに急峻な電流変化が加えられることよる高周波電圧波形が生じる。これらの電圧波形を持つスイッチノードの基板パターンの近傍に、信号配線や観測線、制御線等の基板パターンを配置すると基板パターン間の寄生容量による結合の影響によって、スイッチノード近傍の基板パターンにノイズが伝播し、誤動作の一因となる。また、スイッチングノイズ源となるパルス電圧の振幅が大きい場合、このスイッチングノイズは、振幅が小さい他の信号パターンからのノイズよりも影響が大きく、ノイズ対策のために配線間隔を広くする必要があり、昨今の実装密度向上を妨げる要因となっている。

このためスイッチトランジスタを制御する信号のスルーレートを装置の稼動状態に応じて変化することで、スイッチングノイズを低減する方法(特開2006-129593)や、スイッチングノイズのアナログ回路への影響を低減するために電源回路を別基板とする方法(特開2001-137220)、スイッチ用トランジスタを複数段設けて順に動作させることでノイズを低減する方法(WO00/13318)等が考案されている。

但しスイッチングノイズを低減させるためにスイッチトランジスタの制御信号のスルーレートを緩やかにした場合、スイッチング損失が増加し電力効率が悪化することから無制限に緩やかにすることも出来ない。またスイッチ用トランジスタを複数段設けて順に動作させることで、電流変化は緩やかになるがスイッチング電源の方式上、どうしても入力電圧と同じ振幅のパルスは生じてしまい、このパルス起因のノイズは低減が困難である。一方で電源回路を別基板とする方法は、上記ノイズ対策への１つの方策であるが、別基板用のスペース確保の必要性や、別基板を設けることによるコストアップ、また別基板とすることで給電ルートが延びて給電ロス等のデメリットも生じてしまう。

特開2006-129593 特開2001-137220 WO00/13318

解決しようとする課題は、電気機器に所望の電圧を供給するスイッチング電源システムにおいて、実装効率と電力効率を悪化させずにスイッチングノイズを低減することが困難な点である。

上記課題を解決するために本発明では次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

本発明は、スイッチングノイズを低減するためにパルス生成スイッチに隣接してノイズキャンセル用スイッチを配置し、ノイズ源となるスイッチノードの電圧波形を打ち消す逆極性の電圧波形をノイズキャンセル用スイッチノードに加えることで、スイッチノードとノイズキャンセル用スイッチノード間で電界を打ち消しあい、スイッチノードから近傍の信号配線に寄生容量の結合によって伝播するノイズを低減する。一方でこのままではノイズキャンセル用スイッチを配置した面積およびノイズキャンセル用スイッチを駆動することによる電力損失分が増加してしまう。このため本発明はノイズキャンセル用スイッチの配置と同時に、ノイズキャンセル用スイッチの出力を有効利用することを特徴とする。スイッチ切り換えタイミングがパルス生成スイッチ出力の電圧調整に依存するために、隣接するノイズキャンセル用スイッチノードのパルス幅は調整できず、パルス幅に依存する出力電圧も調整できない。このノイズキャンセル用スイッチの出力電圧を任意の値に調整するために、前記ノイズキャンセル用スイッチノードのパルス電圧やパルス幅やフィルタによる平滑化後の出力電圧を観測し、ノイズキャンセル用スイッチの出力に任意のパルスを付加するパルス付加スイッチを持つことに本発明の最も主要な特徴がある。このパルス付加スイッチによってパルス幅を任意に変更することで、ノイズキャンセル用スイッチの出力電圧が調整可能となる。ノイズキャンセル用スイッチの出力を任意の値に調整し利用することで、実装効率と電力効率を悪化させずにノイズキャンセル用スイッチを用いてスイッチングノイズを低減することが可能となる。

本発明のスイッチング電源システムは、スイッチングノイズを相殺する方向に動作するノイズキャンセル用スイッチを付加することによってノイズを低減し、ノイズキャンセル用スイッチの出力にパルス付加スイッチや従来の電源システムを配置することによって、実装効率と電力効率を悪化させずにスイッチングノイズを低減可能とする。またスイッチングノイズを低減することによって、他の信号配線とスイッチング電源システム間の配線間隔を狭めて更に実装効率を向上することが可能となる。

基本構成を示す簡単な回路図とスイッチング動作の模式図である。 出力電圧を有効利用する電源構成図である。 図１の応用形の電源構成図である。

以下に発明の実施例を図１から図２、図３を参照して説明する。図１(a)は本発明の回路構成イメージを主要部品で示した一例であり、図１(b)は上記の回路構成時のスイッチオンオフタイミングを、図１(c)はスイッチングノードのスイッチング電圧波形を模式的に示した例である。

図１(a)において、スイッチを１１、１２、２１、２２、３１、３２に示す。従来のスイッチング電源でも用いられているパルス生成スイッチ１１、１２は、出力電圧を生成するためにパルス電圧波形を得るように、図１(b)に示すスイッチ１１の動作やスイッチ１２の動作に示すタイミングで交互にオンオフを繰り返す。このパルス生成スイッチに隣接して実装するノイズキャンセル用スイッチ２１、２２は、図１(b)のスイッチ２１の動作やスイッチ２２の動作に示すようにパルス生成スイッチ１１、１２と同じタイミングで但し電圧はパルス生成スイッチ１１、１２に相反する方向でオンオフを繰り返す。上記動作によってスイッチングノード１５とノイズキャンセル用スイッチングノード２５に生成されるスイッチ電圧波形の模式図を図１(c)に示す。スイッチングノード１５とノイズキャンセル用スイッチングノード２５の電圧波形は相互に相反する電圧方向に変化するため、スイッチノード１５とノイズキャンセル用スイッチノード２５間で電界を打ち消しあい、両方のスイッチノード１５、２５から近傍の信号配線に寄生容量の結合によって伝播するノイズを低減することが出来る。

一方でノイズキャンセル用スイッチ２１、２２を配置した分、部品数が増加してこのままでは実装効率と電力効率が低下する。この対策としてノイズキャンセル用スイッチ２１、２２の出力電圧を有効活用するための工夫の一つがパルス付加スイッチ３１、３２である。前記ノイズキャンセル用スイッチ出力ノード２５のパルス電圧やパルス幅やフィルタによる平滑化後のノード３８の電圧を観測し、所望の出力電圧に調整するために制御回路４０の指令を受けたパルス付加スイッチ３１、３２がノイズキャンセル用スイッチ出力ノード２５の電圧波形にパルスを付加する。例えば平滑化後のノード３８の電圧が所望の電圧よりも低いと制御回路４０が判断した場合、スイッチングノード３５の波形のＨｉｇｈ時間を増やしＬｏｗ時間を減らして所望の電圧に調整するため、図１(b)に示すスイッチ３１の動作のオフ時間およびスイッチ３２の動作のオン時間を減らすように制御回路から各スイッチ３１、３２に制御信号を送る。逆にノード３８の電圧が所望の電圧よりも高い場合、スイッチングノード３５の波形のＨｉｇｈ時間を減らしＬｏｗ時間を増やして所望の電圧に調整するため、スイッチ３１の動作のオフ時間およびスイッチ３２の動作のオン時間を増やすように制御回路４０から各スイッチ３１、３２に制御信号を送る。パルスを付加した模式波形が図１(c)のノード３５の波形である。このパルス付加によってノイズキャンセル用スイッチ２１、２２の出力も任意の電圧に調整して有効に活用可能となる。このパルス付加スイッチ３１、３２によって実装効率と電力効率を悪化させずに、ノイズキャンセル用スイッチ２１、２２を用いてスイッチングノイズを低減することが可能となる。

図１のパルス付加スイッチ３１、３２の代わりに従来の電源システム７０をノイズキャンセル用スイッチ２１、２２の出力ノード２８に接続することで、ノイズキャンセル用スイッチ２１、２２の出力を所望の電圧に変換し有効利用することを可能としたのが図２の電源システムである。図２(b)は従来の電源システム７０にリニアレギュレータを用いた場合のノード１５、１８、２５，２８、７８の電圧波形の模式図を示したものである。スイッチの出力ノード１５と２５は同じタイミングで相反する電圧方向に切り替わっているためスイッチングノイズは低減される。ノード１５、２５の電圧波形のフィルタ後が、ノード１８、２８の波形である。ノイズキャンセル用スイッチの出力ノード２８の電圧は、ノード２５のパルス電圧とパルス幅に依存するため任意の値に調整できないが、出力ノード２８の後段に電源システム７０を配置することでノード７８に任意の電圧を出力することができる。

図１のパルス付加スイッチ３１、３２のノイズも低減する必要がある場合に、ノイズキャンセル用スイッチやパルス付加スイッチを追加して実装効率や電力効率を悪化させずにノイズ低減を実現する電源システムが図３である。具体的には図１のパルス付加スイッチ３１、３２に対してノイズキャンセル用スイッチ４１、４２を隣接付加し、このノイズキャンセル用スイッチ４１、４２の出力にパルス付加スイッチ５１、５２を付加することで、ノイズ低減が可能となる。また図１や図３よりもノイズキャンセル用スイッチとパルス付加スイッチの段数を更に増やすことも可能である。

１０ 入力電圧ノード
１１、１２ パルス生成スイッチ
２１、２２、４１、４２ ノイズキャンセル用スイッチ
３１、３２、５１、５２ パルス付加スイッチ
１３、１４、２３、２４、３３、３４、４３、４４、５３、５４ スイッチ制御信号
１５、２５、３５、４５、５５ スイッチノード
１８、３８、５８、７８ 出力電圧ノード
４０ 制御回路
５０、６０、８０ ノイズを低減するスイッチング回路システム

Claims (2)

1. 直流電圧が入力される入力電圧ノードと、前記入力ノードとグランドとの間に接続され第１のパルス電圧を生成する第１のスイッチと第２のスイッチから成るパルス生成スイッチと、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチ間の接続ノードに接続され前記第１のパルス電圧が入力される第１の平滑回路と、前記第１の平滑回路で平滑された電圧を出力する第１の出力電圧ノードと、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチの排他的なオンオフを制御する制御回路を有するスイッチング電源システムにおいて、
   前記入力ノードとグランドとの間に接続され第２のパルス電圧を生成する第３のスイッチと第４のスイッチから成るノイズキャンセル用スイッチを前記パルス生成スイッチに隣接して備え、更に、前記第３のスイッチと前記第４のスイッチ間の接続ノードとグランドとの間に接続され第３のパルス電圧を生成する第５のスイッチと第６のスイッチから成るパルス付加スイッチと、前記第５のスイッチと前記第６のスイッチ間の接続ノードに接続され前記第３のパルス電圧が入力される第２の平滑回路と、前記第２の平滑回路で平滑された電圧を出力する第２の出力電圧ノードとを備え、
   前記制御回路は前記第３のスイッチと前記第４のスイッチの排他的なオンオフを前記第１のスイッチと前記第２のスイッチの排他的なオンオフとはオンとオフが逆になるように制御し、前記第５のスイッチと前記第６のスイッチの排他的なオンオフ時間を任意に制御することを特徴とするスイッチング電源システム。
2. 直流電圧が入力される入力電圧ノードと、前記入力ノードとグランドとの間に接続され第１のパルス電圧を生成する第１のスイッチと第２のスイッチから成るパルス生成スイッチと、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチ間の接続ノードに接続され前記第１のパルス電圧が入力される第１の平滑回路と、前記第１の平滑回路で平滑された電圧を出力する第１の出力電圧ノードと、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチの排他的なオンオフを制御する制御回路を有するスイッチング電源システムにおいて、
   前記入力ノードとグランドとの間に接続され第２のパルス電圧を生成する第３のスイッチと第４のスイッチから成るノイズキャンセル用スイッチを前記パルス生成スイッチに隣接して備え、更に、前記第３のスイッチと前記第４のスイッチ間の接続ノードに接続され前記第２のパルス電圧が入力される第３の平滑回路と、前記第３の平滑回路で平滑された電圧を入力するレギュレータと、前記レギュレータでレギュレートされた電圧を出力する第３の出力電圧ノードとを備え、
   前記制御回路は前記第３のスイッチと前記第４のスイッチの排他的なオンオフを前記第１のスイッチと前記第２のスイッチの排他的なオンオフとはオンとオフが逆になるように制御することを特徴とするスイッチング電源システム。

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