JP6051910B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源回路に関する。

スイッチング電源回路については、スイッチング動作に伴い発生したノイズが周辺機器に影響を及ぼすことが懸念される。例えばスイッチング電源回路が車両に搭載されると、車両に引き回されている多数のワイヤハーネスにノイズが伝搬し、ワイヤハーネス自体がアンテナとなって無線機器などに影響を及ぼすことが想定されるので、ノイズ対策が重要となる。例えば特許文献１には、スイッチング周波数を一定の周期で変動させることで、スイッチング動作に伴い発生するノイズのピークレベルを分散させる構成が開示されている。

特開２００９−２７３２１５号公報

スイッチング電源回路に使用される例えばパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチング素子については、ボンディングワイヤやリードフレーム部分に寄生インダクタンスが存在する。この寄生インダクタンスがノイズ発生の原因となるため、スイッチング素子に流れる電流Ｉの時間変化（ｄＩ／ｄｔ）に比例してノイズのピークレベルは上昇する。スイッチング電源回路に入力される電圧や、スイッチング電源回路より出力される負荷電流が増加すればスイッチング素子を介して流れる電流が増加するが、スイッチング時間は不変であるから電流Ｉの時間変化は大きくなる。つまり、入力電圧が上昇したり負荷電流が増加すればノイズのピークレベルは上昇するが、従来、この様な観点に着目したスイッチング電源回路についてのノイズ対策は行われていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、入力電圧の上昇や負荷電流の増加に伴い、ノイズのピークレベルが上昇することを抑制できるスイッチング電源回路を提供することにある。

請求項１記載のスイッチング電源回路によれば、変調制御電圧生成手段が、入力電圧の変化又は負荷が電力を消費することに伴う出力電流の変化に応じて変調制御電圧を生成すると、周波数変調手段は、その変調制御電圧に応じてＰＷＭ信号生成手段におけるキャリア周波数を周波数変調する。すなわち、入力電圧や負荷電流が変化すると、それに伴ってＰＷＭ制御におけるキャリア周波数が周波数変調されるので、入力電圧が上昇したり或いは負荷電流が増加した際に、ノイズのピークレベルの上昇を抑制するように制御できる。

請求項２記載のスイッチング電源回路によれば、周波数変調手段は、変調制御電圧に応じてキャリア周波数の変調周波数幅を変化させ、変調制御電圧生成手段は、入力電圧又は出力電流が上昇，増加するのに応じて、変調周波数幅を減少させるように変調制御電圧を生成する。

また、請求項３記載のスイッチング電源回路によれば、周波数変調手段は、変調制御電圧に応じてキャリア周波数を変調する周波数を変化させ、変調制御電圧生成手段は、入力電圧又は出力電流が上昇，増加するのに応じて、変調周波数を上昇させるように変調制御電圧を生成する。

ここで、変調周波数幅をΔｆｓ，変調周波数をｆｍとすると、ノイズのピークレベルは（Δｆｓ／ｆｍ）に比例する。したがって、入力電圧が上昇したり負荷電流が増加した際に、請求項２のように変調周波数幅Δｆｓを減少させるか、或いは請求項３のように変調周波数ｆｍを上昇させることで、ノイズのピークレベルの上昇を抑制できる。

請求項４記載のスイッチング電源回路によれば、変調制御電圧生成手段は、変調制御電圧として、上限電圧，下限電圧及びバイアス電圧を生成する。そして、周波数変調手段を以下のように構成する。カレントミラー回路は、バイアス電圧に応じて制御電流を発生すると共に、制御電流のミラー電流を第１，第４スイッチング素子に流す。第１，第２比較器は、第２及び第３スイッチング素子の共通接続点より出力される変調電圧を、それぞれ上限電圧，下限電圧と比較した結果に応じてＲＳフリップフロップをそれぞれセット，リセットする。

第２，第３スイッチング素子は、ＲＳフリップフロップの状態セット，リセットに応じて一方が排他的にオンされる。これにより、第２及び第３スイッチング素子の共通接続点とグランドとの間に接続されるコンデンサに対して、第１，第４スイッチング素子に流れるミラー電流による充電，放電が交互に繰り返される。したがって、変調電圧の波形は三角波となる。

この時、変調電圧の周波数ｆｍは、上限電圧，下限電圧及びバイアス電圧により決定され、変調電圧の振幅，すなわち変調周波数幅Δｆｓは、上限電圧と下限電圧との電位差に応じて決定される。したがって、上限電圧，下限電圧及びバイアス電圧を適宜設定することで、変調周波数ｆｍと変調周波数幅Δｆｓとを制御できる。

請求項５記載のスイッチング電源回路によれば、変調制御電圧生成手段は、入力電圧又は出力電流に応じて制御電流を発生すると共に、前記制御電流のミラー電流を流すミラー電流経路を１つ以上有するカレントミラー回路を備える。そして、変調制御電圧のうち変化させる対象となる電圧については、ミラー電流経路に挿入される抵抗素子の端子電圧の変化に基づいて設定する。すなわち、入力電圧或いは出力電流が変化すれば、それに伴い制御電流→ミラー電流が変化するので、ミラー電流経路に挿入される抵抗素子の端子電圧が変化する。これにより、変調制御電圧を変化させることができる。

第１実施形態であり、スイッチング電源回路の構成を示す図 スイッチング電源回路の動作の概略を説明するもので、（ａ）はスイッチング周波数ｆｓの変調周波数幅の変化、（ｂ）はスイッチング周波数ｆｓを変調する周波数の時間変化を示す図 三角波ＶＴが周波数変調される状態の一例を示す図 電圧検出部の構成を示す図 電圧検出部が出力する変調制御電圧ＶＨ，ＶＬ，ＶＢＩＡＳの変化を示す図 入力電圧ＶＩＮの変化に応じた（ａ）変調周波数ｆｍ，（ｂ）変調周波数幅Δｆｓの変化を示す図 周波数変調部の構成を示す図 変調制御電圧ＶＨ，ＶＬ，ＶＢＩＡＳの時間変化に伴う変調電圧Ｖｍの変化を示す図 三角波発振器の構成を示す図 第２実施形態を示す図４相当図 図５相当図 図６相当図 第３実施形態を示す図４相当図 図５相当図 図６相当図 第４実施形態を示す図４相当図 図５相当図 図６相当図 第５実施形態を示す図１相当図 第６実施形態を示す図１相当図 図９相当図 発振器の動作を示すタイミングチャート

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について説明する。図１において、スイッチング電源回路１は、バッテリ２（電源）に接続されるスイッチング部３と、スイッチング部３と負荷５との間に接続される出力フィルタ部４と、スイッチング部３におけるスイッチング動作を制御するスイッチング制御部６とで構成されている。尚、スイッチング電源回路１は降圧型であり、スイッチング部３については周知の構成であるため、スイッチ及びダイオードのシンボルのみによりモデル的に示している。また、出力フィルタ部４は、ＬＣフィルタとして構成されている。

スイッチング制御部６を構成する電圧検出部７（変調制御電圧生成手段）は、バッテリ２の正側端子の電位である入力電圧ＶＩＮを検出し、周波数変調部８（周波数変調手段）に３種類の変調制御電圧ＶＨ，ＶＬ，ＶＢＩＡＳを出力する。周波数変調部８は、上記の変調制御電圧に応じて変調電圧Ｖｍを生成すると、三角波発振器９（ＰＷＭ信号生成手段）に出力する。三角波発振器９は、入力される変調電圧Ｖｍに応じた周波数の三角波ＶＴを生成し、ＰＷＭ制御用のキャリアとしてＰＷＭ生成部１０（ＰＷＭ信号生成手段）に出力する。

電圧制御部１１（ＰＷＭ信号生成手段）を構成する抵抗素子１２及び１３の直列回路は、出力フィルタ部４の出力端子とグランドとの間に接続されており、抵抗素子１２及び１３の共通接続点は、オペアンプ１４の反転入力端子に接続されている。オペアンプ１４の非反転入力端子には、電圧制御指令生成部１５（ＰＷＭ信号生成手段）より基準電圧が与えられている。オペアンプ１４は、所謂エラーアンプであり、抵抗素子１２及び１３により分圧されて検出されるスイッチング電源回路１の出力電圧と上記基準電圧との差に応じた電圧を、ＰＷＭ生成部１０に出力する。

ＰＷＭ生成部１０はコンパレータで構成されており、当該コンパレータの反転入力端子には三角波ＶＴが与えられ、非反転入力端子はオペアンプ１４の出力端子に接続されている。そして、コンパレータの出力電圧がＰＷＭ信号としてスイッチング部３に出力され、スイッチング動作を制御する。

次に、スイッチング電源回路１の特徴的な動作の概略について説明する。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、入力電圧ＶＩＮが増加すると、スイッチング周波数（ＰＷＭ制御のキャリア周波数）ｆｓを周波数変調する幅である変調周波数幅（拡散幅）Δｆｓを減少させる。尚、図２（ａ）中の周波数ｆｃは、スイッチング周波数ｆｓの中心周波数である。また、図２（ｂ）に示すように、入力電圧ＶＩＮが増加すると、スイッチング周波数ｆｓを変調する周波数ｆｍを上昇させる。

これらを双方同時に行うと、スイッチング周波数ｆｓは図３（ｂ）に示すように変化し、その結果、三角波ＶＴは図３（ａ）に示すように周波数変調される。ノイズのピークレベルは（Δｆｓ／ｆｍ）に比例するので、このように周波数変調を行うことでピークレベルを低減できる。尚、図３では、変調周波数幅Δｆｓと周波数ｆｍとを双方とも変化させているが、本実施形態では、一例として変調周波数幅Δｆｓを一定とし、周波数ｆｍのみを変化させる場合を示す。

次に、図３に示すようにスイッチング周波数ｆｓを周波数変調するための具体的構成について説明する。図４に示す電圧検出部７では、ソースがグランドに接続されるＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１ａ〜２１ｄがカレントミラー回路２１を構成しており、これらのゲートは何れもＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１ａのドレインに接続されている。また、前記ドレインには、抵抗素子Ｒ１を介して入力電圧ＶＩＮが与えられている。

また、ソースが動作用電源に接続されているＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２２ａ,２２ｂはカレントミラー回路２２を構成しており、これらのゲートはＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２２ａのドレインに接続されている。動作用電源とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１ｃ,２１ｄのドレインとの間（第１，第３ミラー電流経路）には、それぞれ抵抗素子Ｒ２，Ｒ４が接続されており、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２２ｂのドレインとグランドとの間には抵抗素子Ｒ３（第２ミラー電流経路）が接続されている。ここで、抵抗素子Ｒ４の抵抗値は、抵抗素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値の差に等しく設定されている。

そして、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１ｃのドレインより上限電圧ＶＨ（変調制御電圧）が出力され、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１ｄのドレインよりバイアス電圧ＶＢＩＡＳ（変調制御電圧）が出力される。また、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２２ｂのドレインより下限電圧ＶＬ（変調制御電圧）が出力される。

ここで、抵抗素子Ｒ１を介して流れる電流をＩｂとすると、
Ｉｂ≒ＶＩＮ／Ｒ１ …（１）
であるから、上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬ，バイアス電圧ＶＢＩＡＳは以下の関係となる。
ＶＨ∝ＶＩＮ・Ｒ２／Ｒ１，ＶＬ∝ＶＩＮ・Ｒ３／Ｒ１
ＶＢＩＡＳ∝ＶＩＮ・Ｒ４／Ｒ１＝ＶＩＮ・（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ１ …（２）

したがって図５に示すように、入力電圧ＶＩＮが上昇すると、上限電圧ＶＨは線形に下降し、下限電圧ＶＬは線形に上昇し、バイアス電圧ＶＢＩＡＳは、上限電圧ＶＨと下限電圧ＶＬとの差に比例した傾きで線形に下降する。以上のように各電圧ＶＨ，ＶＬ，ＶＢＩＡＳを変化させる結果、後述する変調電圧Ｖｍの周波数ｆｍは、図６（ａ）に示すように入力電圧ＶＩＮが上昇しても一定となり、三角波キャリアＶＴの変調周波数幅Δｆｓは、図６（ｂ）に示すように入力電圧ＶＩＮが上昇すると線形に低下する。

図７に示す周波数変調部８においては、動作用電源とグランドとの間に電流源２３及びＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２４の直列回路が接続されており、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２４のゲートには、バイアス電圧ＶＢＩＡＳが与えられている。ソースが動作用電源に接続されているＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ（第１スイッチング素子）はカレントミラー回路２５を構成しており、これらのゲートはＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２５ａのドレインに接続されている。

ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２５ａのドレインとグランドとの間には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２６及び抵抗素子２７の直列回路が接続されており、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２６のゲートは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２４のソースに接続されている。ソースがグランドに接続されているＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２８ａ,２８ｂ（第４スイッチング素子）はカレントミラー回路２８を構成しており、これらのゲートはＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２８ａのドレインに接続されている。また、前記ドレインは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２５ｂのドレインに接続されている。

ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２５ｃのドレインと、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２８ｂのドレインとの間には、ドレインが共通のＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２９及びＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０（第２及び第３スイッチング素子）の直列回路が接続されている。そして、前記ドレインより変調電圧Ｖｍが出力される。また、前記ドレインは、コンパレータ３１（第１比較器）の非反転入力端子，コンパレータ３２（第２比較器）の反転入力端子に接続されていると共に、コンデンサＣｍを介してグランドに接続されている。コンパレータ３１の反転入力端子には上限電圧ＶＨが与えられ、コンパレータ３２の非反転入力端子には下限電圧ＶＬが与えられている。

コンパレータ３１，３２の出力端子は、それぞれＲＳフリップフロップ３３のセット端子Ｓ，リセット端子Ｒに接続されている。そして、ＲＳフリップフロップ３３の出力端子Ｑは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２９及びＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲートに接続されている。

以上の構成において、カレントミラー回路２５，２８を構成するＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２５ｃ，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２８ｂを介して流れるミラー電流ＩＢＩＡＳは、抵抗素子２７の抵抗値をＲＢＩＡＳとし、カレントミラー回路２５，２８のミラー比をｎとすると、
ＩＢＩＡＳ＝ｎ・ＶＢＩＡＳ／ＲＢＩＡＳ …（３）
となる。コンデンサＣｍは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２９がオンするとミラー電流ＩＢＩＡＳで充電され、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０がオンするとミラー電流ＩＢＩＡＳで放電される。これにより、変調電圧Ｖｍは三角波となる。また、変調電圧Ｖｍの周波数ｆｍは、次式で表される。
ｆｍ＝ＩＢＩＡＳ／｛Ｃｍ・（ＶＨ−ＶＬ）｝ …（４）

コンパレータ３１，３２は、変調電圧Ｖｍをそれぞれ上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬと比較し、コンパレータ３１は（Ｖｍ＞ＶＨ）でＲＳフリップフロップ３３をセットし、コンデンサＣｍを放電させる。そして、コンパレータ３２は（Ｖｍ＜ＶＬ）でＲＳフリップフロップ３３をリセットし、コンデンサＣｍを充電させる。

図８（ａ）に示すように、時間の経過に伴い入力電圧ＶＩＮが上昇することで上限電圧ＶＨが低下し、下限電圧ＶＬが上昇すると、図８（ｂ）に示すように、変調電圧Ｖｍの振幅；変動幅は減少する。三角波の傾きはバイアス電圧ＶＢＩＡＳに比例するので、入力電圧ＶＩＮが上昇することでバイアス電圧ＶＢＩＡＳが低下すれば、上記傾きは小さくなる。また、図８（ｃ）,（ｄ）はこの関係をより分かり易く示したもので（但し、バイアス電圧ＶＢＩＡＳが上昇するケース）、バイアス電圧ＶＢＩＡＳが上昇するのに伴い三角波の傾きは急峻になる。

図９に示す三角波発振器９は、電圧制御電流源部３４と、三角波生成部３５とで構成される。電圧制御電流源部３４は、電流源３６，ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３７，カレントミラー回路３８，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１ａにより構成され、これらは、周波数変調部８の入力側回路に対応する各回路素子と同じ接続関係となっている。そして、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３７のゲートには変調電圧Ｖｍが与えられている。

また、三角波生成部３５は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３８ｃ，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１ｂ，ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ４２，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４３（それぞれ第１，第４，第２，第３スイッチング素子），コンパレータ４４及び４５（第１及び第２比較器），ＲＳフリップフロップ４６等を備えており、これらは、周波数変調部８の出力側回路に対応する各回路素子と同じ接続関係となっている。但し、動作用電源とグランドとの間には、抵抗素子４７〜４９の直列回路が接続されており、コンパレータ４４の反転入力端子は抵抗素子４７及び４８の共通接続点に、コンパレータ４５の非反転入力端子は抵抗素子４８及び４９の共通接続点にそれぞれ接続されている。

そして、チャネルＭＯＳＦＥＴ４２及びＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４３のドレインとグランドとの間には、コンデンサＣＴが接続されており、前記ドレインからは三角波のキャリアＶＴが出力される。また、前記ドレインは、コンパレータ４４の非反転入力端子及びコンパレータ４５の反転入力端子に接続されている。

以上の構成において、カレントミラー回路３８，４１を構成するＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３８ｃ，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１ｂを介して流れるミラー電流Ｉｃｈｇは、抵抗素子４０の抵抗値をＲｍとし、カレントミラー回路３８，４１のミラー比をｍとすると、
Ｉｃｈｇ＝ｍ・Ｖｍ／Ｒｍ …（５）
となる。コンデンサＣＴは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ４２がオンするとミラー電流Ｉｃｈｇで充電され、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４３がオンするとミラー電流Ｉｃｈｇで放電される。これにより、三角波のキャリアＶＴが生成される。また、三角波ＶＴの周波数ｆｓは、抵抗素子４８の端子電圧をΔＶＴとすると次式で表される。
ｆｓ＝Ｉｃｈｇ／（ＣＴ・ΔＶＴ） …（６）
すなわち、周波数変調部８が、変調電圧Ｖｍを例えば図８（ｂ）に示す様な波形で生成出力すると、三角波発振器９は、変調電圧Ｖｍに応じて、（６）式に示す周波数ｆｓの三角波ＶＴを生成出力する。

以上のように本実施形態によれば、電圧検出部７が入力電圧ＶＩＮの変化に応じて変調制御電圧を生成すると、周波数変調部８は、変調制御電圧に応じて三角波発振器９が出力する三角波ＶＴの周波数ｆｓを周波数変調する。すなわち、入力電圧ＶＩＮが変化すると、それに伴ってＰＷＭ制御におけるキャリア周波数が周波数変調されるので、入力電圧ＶＩＮが上昇した際にノイズのピークレベルの上昇を抑制するように制御できる。具体的には、周波数変調部８は、変調制御電圧に応じてキャリア周波数の変調周波数幅Δｆｓを変化させ、電圧検出部７は、入力電圧ＶＩＮが上昇するのに応じて、変調周波数幅Δｆｓを減少させるように変調制御電圧を生成する。これにより、ノイズのピークレベルの上昇を抑制できる。

更に具体的には、電圧検出部７は、変調制御電圧として上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬ及びバイアス電圧ＶＢＩＡＳを生成する。そして、周波数変調部８を構成するカレントミラー回路２５，２８は、バイアス電圧ＶＢＩＡＳに応じて制御電流を発生すると共に、制御電流のミラー電流ＩＢＩＡＳをＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２５ｃ，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２８ｂに流す。コンパレータ３１，３２は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２９及びＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のドレインより出力される変調電圧Ｖｍを、それぞれ上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬと比較した結果に応じてＲＳフリップフロップ３３をそれぞれセット，リセットする。

ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２９，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０は、ＲＳフリップフロップ３３の状態セット，リセットに応じて一方が排他的にオンされる。これにより、コンデンサＣｍに対して、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２５ｃ,ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２８ｂに流れるミラー電流ＩＢＩＡＳによる充電，放電が交互に繰り返されて、変調電圧Ｖｍの波形は三角波となる。そして、変調電圧Ｖｍの周波数ｆｍは変調制御電圧により決定され、変調電圧Ｖｍの振幅，すなわち変調周波数幅Δｆｓは、上限電圧ＶＨと下限電圧ＶＬとの電位差に応じて決定される。したがって、上記の変調制御電圧を適宜設定することで、変調周波数ｆｍと変調周波数幅Δｆｓとを制御できる。

また、電圧検出部７は、入力電圧ＶＩＮに応じて制御電流Ｉｂを発生すると共に、前記制御電流のミラー電流を流すミラー電流経路を３つ有するカレントミラー回路２１を備える。カレントミラー回路２２は、上記のミラー電流経路の１つに流れるミラー電流を受けて、当該ミラー電流を更にミラーさせた電流を流す経路を１つ備える。そして、各ミラー電流経路に挿入される抵抗素子Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の端子電圧の変化に基づいて、上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬ，バイアス電圧ＶＢＩＡＳを設定する。すなわち、入力電圧ＶＩＮが変化すれば、それに伴い制御電流→ミラー電流が変化するので、第１〜第３ミラー電流経路に挿入される抵抗素子Ｒ２〜Ｒ４の端子電圧が変化する。これにより各変調制御電圧を変化させることができる。

また、ＰＷＭ信号生成手段を、入力される変調電圧Ｖｍに応じて周波数が変化する三角波ＶＴのキャリアを生成する三角波発振器９と、出力電圧の変化に応じてＰＷＭ制御電圧を生成する電圧制御部１１と、キャリアの振幅とＰＷＭ制御電圧とを比較してＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成部１０の比較器とで構成する。そして、三角波発振器９を電圧制御電流源部３４と三角波生成部３５とで構成し、電圧制御電流源部３４を、電流源３６，ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３７，カレントミラー回路３８，ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１ａにより、周波数変調部８の入力側回路に対応する各回路素子と同じ接続関係で構成して、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３７のゲートに変調電圧Ｖｍを与えるようにした。これにより、変調電圧Ｖｍに応じて周波数が変調される三角波ＶＴのキャリアを生成できる。

（第２実施形態）
図１０に示すように、第２実施形態の電圧検出部５１（変調制御電圧生成手段）では、それぞれ複数の抵抗素子から成る直列抵抗回路５２及び５３（第１〜第３制御電圧設定回路）が、動作用電源とグランドとの間に接続されている。直列抵抗回路５２を構成する各抵抗素子の一端側には、それぞれアナログスイッチ（スイッチ回路）が接続されており、これらがアナログスイッチ群５４（第３制御電圧設定回路）を構成している。また、直列抵抗回路５３を構成する各抵抗素子の一端側にも同様にアナログスイッチが接続されており、これらがアナログスイッチ群５５を構成している。

入力電圧ＶＩＮはＡ／Ｄコンバータ５６に入力されており、Ａ／Ｄコンバータ５６によりＡ／Ｄ変換されたデータは、３つのデータデコーダ５７〜５９に入力されている。データデコーダ５７（第３デコーダ）は、入力されるデータ値に応じてアナログスイッチ群５４の何れか１つを択一的にオンさせる信号を生成するようにデコードを行う。また、データデコーダ５８，５９（第１，第２デコーダ）は、入力されるデータ値に応じて。アナログスイッチ群５５の内、それぞれ高電圧側のスイッチ群５５Ｈ（第１制御電圧設定回路），低電圧側のスイッチ群５５Ｌ（第２制御電圧設定回路）の何れか１つを択一的にオンさせる信号を生成するようにデコードを行う。
以上の構成により、直列抵抗回路５２で分圧される電圧によってバイアス電圧ＶＢＩＡＳを生成し、直列抵抗回路５３（Ｈ，Ｌ）で分圧される電圧によって上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬを生成する。

次に、第２実施形態の作用について説明する。図１１にも示すように、電圧検出部５１は、第１実施形態における電圧検出部７の構成をデジタル回路で実現したものである。すなわち、入力電圧ＶＩＮが上昇すれば、Ａ／Ｄコンバータ５６によりＡ／Ｄ変換されたデータ値が上昇するので、そのデータ値に応じて、データデコーダ５８は、上限電圧ＶＨをステップ状に下降させるようにスイッチ群５５Ｈのオンオフを切り替え、データデコーダ５９は、下限電圧ＶＬをステップ状に上昇させるようにスイッチ群５５Ｌのオンオフを切り替える。

また、データデコーダ５７は、バイアス電圧ＶＢＩＡＳが、上限電圧ＶＨと下限電圧ＶＬとの差に比例した傾きでステップ状に下降するようにアナログスイッチ群５４のオンオフを切り替える。尚、直列抵抗回路５２を構成する各抵抗素子の抵抗値は、図１１に示す変化を実現するように設定しておく。そして、図１２は、図１１に示す変化に対応した変調周波数ｆｍ及び変調周波数幅Δｆｓの変化であるが、（ａ）に示す変調周波数ｆｍは第１実施形態と同様に一定であり、（ｂ）に示す変調周波数幅Δｆｓはステップ状に低下する。

以上のように第２実施形態によれば、電圧検出部５１を、入力電圧ＶＩＮをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ５６と、Ａ／Ｄ変換されたデータをデコードするデータデコーダ５７〜５９と、直列抵抗回路５２及び５３、アナログスイッチ群５４及び５５により構成した。したがって、変調制御電圧をデジタル回路により生成できる。そして、データデコーダ５７は、バイアス電圧ＶＢＩＡＳを、データデコーダ５８，５９により設定される上限電圧ＶＨと下限電圧ＶＬとの差に比例した値に設定する。したがって、第１実施形態と同様に、変調周波数ｆｍを一定として、周波数変調幅Δｆｓを可変とするように変調制御電圧を生成できる。

（第３実施形態）
図１３に示す電圧検出部６１（変調制御電圧生成手段）は、上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬはそれぞれ一定の電圧で出力し、バイアス電圧ＶＢＩＡＳのみ変化させるように構成したものである。第１実施形態の電圧検出部７より、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１ｃ及び２１ｄ，ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２２ｃ，抵抗素子Ｒ２及びＲ４は削除され、抵抗素子Ｒ３は抵抗素子Ｒ５に置き換えられている。そして、上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬはそれぞれ基準電圧６２，６３により設定され、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２２ｂのドレインよりバイアス電圧ＶＢＩＡＳが出力される。

次に、第３実施形態の作用について説明する。以上の構成により、上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬは図１４（ａ）に示すようにそれぞれ一定の電圧となり、バイアス電圧ＶＢＩＡＳは図１４（ｂ）に示すように、入力電圧ＶＩＮの上昇に応じて線形に上昇する。その結果、変調電圧Ｖｍの周波数ｆｍは図１５（ａ）に示すように線形に上昇し、変調周波数幅Δｆｓは、図１５（ｂ）に示すように一定となる。
以上のように第３実施形態によれば、電圧検出部６１は、上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬはそれぞれ一定の電圧を出力し、バイアス電圧ＶＢＩＡＳのみ変化させるので、入力電圧ＶＩＮの上昇に応じて変調周波数ｆｍを上昇させて、変調周波数幅Δｆｓを一定とするように制御できる。

（第４実施形態）
図１６に示す電圧検出部７１（変調制御電圧生成手段）は、第３実施形態の電圧検出部６１に対応する構成をデジタル回路により実現したもので、第２実施形態の電圧検出回路５１より、直列抵抗回路５３，アナログスイッチ群５５，データデコーダ５８及び５９を削除している。そして、上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬについては、第３実施形態と同じ基準電圧６２，６３により付与する。

以上のように構成される電圧検出部７１によれば、上限電圧ＶＨ，下限電圧ＶＬは第３実施形態と同様に、図１７（ａ）に示すようにそれぞれ一定の電圧となり、バイアス電圧ＶＢＩＡＳは図１７（ｂ）に示すように、入力電圧ＶＩＮの上昇に応じてステップ状に上昇する。その結果、変調電圧Ｖｍの周波数ｆｍは図１８（ａ）に示すようにステップ状に上昇し、変調周波数幅Δｆｓは、図１８（ｂ）に示すように一定となる。

（第５実施形態）
図１９に示すスイッチング電源回路１Ａは、第１実施形態の電圧検出部７を電流検出部７Ａに置き換えたものであるが、電流検出部７Ａの具体構成は電圧検出部７と同一である。但し、入力電圧ＶＩＮは、バッテリ２の正側端子に替えて、スイッチング部３と出力フィルタ部４との間で負荷電流を検出する電流センサ６４のセンサ電圧として与えられている。このようにして負荷電流を検出する場合も、例えば図４等の横軸である入力電圧ＶＩＮは、負荷電流の増加に応じて上昇する。したがって、第５実施形態の構成による場合も、第１〜第４実施形態と同様の作用効果が得られる。

（第６実施形態）
図２０に示すスイッチング電源回路８１は、第１実施形態のスイッチング電源回路１におけるスイッチング制御部６を、スイッチング制御部８２に置き換えたものである。スイッチング制御部８２は、三角波発振器９，ＰＷＭ生成部１０を，夫々発振器８３（矩形波発振器，ＰＷＭ信号生成手段），ＰＷＭ生成部８４（ＰＷＭ信号生成手段）に置き換えたものである。ＰＷＭ生成部８４は、コンパレータ８５とＲＳフリップフロップ８６で構成されており、コンパレータ８５の非反転入力端子は、第５実施形態における電流センサ６４の出力端子に接続され、反転入力端子は、電圧制御部１１のオペアンプ１４の出力端子に接続されている。そして、オペアンプ１４の出力端子は、ＲＳフリップフロップ８６のリセット端子Ｒに接続されている。また、ＲＳフリップフロップ８６のセット端子Ｓは、発振器８３の出力端子に接続されている。

図２１に示す発振器８３は、三角波発振器９にパルス生成部８７（ロジック部）を付加したもので、パルス生成部８７は、遅延回路８８，ＮＯＴゲート８９及びＡＮＤゲート９０で構成されている。ＡＮＤゲート９０の入力端子の一方は直接、他方はＮＯＴゲート８９及び遅延回路８８を介してフリップフロップ４６の出力端子Ｑに接続されている。そして、ＡＮＤゲート９０の出力端子より、発振器８３の発振出力；矩形波パルス信号ＳＥＴが出力される。

次に、第６実施形態の作用について説明する。図２２（ａ），（ｂ）に示すように、三角波ＶＴは、ＲＳフリップフロップ４６の出力信号ＣＬＫの変化に応じて生成される。尚、説明の都合上、三角波ＶＴは周波数変調されていないものとしている。そして、信号ＣＬＫと、当該信号を遅延回路８８で遅延させて、ＮＯＴゲート８９で反転させた信号ｎＣＬＫ＿ＤＬＹ（（ｃ）参照）との論理積をとることで、遅延時間分のパルス幅を有する矩形波パルス信号ＳＥＴが生成される（（ｄ）参照）。

図２０において、ＰＷＭ生成部８４では、上記の信号ＳＥＴによりＲＳフリップフロップ８６がセットされ、スイッチング部３のスイッチング素子がオンされる。それに伴い負荷電流が増加して電流センサ６４が出力する信号電圧が上昇し、電圧制御部１１より与えられる制御電圧を超えるとコンパレータ８５がハイレベルの信号を出力するので、ＲＳフリップフロップ８６がリセットされる。すると、スイッチング部３のスイッチング素子がオフされる。この様にして、スイッチング動作が行われる。

以上のように第６実施形態によれば、ＰＷＭ信号生成手段を、上記各実施形態のＰＷＭ生成部８及び三角波発振器９に替えて、出力電流に応じた電圧とＰＷＭ制御電圧とを比較するコンパレータ８５と、キャリアがセット端子Ｓに、コンパレータ８５の出力信号がリセット端子Ｒにそれぞれ与えられ、スイッチング素子の導通制御端子が出力端子Ｑに接続されるＲＳフリップフロップ８６とを有するＰＷＭ生成部８４と、変調電圧Ｖｍに応じて周波数が変化する矩形波のキャリアを生成する発振器８３とで構成した。

そして、発振器８３は、三角波発振器９にパルス生成部８７を付加したもので構成し、パルス生成部８７を、遅延回路８８，ＮＯＴゲート８９及びＡＮＤゲート９０で構成して、ＡＮＤゲート９０の出力端子より矩形波パルス信号ＳＥＴ，すなわち、キャリアを出力するようにした。このように構成した場合も、第１実施形態等と同様の効果が得られる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
第６実施形態の構成についても、第５実施形態と同様に、電流センサをもう１つ設けて、電圧検出部７を電流検出部７Ａに置き換えて構成しても良い。
図２に示したように、変調周波数ｆｍと変調周波数幅Δｆｓとを同時に変化させても良い。その場合、例えば図４に示す抵抗素子Ｒ４の抵抗値を、（Ｒ２−Ｒ３）ではない任意の値に設定すれば良い。
第６実施形態のパルス生成部８７の構成は、同様に矩形波信号を生成するものであれば、どのようなロジックを用いても良い。
スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴに限ることなく、バイポーラトランジスタを用いても良い。

図面中、１はスイッチング電源回路、２はバッテリ（電源）、３はスイッチング部、５は負荷、６はスイッチング制御部、７は電圧検出部（変調制御電圧生成手段）、８は周波数変調部（周波数変調手段）、９は三角波発振器（ＰＷＭ信号生成手段）、１０はＰＷＭ生成部（ＰＷＭ信号生成手段）、１１は電圧制御部（ＰＷＭ信号生成手段）、１５は電圧制御指令生成部（ＰＷＭ信号生成手段）、２１，２２，２５はカレントミラー回路、２５ｃはＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（第１スイッチング素子）、２８はカレントミラー回路、２８ｂはＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（第４スイッチング素子）、２９はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（第２スイッチング素子）、３０はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（第３スイッチング素子）、３１はコンパレータ（第１比較器）、３２はコンパレータ（第２比較器）、３３はＲＳフリップフロップ、３８はカレントミラー回路、３８ｃはＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（第１スイッチング素子）、４１はカレントミラー回路、４１ｃはＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（第４スイッチング素子）、４２はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（第２スイッチング素子）、４３はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（第３スイッチング素子）、４４及び４５はコンパレータ（第１及び第２比較器）、４６はＲＳフリップフロップ、Ｃｍ，ＣＴはコンデンサ、Ｒ２〜Ｒ４は抵抗素子（第１〜第３抵抗素子）を示す。

Claims (12)

1. スイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御して入力される電源電圧をスイッチングすることで、入力電圧を変圧して負荷（５）に出力するスイッチング電源回路において、
   ＰＷＭ信号を生成して、前記スイッチング素子に出力するＰＷＭ信号生成手段（９〜１１，１５）と、
   前記入力電圧の変化又は前記負荷が電力を消費することに伴う出力電流の変化に応じて変調制御電圧を生成する変調制御電圧生成手段（７，７Ａ，５１，６１，７１）と、
   前記変調制御電圧に応じて、前記ＰＷＭ信号生成手段におけるキャリア周波数を周波数変調する周波数変調手段（８）とを備えることを特徴とするスイッチング電源回路。
2. 前記周波数変調手段は、前記変調制御電圧に応じて前記キャリア周波数の変調周波数幅を変化させ、
   前記変調制御電圧生成手段（７，７Ａ，５１）は、前記入力電圧又は出力電流が上昇するのに応じて、前記変調周波数幅を減少させるように前記変調制御電圧を生成することを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源回路。
3. 前記周波数変調手段は、前記変調制御電圧に応じて前記キャリア周波数を変調する周波数を変化させ、
   前記変調制御電圧生成手段（６１，７１）は、前記入力電圧又は出力電流が上昇するのに応じて、前記キャリア周波数を変調する周波数を上昇させるように前記変調制御電圧を生成することを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチング電源回路。
4. 前記変調制御電圧生成手段は、前記変調制御電圧として、上限電圧，下限電圧及びバイアス電圧を生成し、
   前記周波数変調手段は、前記キャリア周波数を変調するための変調電圧を出力するもので、
   電源とグランドとの間に接続される第１〜第４スイッチング素子（２５ｃ，２９，３０，２８ｂ）の直列回路と、
   前記バイアス電圧に応じて制御電流を発生すると共に、前記制御電流のミラー電流を流すカレントミラー回路（２５，２８）と、
   前記変調電圧が非反転入力端子に与えられると共に、前記上限電圧が反転入力端子に与えられる第１比較器（３１）と、
   前記変調電圧が反転入力端子に与えられると共に、前記下限電圧が非反転入力端子に与えられる第２比較器（３２）と、
   前記第１比較器の出力端子がセット端子に、前記第２比較器の出力端子がリセット端子に、前記第２及び第３スイッチング素子の導通制御端子が出力端子にそれぞれ接続されるＲＳフリップフロップ（３３）と、
   前記第２及び第３スイッチング素子の共通接続点とグランドとの間に接続されるコンデンサ（Ｃｍ）とで構成され、
   前記第１，第４スイッチング素子は、前記カレントミラー回路の一部を構成して前記ミラー電流を流すように制御され、
   前記第２及び第３スイッチング素子の共通接続点より前記変調電圧が出力されることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のスイッチング電源回路。
5. 前記変調制御電圧生成手段（７，６１）は、前記入力電圧又は出力電流に応じて制御電流を発生すると共に、前記制御電流のミラー電流を流すミラー電流経路を１つ以上有するカレントミラー回路（２１，２１’，２２）を備え、 前記変調制御電圧のうち前記変化させる対象となる電圧については、前記ミラー電流経路に挿入される抵抗素子の端子電圧の変化に基づいて設定することを特徴とする請求項４記載のスイッチング電源回路。
6. 前記カレントミラー回路（２１，２２）は、それぞれ第１〜第３抵抗素子（Ｒ２〜Ｒ４）が挿入され、前記第１〜第３抵抗素子の端子電圧によって前記上限電圧，前記下限電圧，前記バイアス電圧が夫々設定される第１〜第３ミラー電流経路を備え、
   前記第３抵抗素子の抵抗値は、前記第１，第２抵抗素子の抵抗値の差に等しく設定されていることを特徴とする請求項５記載のスイッチング電源回路。
7. 前記変調制御電圧生成手段（５１，７１）は、前記入力電圧又は出力電流の検出電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ（５６）と、
   このＡ／Ｄコンバータにより変換されたデータをデコードする１つ以上のデコーダ（５７〜５９）と、
   電源とグランドとの間に複数の抵抗素子を直列接続してなる抵抗回路（５２，５３）と、一端が共通に接続され、他端が前記各抵抗素子の一端にそれぞれ接続される複数のスイッチ回路（５４，５５）とを有してなる１つ以上の制御電圧設定回路とで構成され、
   前記複数のスイッチ回路は、前記デコーダによるデコードの結果に応じて択一的にオンされるように制御され、
   前記変調制御電圧のうち前記変化させる対象となる電圧については、前記制御電圧設定回路により設定することを特徴とする請求項５記載のスイッチング電源回路。
8. 前記上限電圧，前記下限電圧，前記バイアス電圧が夫々設定される第１〜第３制御電圧設定回路（５２〜５５）と、
   前記第１〜第３制御電圧設定回路のスイッチ回路をそれぞれ個別に制御する第１〜第３デコーダ（５７〜５９）とを備え、
   前記第３デコーダは、前記バイアス電圧を、前記第１，第２デコーダにより設定される上限電圧と下限電圧との差に比例した値に設定することを特徴とする請求項７記載のスイッチング電源回路。
9. 前記ＰＷＭ信号生成手段は、入力される変調電圧に応じて周波数が変化する三角波のキャリアを生成する三角波発振器（９）と、
   出力電圧の変化に応じてＰＷＭ制御電圧を生成する制御電圧生成手段（１１，１５）と、
   前記キャリアの振幅と前記ＰＷＭ制御電圧とを比較してＰＷＭ信号を生成する比較器（１０）とで構成されることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載のスイッチング電源回路。
10. 前記三角波発振器は、電源とグランドとの間に接続される第１〜第４スイッチング素子（３８ｃ，４２，４３，４１ｂ）の直列回路と、
    前記変調電圧に応じて制御電流を発生すると共に、前記制御電流のミラー電流を流すカレントミラー回路（３８，４１）と、
    前記変調電圧が非反転入力端子に与えられると共に、高電位側基準電圧が反転入力端子に与えられる第１比較器（４４）と、
    前記変調電圧が反転入力端子に与えられると共に、低電位側基準電圧が非反転入力端子に与えられる第２比較器（４５）と、
    前記第１比較器の出力端子がセット端子に、前記第２比較器の出力端子がリセット端子に、前記第２及び第３スイッチング素子の導通制御端子が出力端子にそれぞれ接続されるＲＳフリップフロップ（４６）と、
    前記第２及び第３スイッチング素子の共通接続点とグランドとの間に接続されるコンデンサ（ＣＴ）とで構成され、
    前記第１，第４スイッチング素子は、前記カレントミラー回路の一部を構成して前記ミラー電流を流すように制御され、
    前記第２及び第３スイッチング素子の共通接続点より、前記キャリアが出力されることを特徴とする請求項９記載のスイッチング電源回路。
11. 前記ＰＷＭ信号生成手段は、入力される変調電圧に応じて周波数が変化する矩形波のキャリアを生成する矩形波発振器（８３）と、
    出力電圧の変化に応じてＰＷＭ制御電圧を生成する制御電圧生成手段（１１，１５）と、
    出力電流に応じた電圧と前記ＰＷＭ制御電圧とを比較する比較器（８５）と、
    前記キャリアがセット端子に、前記比較器の出力信号がリセット端子にそれぞれ与えられ、前記スイッチング素子の導通制御端子が出力端子に接続されるＲＳフリップフロップ（８６）とで構成されることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載のスイッチング電源回路。
12. 前記矩形波発振器は、電源とグランドとの間に接続される第１〜第４スイッチング素子（３８ｃ，４２，４３，４１ｂ）の直列回路と、
    前記変調電圧に応じて制御電流を発生すると共に、前記制御電流のミラー電流を流すカレントミラー回路（３８，４１）と、
    前記変調電圧が非反転入力端子に与えられると共に、高電位側基準電圧が反転入力端子に与えられる第１比較器（４４）と、
    前記変調電圧が反転入力端子に与えられると共に、低電位側基準電圧が非反転入力端子に与えられる第２比較器（４５）と、
    前記第１比較器の出力端子がセット端子に、前記第２比較器の出力端子がリセット端子に、前記第２及び第３スイッチング素子の導通制御端子が出力端子にそれぞれ接続されるＲＳフリップフロップ（４６）と、
    前記第２及び第３スイッチング素子の共通接続点とグランドとの間に接続されるコンデンサ（ＣＴ）と、
    前記ＲＳフリップフロップの出力信号を論理演算することで前記矩形波のキャリアを生成出力するロジック部（８７）とで構成され、
    前記第１，第４スイッチング素子は、前記カレントミラー回路の一部を構成して前記ミラー電流を流すように制御され、
    前記ロジック部の出力端子より、前記キャリアが出力されることを特徴とする請求項１１記載のスイッチング電源回路。

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