JP5636386B2 - スイッチング電源装置およびその制御回路 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチおよびローパスフィルタを有するスイッチング電源装置およびその制御回路に関する。

スイッチング電源装置は、小型化が可能なため、種々の電子機器で使用されている。スイッチング電源装置を用いて、ＣＰＵなどの負荷電流が大きく変化する電子部品を駆動する場合、負荷電流が変動したときに出力電圧を迅速に所望の電圧に復帰させる制御が必要となる。

このような制御を行う従来の技術として、スイッチング電源装置内のローパスフィルタを構成するインダクタまたはキャパシタに、負荷変動時に電流の供給または電流の引き込みを行う専用の電流パスを設ける技術が提案されている。

しかしながら、このような電流パスを設けても、負荷変動量に応じて出力電圧も変化してしまうため、出力電圧を所望の電圧に設定するまでの間は出力電圧の変動を抑制できない。

また、スイッチング電源装置の出力電圧線に複数の電流源を接続して、これら電流源のうち実際に動作させる電流源を負荷変動量にて選択する技術も提案されているが、各電流源が動作するタイミングがそれぞれ異なるため、やはり負荷変動量に応じて出力電圧が変化し、出力電圧を所望の電圧に復帰させるまでは出力電圧の変動を抑制できない。

Shenoy, P.S.; KreIN, P.T.; Kapat, S.;「Beyond TIme-OptImalIty: Energy-Based Control of Augmented Buck ConVerters for Near Ideal LOAD TransIent Response」APEC,2011 March

本発明は、負荷変動に対して迅速に出力電圧の変動を抑制できるスイッチング電源装置およびその制御回路を提供するものである。

本実施形態によれば、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを切り替えて入力電圧から矩形波電圧を生成し、前記矩形波電圧を、インダクタおよびキャパシタを有するローパスフィルタで平滑化して直流の出力電圧を生成するスイッチング電源装置の制御回路であって、前記スイッチング電源装置の負荷抵抗を流れる負荷電流が増加したときに、前記負荷抵抗に追加の電流を供給可能な第１電流源と、前記負荷抵抗を流れる負荷電流が減少したときに、前記負荷抵抗からの電流を引き込むことが可能な第２電流源と、前記負荷抵抗を流れる負荷電流の変化量が所定量を超えたことが検出された時点から、前記インダクタを流れる電流が前記負荷抵抗を流れる電流に等しくなる時点まで、前記第１電流源または前記第２電流源を動作させる追加電流制御部と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置の制御回路が提供される。

第１の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図。 （ａ）〜（ｅ）は負荷電流が増加する場合の図１のスイッチング電源装置１内の各部の波形図。 （ａ）〜（ｅ）は負荷電流が減少する場合の図１のスイッチング電源装置１内の各部の波形図。 追加電流制御部１３の内部構成の一例を示す回路図。 追加電流制御部１３の内部構成の他の例を示す回路図。 （ａ）〜（ｅ）は負荷電流が増加する場合の図１のスイッチング電源装置１内の各部の波形図。 鋸波状の追加電流を生成可能な追加電流制御部１３の内部構成の一例を示す回路図。 第２の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図。 第２の実施形態における追加電流制御部１３の内部構成の一例を示す回路図。 第３の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図。 第３の実施形態における追加電流制御部１３の内部構成の一例を示す回路図。 第４の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図。 第５の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図。 図１３のスイッチング電源装置１内の各部の波形図。 第６の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図である。図１のスイッチング電源装置１は、パワー段回路２と、制御回路３とを備えている。

パワー段回路２は、ハイサイドスイッチＳＷHと、ローサイドスイッチＳＷLと、ローパスフィルタ４とを有する。

ハイサイドスイッチＳＷHは、入力電圧線ＶINとローパスフィルタ４の入力端子との間に接続されている。ローサイドスイッチＳＷLは、接地線とローパスフィルタ４の入力端子との間に接続されている。ローパスフィルタ４は、ハイサイドスイッチＳＷHおよびローサイドスイッチＳＷLの接続ノードと出力電圧線ＶOUTとの間に接続されるインダクタＬ1と、出力電圧線ＶOUTと接地線との間に接続されるキャパシタＣ1とを有する。

図１のパワー段回路２は、入力電圧ＶINよりも電圧レベルの低い出力電圧ＶOUTを生成する降圧型であるが、昇圧型の回路構成にしてもよい。

出力電圧線ＶOUTには負荷抵抗ＲLOADが接続されている。本実施形態は、負荷抵抗ＲLOADを流れる電流が急激に変化した場合に出力電圧ＶOUTの変動を抑制することを念頭に置いている。

制御回路３は、ハイサイドスイッチＳＷHおよびローサイドスイッチＳＷLを制御するスイッチング制御回路５と、負荷変動に対する出力電圧ＶOUTの制御を行う負荷変動制御回路６とを有する。

図１では、スイッチング制御回路５の内部構成を省略しているが、出力電圧ＶOUTを基準電圧ＶREFと比較して、出力電圧ＶOUTが基準電圧ＶREFに一致するようにハイサイドスイッチＳＷHとローサイドスイッチＳＷLの切替を制御する。

制御回路３の全体がワンチップ化される場合や、制御回路３の一部である負荷変動制御回路６だけでワンチップ化される場合や、パワー段回路２の少なくとも一部と負荷変動制御回路６を含めてワンチップ化される場合などが考えられるが、チップ化するかどうかは任意である。

以下では、負荷変動制御回路６の構成および動作を中心に説明する。図１の負荷変動制御回路６は、第１電流源１１と、第２電流源１２と、追加電流制御部１３とを有する。

第１電流源１１は、負荷抵抗ＲLOADを流れる負荷電流ＩLOADが増加したときに、負荷抵抗ＲLOADに追加の電流を供給するために用いられる。第２電流源１２は、負荷電流ＩLOADが減少したときに、負荷抵抗ＲLOADからの電流を引き込むために用いられる。

追加電流制御部１３は、負荷電流ＩLOADの変化量が所定量を超えたことが検出された時点から、インダクタＬ1を流れる電流が負荷抵抗ＲLOADを流れる電流に等しくなる時点まで、第１電流源１１または第２電流源１２を動作させる制御を行う。また、追加電流制御部１３は、負荷電流ＩLOADの変化時にハイサイドスイッチＳＷHとローサイドスイッチＳＷLの切替を制御する。

より詳細には、追加電流制御部１３は、負荷電流ＩLOADとインダクタＬ1を流れる電流ＩL1との差分（ＩLOAD−ＩL1）が閾値ＩTHPより大きい場合は、第１電流源１１から出力電圧線ＶOUTに供給する追加電流ＩAUXPの電流量を決定する。この追加電流ＩAUXPは、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1が一致するまで供給される。追加電流制御部１３は、追加電流ＩAUXPを供給している間、ハイサイドスイッチＳＷHをオンし続けて、インダクタ電流ＩL1を増加し続ける。なお、ローサイドスイッチＳＷLはオフ状態を維持する。

また、追加電流制御部１３は、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1との差分（ＩLOAD−ＩL1）が閾値ＩTHMより小さい場合は、出力電圧線ＶOUTから第２電流源１２に引き込む追加電流ＩAUXMの電流量を決定する。この追加電流ＩAUXMは、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1が一致するまで供給される。追加電流制御部１３は、追加電流ＩAUXMを第２電流源１２に引き込んでいる間、ローサイドスイッチＳＷLをオンし続けて、インダクタ電流ＩL1を減少し続ける。なお、ハイサイドスイッチＳＷHはオフ状態を維持する。

図２は図１のスイッチング電源装置１内の各部の波形図であり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間内に負荷変動が生じて負荷電流ＩLOADが急増した例を示している。図２（ａ）は追加電流ＩAUXPの電流波形図、図２（ｂ）は負荷電流ＩLOADの電流波形図、図２（ｃ）はインダクタ電流ＩL1の電流波形図、図２（ｄ）は出力電圧ＶOUTの電圧波形図、図２（ｅ）はキャパシタＣ1を流れるキャパシタ電流ＩC1の電流波形図である。

図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ１以降、負荷電流ＩLOADは、ＩLOAD1からＩLOAD2に急上昇する。追加電流制御部１３がないとすると、スイッチング制御回路５の制御により、インダクタＬ1を流れるインダクタ電流ＩL1は時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて線形に上昇する。このため、インダクタＬ1だけだと、出力電圧ＶOUTが一時的に大きく落ち込むことになり、出力電圧ＶOUTが元の電圧値に復帰するまでに時間がかかってしまう。

そこで、本実施形態では、時刻ｔ１になると、ハイサイドスイッチＳＷHをオンにしてインダクタ電流ＩL1を流すだけでなく、第１電流源１１を動作させて、第１電流源１１からの追加電流ＩAUXPを負荷抵抗ＲLOADに供給する。追加電流ＩAUXPは、図２（ａ）に示すように、一定電流である。時刻ｔ１の時点では、負荷電流ＩLOADがＩLOAD1からＩLOAD2に急上昇したにもかかわらず、インダクタ電流ＩL1は線形にしか増加せず、また、追加電流ＩAUXPも一定電流であるため、時刻ｔ１直後の出力電圧ＶOUTは、図２（ｄ）に示すように、いったん大きく落ち込むものの、その後インダクタ電流ＩL1が線形に増加し、かつ一定の追加電流ＩAUXPも加わるため、出力電圧ＶOUTの低下の割合は急速に少なくなり、その後上昇に転じる。

追加電流制御部１３は、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1が一致した時刻ｔ２で、第１電流源１１からの追加電流ＩAUXPの供給を停止させる。したがって、時刻ｔ２以降は、スイッチング制御回路５のみの制御で、ハイサイドスイッチＳＷHとローサイドスイッチＳＷLの切替が行われることになる。

ローパスフィルタ４内のキャパシタＣ1を流れるキャパシタ電流ＩC1は、図２（ｅ）に示すように、時刻ｔ１では、Δｉだけ急減する。これは、負荷電流ＩLOADの増加に対応すべく、キャパシタＣ1からの放電電流が負荷抵抗ＲLOADに供給されるためである。その後、追加電流ＩAUXPの供給に伴って、キャパシタ電流は線形に増加する。

本実施形態では、時刻ｔ１〜ｔ２の間の負荷電流ＩLOADの増加による電荷量を図２（ｂ）に示すようにＱ１とし、時刻ｔ１〜ｔ２の間のインダクタ電流ＩL1の増加による電荷量を図２（ｃ）に示すようにＱ２とすると、Ｑ１とＱ２との差分Ｑ３が電荷の不足量であり、この不足分Ｑ３を、図２（ａ）に示す追加電流ＩAUXPによる電荷量Ｑ４（＝Ｑ３）で補充することで、時刻ｔ２で出力電圧ＶOUTを元の電圧レベルに復帰させる。

図３は時刻ｔ１〜ｔ２の期間内に負荷変動が生じて負荷電流ＩLOADが急減した場合のスイッチング電源装置１内の各部の波形図である。

図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１以降、負荷電流ＩLOADは、ＩLOAD1からＩLOAD2に急低下する。追加電流制御部１３がないとすると、スイッチング制御回路５の制御により、インダクタＬ1を流れるインダクタ電流ＩL1は時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて線形に低下する。このため、インダクタＬ1だけだと、出力電圧ＶOUTが一時的に大きく上昇することになり、出力電圧ＶOUTが元の電圧値に復帰するまでに時間がかかってしまう。

そこで、本実施形態では、時刻ｔ１になると、第２電流源１２を動作させて、負荷抵抗ＲLOADからの追加電流ＩAUXMを第２電流源１２に引き込む。追加電流ＩAUXMは、図３（ａ）に示すように、一定電流である。時刻ｔ１の時点では、負荷電流ＩLOADがＩLOAD1からＩLOAD2に急低下したにもかかわらず、インダクタ電流ＩL1は線形にしか電流を減らすことができず、また、追加電流ＩAUXMも一定電流であるため、時刻ｔ１直後の出力電圧ＶOUTは、図３（ｄ）に示すように、いったん大きく上昇するものの、その後インダクタ電流ＩL1が線形に減少し、かつ一定の追加電流ＩAUXMでの電流の引き込みもあるため、出力電圧ＶOUTの上昇の割合は急速に少なくなり、その後低下に転じる。

追加電流制御部１３は、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1が一致した時刻ｔ２で、第２電流源１２への追加電流ＩAUXMの引き込みを停止させる。したがって、時刻ｔ２以降は、スイッチング制御回路５のみの制御で、ハイサイドスイッチＳＷHとローサイドスイッチＳＷLの切替が行われることになる。

図４は上述した制御を行う追加電流制御部１３の内部構成の一例を示す回路図である。追加電流制御部１３の具体的な回路は、論理合成ツールにより自動生成することができるため、回路構成自体には特に特徴はなく、任意に変更可能である。したがって、本明細書では、追加電流制御部１３の具体的な回路の接続関係を説明する代わりに、追加電流制御部１３の特徴的な機能を説明する。

図４の追加電流制御部１３には、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1が入力される。また、追加電流制御部１３には、負荷電流ＩLOADの変動量を検出するための２種類の閾値ＩTHPとＩTHMが追加電流制御部１３に入力される。外部から閾値ＩTHPとＩTHMを入力することで、第１電流源１１と第２電流源１２を動作させるタイミングを任意に調整できるようにしている。

また、追加電流制御部１３からは、第１電流源１１を流れる電流ＩAUXPと、第２電流源１２を流れる電流ＩAUXMと、ハイサイドスイッチＳＷHをオンにするタイミング信号ＤHと、ローサイドスイッチＳＷLをオンにするタイミング信号ＤLとが出力される。

図４の追加電流制御部１３は、以下の１）〜７）の機能を持つように構成されている。
１）（ＩLOAD−ＩL1）＞ＩTHPであれば、第１電流源１１からの追加電流ＩAUXPを負荷抵抗ＲLOADに供給する。
２）追加電流ＩAUXPは一定電流である。
３）（ＩLOAD−ＩL1）＞ＩTHPであれば、ハイサイドスイッチＳＷHをオンにし、ローサイドスイッチＳＷLをオフにする。
４）（ＩLOAD−ＩL1）＜ＩTHMであれば、負荷抵抗ＲLOADから第２電流源１２に追加電流ＩAUXMを引き込む。
５）追加電流ＩAUXMは一定電流である。
６）（ＩLOAD−ＩL1）＜ＩTHMであれば、ハイサイドスイッチＳＷHをオフにし、ローサイドスイッチＳＷLをオンにする。
７）ＩLOAD＝ＩL1になると、第１電流源１１と第２電流源１２の動作を停止させ、ハイサイドスイッチＳＷHとローサイドスイッチＳＷLの切替制御も停止する。

図４は、上記１）〜７）の機能を実現する回路の一例を示しており、回路構成は種々の変更が可能である。図４の追加電流制御部１３内には、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1との比較を行う比較器２０が設けられ、この比較器２０が負荷電流検出部に対応する。

次に、図２および図３の波形図を用いて、図１のスイッチング電源装置１内の各部の電流や電圧等を数式で説明する。負荷電流ＩLOADの変動が生じる前の負荷電流ＩLOADをＩLOAD1、このときのインダクタ電流をＩL1とすると、負荷電流ＩLOADの変動が生じる前の安定状態では、ＩLOAD1＝ＩL1である。

負荷電流ＩLOADが急増した場合の変動ΔＩは、以下の（１）式で表される。
ΔＩ＝ＩLOAD2−ＩLOAD1＝ＩLOAD2−ＩL1 …（１）

時刻ｔ１で、負荷電流ＩLOADがＩLOAD2に急増したとすると、この時点での出力電圧ＶOUT（ｔ１）は、以下の（２）式で表される。
ＶOUT（ｔ１）＝ＶREF−Ｃ1×∫ΔＩdt …（２）
上記（２）式の右辺より、出力電圧ＶOUT（ｔ１）は基準電圧ＶREFよりも小さくなり、キャパシタ電流ＩC1（ｔ１）＝−ΔＩに変化する。キャパシタ電流ＩC1がマイナスになっているのは、キャパシタＣ１の充電電荷が放電されて、負荷抵抗ＲLOADに流れることを示している。

追加電流制御部１３は、ΔＩがＩTHPを超えた場合には、制御信号ＤHによりハイサイドスイッチＳＷHをオンさせ、インダクタ電流ＩL1を増加させ続ける。また、第１電流源１１から負荷抵抗ＲLOADに追加電流ＩAUXPを供給する。追加電流ＩAUXPは、ＩLOADとＩL1に応じた電流であり、出力電圧線ＶOUTの電荷量Ｑ1により決められる。

時刻ｔ１〜ｔ２の間に負荷抵抗ＲLOADに流れ込む負荷電流ＩLOADに応じた電荷量Ｑ1は、以下の（３）式で表される。

時刻ｔ１〜ｔ２の間の時刻ｔにおけるインダクタ電流ＩL1（ｔ）は、以下の（４）式で表される。

時刻ｔ２では、上記（４）式は以下の（５）式のようになる。

時刻ｔ２では、ＩL1（ｔ２）＝ＩLOAD2が成り立つため、上記（１）式と（５）式から以下の（６）式が得られる。

上記（５）式と（６）式より、時刻ｔ１〜ｔ２の間にインダクタ電流ＩL1（ｔ）により供給される電荷量Ｑ２は、以下の（７）式で表される。

図２（ｃ）に示す、インダクタ電流から供給されない電荷量Ｑ３は、以下の（８）式で表される。

上記（８）式に示す電荷Ｑ３が、時刻ｔ１〜ｔ２の間に、第１電流源１１からの追加電流ＩAUXP（ｔ）によって負荷抵抗ＲLOADに供給される。追加電流ＩAUXP（ｔ）が時刻ｔ１〜ｔ２の間に負荷抵抗ＲLOADに供給する電荷Ｑ４は、以下の（９）式で表される。

上記（９）式を満たす追加電流ＩAUXP（ｔ）が一例として、図２（ａ）の時刻ｔ１〜ｔ２の間、一定電流を流す矩形波電流であるとすると、追加電流ＩAUXPは時刻ｔ１〜ｔ２では以下の（１０）式で表され、それ以外の期間では０である。

追加電流制御部１３は、上記（１０）式の追加電流ＩAUXPが負荷抵抗ＲLOADに供給されるように、第１電流源１１を制御する。この場合の追加電流制御部１３の内部構成は、例えば図５のようになる。図４の追加電流制御部１３は、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩLとの差分（ＩLOAD−ＩL）をサンプルホールドした後に、所定の演算を行って追加電流ＩAUXPを生成していたが、図５では、所定の演算として、２で割る演算を行っており（図５の符号２１）、これにより、上述した（１０）式で示す追加電流ＩAUXPが得られる。

このように、負荷電流ＩLOADが増加した場合には、インダクタ電流ＩL1を増やすだけでなく、第１電流源１１から負荷抵抗ＲLOAD側に追加電流ＩAUXPを供給するようにしたため、出力電圧ＶOUTの変動を迅速に抑制可能となる。

次に、負荷電流ＩLOADが急激に減少した場合について説明する。負荷電流ＩLOADが急減した場合の変動ΔＩは、上述した（１）式で表される。

時刻ｔ１で、負荷電流ＩLOADがＩLOAD1からＩLOAD2に急減したとすると、この時点での出力電圧ＶOUT（ｔ１）は、以下の（１１）式で表される。
ＶOUT（ｔ１）＝ＶREF＋Ｃ1×∫ΔＩdt …（１１）

上記（１１）式の右辺より、出力電圧ＶOUT（ｔ１）は基準電圧ＶREFより高くなり、キャパシタＣ１に充電がなされるため、そのキャパシタ電流ＩC1（ｔ１）＝ΔＩによる電圧分だけ増加する。

ΔＩがＩTHMを超えた場合には、制御信号ＤLによりローサイドスイッチＳＷLをオンさせ、インダクタ電流ＩL1を減らし続ける。また、負荷抵抗ＲLOADから第２電流源１２に追加電流ＩAUXMを引き込む。追加電流ＩAUXMは、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1に応じた電流であり、出力電圧線ＶOUTの電荷量Ｑ１により決められる。

時刻ｔ１〜ｔ２の間に負荷抵抗ＲLOADから第２電流源１２に引き込む追加電流ＩAUXMに応じた電荷Ｑ４は、以下の（１２）式で表される。

上記（１２）式を満たす追加電流ＩAUXM（ｔ）が、一例として、図３（ａ）の時刻ｔ１〜ｔ２の間、一定電流を流す矩形波電流であるとすると、追加電流ＩAUXMは時刻ｔ１〜ｔ２の間は以下の（１３）式で表され、それ以外の期間は０である。

追加電流制御部１３は、上記（１１）式の追加電流ＩAUXMが負荷抵抗ＲLOADから第２電流源１２に引き込まれるように、第２電流源１２を制御する。この場合の追加電流制御部１３の内部構成も、例えば図５でよい。

図２と図３の場合はいずれも、矩形波状の追加電流ＩAUXP、ＩAUXMを第１電流源１１または第２電流源１２に流すため、出力電圧ＶOUTがいったん低下したり上昇したりする。これは、負荷電流ＩLOADが変動した直後の追加電流が不足しているためである。そこで、負荷電流ＩLOADが変動した場合のインダクタ電流の波形に合わせて、鋸波状の追加電流を第１電流源１１または第２電流源１２に流すようにすれば、負荷電流ＩLOADが変動した直後に追加電流が不足しなくなり、出力電圧ＶOUTの変動も抑制できる。

図６は負荷電流ＩLOADが増加した場合に鋸波状の追加電流を負荷抵抗ＲLOADに供給する場合のスイッチング電源装置１内の各部の波形図である。図６の追加電流ＩAUXP（ｔ）は以下の（１４）式で表される。
ＩAUXP（ｔ）＝（ＩLOAD2−ＩLOAD1）−（ＩL（ｔ）−ＩLOAD1）
＝ＩLOAD2−ＩL（ｔ） …（１４）

追加電流ＩAUXP（ｔ）は、時刻ｔ１〜ｔ２の期間内は上記（１４）式で表され、それ以外の期間は０である。

図７は鋸波状の追加電流を生成可能な追加電流制御部１３の内部構成の一例を示す回路図である。図７の追加電流制御部１３は、上述した１）〜７）の機能のうち、２）と５）の機能が異なっており、追加電流を一定電流ではなく鋸波電流にしたものである。より具体的には、図７の点線で囲んだ部分２２で、上述した（１４）式の演算を行う。

このように、第１の実施形態では、負荷変動により負荷電流ＩLOADが閾値を超えた場合には、追加電流を第１電流源１１または第２電流源１２に流すようにしたため、負荷変動による出力電圧ＶOUTの変動を迅速に抑制できる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、負荷電流ＩLOADを追加電流制御部１３に入力して、負荷電流ＩLOADにより負荷変動を検出していた。これに対して、以下に説明する第２の実施形態は、ローパスフィルタ４内のキャパシタＣ1を流れるキャパシタ電流により負荷変動を検出するものである。

図８は第２の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図である。図８のスイッチング電源装置１は、ブロック構成自体は図１と同様であるが、追加電流制御部１３の入力信号が図１とは異なっている。図８の追加電流制御部１３には、キャパシタ電流ＩC1が入力され、その代わりに、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1は入力されない点で図１と異なっている。

図２に示したように、時刻ｔ１で負荷電流ＩLOADが急増した場合、キャパシタ電流ＩC1は以下の（１５）式で表される。
ＩC1（ｔ１）＝−（ＩLOAD2−ＩLOAD1）＝−ΔＩ …（１５）

この（１５）式からわかるように、キャパシタ電流ＩC1は、負荷電流ＩLOAD1、ＩLOAD2に依存する。よって、時刻ｔ１で負荷抵抗ＲLOADを流入出する電流量をΔＩから決めることが可能であり、ＩL1（ｔ）＝ＩLOAD2になる時刻ｔ２も、キャパシタ電流がＩC1（ｔ２）になるタイミングで検出可能である。

例えば、第１電流源１１から矩形波電流ＩAUXPを負荷抵抗ＲLOADに供給する場合、Ｉ＝ΔＩ／２として電流を流し続けたときのＩL1（ｔ）＝ＩLOAD2になる時刻ｔ２は、キャパシタ電流ＩC1（ｔ２）がΔＩ／２になるタイミングである。

図９は第２の実施形態における追加電流制御部１３の内部構成の一例を示す回路図である。図９の追加電流制御部１３は、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1の代わりに、キャパシタ電流ＩC1を入力する点で図４の追加電流制御部１３とは異なっているが、実質的な回路構成は図４と同じである。キャパシタ電流ＩC1は、図９のキャパシタ電流検出部２３で検出される。

このように、第２の実施形態では、ローパスフィルタ４内のキャパシタ電流ＩC1を追加電流制御部１３に入力して負荷変動量を検出するため、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1を追加電流制御部１３に入力しなくても、第１電流源１１と第２電流源１２の動作タイミングを設定できる。

（第３の実施形態）
以下に説明する第３の実施形態は、出力電圧ＶOUTと基準電圧ＶREFにより負荷変動を検出するものである。

図１０は第３の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図である。図１０のスイッチング電源装置１は、ブロック構成自体は図１と同様であるが、追加電流制御部１３の入力信号が第１および第２の実施形態とは異なっている。図１０の追加電流制御部１３には、出力電圧ＶOUTと基準電圧ＶREFが入力され、その代わりに、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1は入力されない点で図１とは異なっている。

出力電圧ＶOUT（ｔ）がわかれば、以下の（１６）式により負荷電流ＩLOAD（ｔ）を求めることができる。

（１６）式に示すように、出力電圧ＶOUT(t)の変化量から負荷電流ＩLOAD（ｔ）を求めることができる。第１の実施形態では、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1が等しくなった時点で第１または第２電流源１１，１２の動作を停止させているが、第３の実施形態では、負荷変動後に、出力電圧ＶOUTが基準電圧ＶREFと一致した時点で第１または第２電流源１１，１２の動作を停止させる。このことは、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1が等しくなることと等価である。

例えば、第１または第２電流源１１，１２に矩形波電流を流す場合は、追加電流ＩAUXPまたはＩAUXMがΔＩ／２として電流を流し続け、出力電圧ＶOUTが基準電圧ＶREFに一致した時点で第１または第２電流源１１，１２の動作を停止させる。

図１１は第３の実施形態における追加電流制御部１３の内部構成の一例を示す回路図である。図１１の追加電流制御部１３は、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1の代わりに、出力電圧ＶOUTと基準電圧ＶREFを入力する点で図４の追加電流制御部１３とは異なっているが、実質的な回路構成は図４と同じである。出力電圧ＶOUTは、図１１の出力電圧検出部２４で検出される。

このように、第３の実施形態では、出力電圧ＶOUTと基準電圧ＶREFを追加電流制御部１３に入力して負荷変動量を検出するため、負荷電流ＩLOADとインダクタ電流ＩL1を追加電流制御部１３に入力しなくても、第１電流源１１と第２電流源１２の動作タイミングを設定できる。

（第４の実施形態）
以下に説明する第４の実施形態は、複数の電流源と、各電流源を動作させるか否かを切り替える複数の切替器とを設けるものである。

図１２は第４の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図である。図１２のスイッチング電源装置１は、第１電流源１１の構成と第２電流源１２の構成とが図１とは異なっている。

図１２の第１電流源１１は、負荷抵抗ＲLOADに供給可能な電流量がそれぞれ異なる複数の第１電流源部３１，３２と、これら第１電流源部３１，３２のそれぞれと出力電圧線ＶOUTとの間に接続されて、対応する第１電流源部３１，３２からの電流を負荷抵抗ＲLOADに供給するか否かを個別に切替可能な複数の第１切替器ＳＷAP，ＳＷAP2とを有する。

また、第２電流源１２は、負荷抵抗ＲLOADに供給可能な電流量がそれぞれ異なる複数の第２電流源部３３，３４と、これら第２電流源部３３，３４のそれぞれと出力電圧線ＶOUTとの間に接続されて、対応する第２電流源部３３，３４からの電流を負荷抵抗ＲLOADに供給するか否かを個別に切替可能な複数の第２切替器ＳＷAM，ＳＷAM2とを有する。

図１２の例では、第１電流源１１が２個の第１電流源部３１，３２と２個の第１切替器ＳＷAP，ＳＷAP2とを有し、第２電流源１２が２個の第２電流源部３３，３４と２個の第２切替器ＳＷAM，ＳＷAM2とを有する例を示しているが、電流源部の数と切替器の数には特に制限はない。

図１２の例では、第１電流源部３１はＩAUXPの固定電流を流し、第１電流源部３２は２ＩAUXPの固定電流を流す。第２電流源部３３はＩAUXMの固定電流を流し、第２電流源部３４は２ＩAUXMの固定電流を流す。

追加電流制御部１３は、第１電流源１１用の３つの閾値ＩTHP1（＝２ＩAUXP）、ＩTHP2（＝４ＩAUXP）、ＩTHP3（＝６ＩAUXP）と、第２電流源１２用の３つの閾値ＩTHM1（＝２ＩAUXM）、ＩTHM2（＝４ＩAUXM）、ＩTHM3（＝６ＩAUXM）とを有する。

負荷電流ＩLOADが増加する場合、ＩTHP2＞ΔＩ＞ＩTHP1では、第１切替器ＳＷAPがオンになる。ＩTHP3＞ΔＩ＞ＩTHP2では、第１切替器ＳＷAP2がオンになる。ΔＩ＞ＩTHP3では、第１切替器ＳＷAP、ＳＷAP2の両方がオンになる。第１切替器ＳＷAP、ＳＷAP2のいずれかがオン状態を継続するのは、インダクタ電流ＩL1と負荷電流ＩLOADが等しくなるまでの期間である。

負荷電流ＩLOADが減少する場合、ＩTHM2＞ΔＩ＞ＩTHM1では、第１切替器ＳＷAMがオンになる。ＩTHM3＞ΔＩ＞ＩTHM2では、第１切替器ＳＷAM2がオンになる。ΔＩ＞ＩTHM3では、第１切替器ＳＷAM、ＳＷAM2の両方がオンになる。第１切替器ＳＷAM、ＳＷAM2のいずれかがオン状態を継続するのは、インダクタ電流ＩL1と負荷電流ＩLOADが等しくなるまでの期間である。

このように、第４の実施形態では、負荷抵抗ＲLOADに追加電流を流し込むことが可能な複数の電流源を設けるとともに、負荷抵抗ＲLOADからの追加電流を引き出すことが可能な複数の電流源とを設け、これら電流源を使用するか否かを、負荷変動量によって設定するため、負荷変動量に応じて追加電流量をきめ細かく調整でき、負荷変動量が大きくても迅速に出力電圧ＶOUTの変動を抑制できる。

（第５の実施形態）
以下に説明する第５の実施形態は、第１電流源１１と第２電流源１２を動作させるか否かを切り替える切替器を設けたものである。

図１３は第５の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図である。図１３のスイッチング電源装置１は、図１と比べて、第１電流源１１と出力電圧線ＶOUTとの間に第１切替器ＳＷAPを設け、第２電流源１２と出力電圧線ＶOUTとの間に第２切替器ＳＷAMを設けた点で異なっている。

第１切替器ＳＷAPと第２切替器ＳＷAMの切替制御は、追加電流制御部１３により行われる。図１では、追加電流制御部１３が第１電流源１１と第２電流源１２に動作制御信号を送信していたが、図１３ではこのような動作制御信号は設けられていない。これにより、第１電流源１１と第２電流源１２の内部構成を簡略化できる。

図１４は図１３のスイッチング電源装置１内の各部の波形図である。図１４の時刻ｔ１で、負荷変動量ΔＩ＝３ＩAが生じたとする。時刻ｔ１でＩTHP＜ΔＩとなるため、追加電流制御部１３は第１切替器ＳＷAPをオンにして、負荷電流ＩLOADがインダクタ電流ＩLに一致する時刻ｔ２まで、第１切替器ＳＷAPのオン状態を維持する。

時刻ｔ２以降は、ＩL1（ｔ）＞ＩLOAD（ｔ）となるため、出力電圧ＶOUTが下がることはなく、出力電圧ＶOUTの変動が抑制される。

このように、第５の実施形態では、第１および第２電流源１１，１２を動作させるか否かを切り替えるために第１および第２切替器ＳＷAP，ＳＷAMを設けるため、追加電流制御部１３は、第１および第２切替器ＳＷAP，ＳＷAMの切替制御を行うことで、負荷変動時の出力電圧ＶOUTの変動を抑制できる。追加電流制御部１３は、負荷抵抗ＲLOADに追加電流を流し込む場合と、負荷電流ＩLOADからの追加電流を引き込む場合のいずれの場合も、追加電流を流すか否かを判断する閾値を一つずつしか設けられないが、図１４に示すように、第１および第２切替器ＳＷAP，ＳＷAMの切替により出力電圧ＶOUTの変動を抑制でき、複数の閾値を設ける第４の実施形態よりも全体構成を簡略化できる。

（第６の実施形態）
以下に説明する第６の実施形態は、追加電流制御部１３内で生じた信号伝搬遅延を考慮に入れて負荷変動制御を行うものである。

図１５は第６の実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成を示すブロック図である。図１５のスイッチング電源装置１は、図１と比べて、追加電流制御部１３に入力される信号が一つ追加になっており、オフセット信号ＩOSが入力される。

オフセット信号ＩOSは、追加電流制御部１３内で生じる信号伝搬遅延時間を考慮に入れた信号であり、閾値ＩTHPやＩTHMを、オフセット信号ＩOS分増減させた新たな閾値ＩTHP、ＩTHMを用いて、第１電流源１１または第２電流源１２を動作させるタイミングを切り替える。

これにより、追加電流制御部１３内で生じた信号伝搬遅延時間を考慮に入れて、負荷電流ＩLOADと閾値ＩTHP、ＩTHMとの比較を行うことができ、信号伝搬遅延時間の影響をキャンセルした状態で、第１および第２電流源１１，１２を動作させることができることから、負荷変動に対して、より精度よく迅速に出力電圧ＶOUTの変動を抑制できる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ スイッチング電源装置、２ パワー段回路、３ 制御回路、４ ローパスフィルタ、５ スイッチング制御回路、６ 負荷変動制御回路、１１ 第１電流源、１２ 第２電流源、１３ 追加電流制御部、３１、３２ 第１電流源部、３３、３４ 第２電流源部

Claims (12)

1. ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを切り替えて入力電圧から矩形波電圧を生成し、前記矩形波電圧を、インダクタおよびキャパシタを有するローパスフィルタで平滑化して直流の出力電圧を生成するスイッチング電源装置の制御回路であって、
   前記スイッチング電源装置の負荷抵抗を流れる負荷電流が増加したときに、前記負荷抵抗に追加の電流を供給可能な第１電流源と、
   前記負荷抵抗を流れる負荷電流が減少したときに、前記負荷抵抗からの電流を引き込むことが可能な第２電流源と、
   前記負荷抵抗を流れる負荷電流の変化量が所定量を超えたことが検出された時点から、前記インダクタを流れる電流が前記負荷抵抗を流れる電流に等しくなる時点まで、前記第１電流源または前記第２電流源を動作させる追加電流制御部と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置の制御回路。
2. 前記追加電流制御部は、前記第１電流源を動作させる期間内は、前記ハイサイドスイッチをオンさせるとともに前記ローサイドスイッチをオフさせて、前記インダクタに流れる電流を増加させ、前記第２電流源を動作させる期間内は、前記ハイサイドスイッチをオフさせるとともに前記ローサイドスイッチをオンさせて、前記インダクタを流れる電流を減少させることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 前記追加電流制御部は、前記負荷抵抗を流れる負荷電流の変化量が所定量を超えたことが検出された時点から、前記インダクタを流れる電流が前記負荷抵抗を流れる電流に等しくなる時点までの期間内は、前記第１電流源または前記第２電流源に一定の電流を流させることを特徴とする請求項１または２に記載の制御回路。
4. 前記追加電流制御部は、前記負荷抵抗を流れる負荷電流の変化量が所定量を超えたことが検出された時点から、前記インダクタを流れる電流が前記負荷抵抗を流れる電流に等しくなる時点までの負荷変動期間内は、前記スイッチング電源装置の出力電圧が略一定になるように、前記第１電流源または前記第２電流源に流れる電流を可変させることを特徴とする請求項１または２に記載の制御回路。
5. 前記追加電流制御部は、前記負荷変動期間内に前記スイッチング電源装置の出力電圧が略一定になるように、前記負荷変動期間内における前記第１電流源または前記第２電流源に流れる電流波形を鋸波状にすることを特徴とする請求項４に記載の制御回路。
6. 前記負荷抵抗を流れる負荷電流を検出する負荷電流検出部を備え、
   前記追加電流制御部は、前記負荷電流検出部で検出された負荷電流に基づいて、負荷電流が変化したか否かを検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の制御回路。
7. 前記キャパシタを流れる電流を検出するキャパシタ電流検出部を備え、
   前記追加電流制御部は、前記キャパシタ電流検出部で検出された電流に基づいて、負荷電流が変化したか否かを検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の制御回路。
8. 前記出力電圧を検出する出力電圧検出部を備え、
   前記追加電流制御部は、前記出力電圧検出部で検出された前記出力電圧の時間変化値に基づいて、負荷電流が変化したか否かを検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の制御回路。
9. 前記第１電流源は、
   前記負荷抵抗に供給可能な電流量がそれぞれ異なる複数の第１電流源部と、
   前記複数の第１電流源部のそれぞれと前記スイッチング電源装置の出力電圧線との間に接続され、対応する第１電流源部からの電流を前記負荷抵抗に供給するか否かを個別に切替可能な複数の第１切替器と、を有し、
   前記第２電流源は、
   前記負荷抵抗から引き込む電流量がそれぞれ異なる複数の第２電流源部と、
   前記複数の第２電流源部のそれぞれと前記スイッチング電源装置の出力電圧線との間に接続され、対応する第２電流源部に前記負荷抵抗からの電流を引き込むか否かを個別に切替可能な複数の第２切替器と、を有し、
   前記追加電流制御部は、前記負荷抵抗を流れる負荷電流の変化が検出された時点から、前記インダクタを流れる電流が前記負荷抵抗を流れる電流に等しくなる時点まで、負荷電流の変化量を複数の閾値と比較した結果に基づいて、前記複数の第１切替器および前記複数の第２切替器を切替制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の制御回路。
10. 前記第１電流源と前記スイッチング電源装置の出力電圧線との間に接続され、前記第１電流源からの電流を前記負荷抵抗に供給するか否かを切替可能な第１切替器と、
    前記第２電流源と前記スイッチング電源装置の出力電圧線との間に接続され、前記第２電流源に前記負荷抵抗からの電流を引き込むか否かを個別に切替可能な第２切替器と、を備え、
    前記追加電流制御部は、前記負荷抵抗を流れる負荷電流の変化が検出された時点から、前記インダクタを流れる電流が前記負荷抵抗を流れる電流に等しくなる時点まで、前記第１切替器および前記第２切替器を切替制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の制御回路。
11. 前記追加電流制御部は、負荷電流の変化量を閾値と比較する際に、前記閾値をオフセット調整した上で負荷電流の変化量と比較し、該比較結果に基づいて、前記第１電流源または前記第２電流源を動作させるか否かを決定することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の制御回路。
12. ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを切り替えて入力電圧から矩形波電圧を生成し、前記矩形波電圧を、インダクタおよびキャパシタを有するローパスフィルタで平滑化して直流の出力電圧を生成するパワー段回路と、
    前記パワー段回路を制御する制御回路と、を備えたスイッチング電源装置であって、
    前記制御回路は、
    前記パワー段回路で生成された前記出力電圧が基準電圧に一致するように、前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチを切替制御するスイッチング制御回路と、
    前記スイッチング電源装置の負荷抵抗を流れる負荷電流の変動に応じて前記出力電圧を制御する負荷変動制御回路を有し、
    前記負荷変動制御回路は、
    前記負荷抵抗を流れる負荷電流が増加したときに、前記負荷抵抗に追加の電流を供給可能な第１電流源と、
    前記負荷抵抗を流れる負荷電流が減少したときに、前記負荷抵抗からの電流を引き込むことが可能な第２電流源と、
    前記負荷抵抗を流れる負荷電流の変化量が所定量を超えたことが検出された時点から、前記インダクタを流れる電流が前記負荷抵抗を流れる電流に等しくなる時点まで、前記第１電流源または前記第２電流源を動作させる追加電流制御部と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。

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