JP6510637B2 - スイッチングレギュレータ制御回路 - Google Patents

Description

[0001]本開示は、一般は、スイッチングレギュレータに関し、より詳しくは、スイッチングレギュレータ制御回路に関する。

[0002]電力スイッチと称されることもあるスイッチを含み、ＡＣ又はＤＣの電圧源又は電流源などの入力からのエネルギーを安定化出力（ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｏｕｔｐｕｔ）に移送するためのレギュレータ又はコンバータが広く知られている。スイッチングレギュレータと称されることもある一部のレギュレータにおいては、スイッチがオンオフして出力を調節する。リニアレギュレータと称されることもある他のレギュレータにおいては、スイッチは、その活性領域又は飽和領域で動作する。

[0003]一般的なスイッチングレギュレータ構成は、いくつかの例を挙げると、バック、ブースト、バックブースト、フライバック、ＳＥＰＩＣ、Ｃｕｋ、ハーフブリッジ、及びフルブリッジを含む。やはり周知であるように、パルス幅変調（ＰＷＭ）とパルス周波数変調（ＰＦＭ）とを含む、電力スイッチの導通を制御するための様々な制御方法をスイッチングレギュレータに適用することが可能であり、これらの制御方法のそれぞれに対し、電圧モード制御と電流モード制御とを含む、様々なフィードバック及びフィードフォワード技法が可能である。

[0004]スイッチングレギュレータは、直列及び／又は並列に結合された１つ又は複数のＬＥＤを含み得るＬＥＤ負荷を駆動するための安定化電流を提供するのに用いられることが多い。そのようなスイッチングレギュレータは、ＬＥＤを選択的に調光することによって、ＬＥＤの強度又は輝度を制御する。アナログ調光と称されることもある、あるタイプのＬＥＤの調光では、安定化ＬＥＤ電流を調節することによって、ＬＥＤの強度が調節される。アナログ調光は、基準信号とレギュレータ出力に比例するフィードバック信号とに応答して誤差信号を生成する誤差増幅器を利用することがあり得る。そして、誤差信号は、スイッチの導通と、その結果生じる安定化電流とを制御するためのスイッチ制御信号を生成するのに用いられる。たとえば、誤差信号は、ＬＥＤ電流を所望のレベルに安定化させるのに適したデューティサイクルでスイッチ制御信号を生成するために、ランプ（ｒａｍｐ）信号と比較されることがあり得る。

[0005]ＰＷＭ調光と称されることもある別のタイプのＬＥＤ調光では、ＬＥＤの強度は、ＤＣ電流及び周波数（典型的には、１００Ｈｚから１ＫＨｚ）が固定されている可変デューティサイクルのＰＷＭ信号に応答してＬＥＤをオンオフさせることによって、調節される。ＰＷＭ信号は、外部から提供されるか、又は、内部で生成され得る。

[0006]ＬＥＤについては、多くの場合、アナログ調光よりもＰＷＭ調光が好まれるが、その理由は、ＰＷＭ調光が、アナログ調光を用いるときに生じる可能性があるカラーシフトを最小化するからである。他方で、アナログ調光はＰＷＭ調光に比べて実装が複雑化しないことが可能であり、またＰＷＭ調光はＬＥＤ電流をパルス化し、それが、可視フリッカ、可聴ノイズ、又はＥＭＩ問題を生じさせることがあり得る。

[0007]図１は、ＰＷＭ調光とアナログ調光との両方を許容する電流モード制御を用いてＬＥＤ負荷を駆動する、ブーストレギュレータを図解している。アナログ調光は、外部ピン上の電圧に従って誤差増幅器（Ｉ１）の基準を調節することにより達成される。図１に図解されているように、ＩＲＥＦピンは、電圧が１．０Ｖ未満であるときに誤差増幅器の基準を制御するのに用いられ得る外部入力である。ＩＲＥＦピンが１．０Ｖを超えるときには、コンパレータ１１０が、アナログマルチプレクサ（「ｍｕｘ」）１１３の状態を変更し、誤差増幅器を、ＩＲＥＦピンに供給される電圧よりも正確であり得る内部基準で動作させる。この機能は、外部信号が内部基準未満であるときに、内部基準を無効にする追加的な正の入力を誤差増幅器（Ｉ１）に加えることによって、実装されることがある。

[0008]ＰＷＭ調光のためには、ユーザは、デジタルＰＷＭ信号を図１のＰＷＭピンに供給することによって、ＬＥＤの強度を制御する。言及したように、いくつかのＬＥＤレギュレータは、チップ上でのＰＷＭ信号の生成を含む場合があり得るが、その場合は、ユーザが、ＰＷＭデューティサイクルに変換されるアナログ信号を供給する。図２の例示的な波形も参照すると、ＰＷＭ信号がローのときには、ＳＷノードは、ＡＮＤゲート１５がＬＥＤ電流をディセーブルさせるトライステートである。さらに、多くのＬＥＤレギュレータは、スイッチＳＷ１を導入することによって、ＣＯＭＰノードもトライステートにする。この技法によると、レギュレータがＰＷＭ入力の立ち上がりエッジで再びイネーブルされると、制御ループが迅速に回復することが可能になる。スイッチＳＷ１が存在しない場合には、誤差増幅器（Ｉ１）は、動作を再開するために、ＣＯＭＰノードをスルー（ｓｌｅｗ）させなければならないはずである。

[0009]ＬＥＤをさらに高速にオンオフさせるために、いくつかのレギュレータでは、図１のＭ２によって図解されているように、ＬＥＤと直列でありＰＷＭ入力によって駆動されるスイッチを導入する。Ｍ２がない場合には、ＬＥＤ電流のターンオフ特性は指数関数的になるが、その理由は、ＬＥＤにおける動的抵抗がＬＥＤのダイオード素子をオフにするのに十分なほど出力キャパシタ（Ｃｏｕｔ）を放電するまで、ＣｏｕｔがＬＥＤに電流を供給し続けるからである。ＬＥＤにおける動的抵抗は、よりゆっくりと出力キャパシタを放電させるが、この結果として、ソフトなターンオフ特性と出力キャパシタの両端の小さな電圧リプルとが生じる。このソフトなターンオフ特性のために、低いデューティサイクルの場合は特に、ＰＷＭピンのデューティサイクルとＬＥＤの強度との間の関係が非線形になる。他方で、瞬間的にＬＥＤ電流をオンオフさせると、いくつかのシステムではＥＭＩ問題が生じ得るが、その理由は、高速のエッジが、減衰させるのが困難である可能性がある高調波ノイズを、さらに高い周波数領域で生じさせるからである。この問題は、ＬＥＤドライバとＬＥＤとの間に、図１に示されているように有線が存在するときに特に悪化するが、その理由は、その有線がＥＭＩ放射のためのアンテナとして作用するからである。

[0010]スイッチングレギュレータ制御回路が、レギュレータの安定化出力の変化（すなわち、増加及び／又は減少）率を制御するようにランプされている基準信号に応答してレギュレータスイッチの導通を制御するための制御信号を生成するように構成された回路を含み、制御信号は、ＰＷＭ信号に応答してゲートされる。この構成を用いると、安定化出力がＬＥＤ負荷を駆動するための安定化電流である適用例では、ＬＥＤは、ＰＷＭ信号に応答して、しかし、基準信号に応答したＬＥＤ電流のランプ制御と共に、調光される。説明されている回路と技法を用いると、スイッチを瞬間的にオンオフすることによって生じるＥＭＩ及びその他の問題は、ＬＥＤをオンにするときにはＬＥＤ電流をゆっくりとランプアップし、ＬＥＤをオフにするときにはＬＥＤをゆっくりとランプダウンすることによって、十分に制御された態様で緩和される。たとえば、説明されている構成は、調光された後でＬＥＤが再びオンにされるときに、制御ループのオーバシュートを減少させる。説明されている回路と方法とは、優れた低いデューティサイクル性能を可能にしながら、ＥＭＩを減少させる。

[0011]機能は、以下のうちの１つ又は複数を含み得る。ＰＷＭ信号は、外部デジタル信号の遅延バージョンであり得る。安定化出力は、電流であり、基準信号は、安定化出力の減少率を制御するためにランプダウンされ得る。基準信号は、部分的にキャパシタによって確立されたレートで、及び／又は、ユーザがプログラム可能なレートで、ランプされ得る。基準信号には、第１のソフトスタート時間間隔の間に第１の電流源によって確立された第１の増加率と、第２の時間間隔の間に第２の電流源によって確立された第２のより高速の増加率とが提供され得る。

ＬＥＤを調光する方法であって、ＰＷＭ信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとのうちの関連する一方に応答してスイッチをオンに切り替え、ＰＷＭ信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとのうちの他方に応答してスイッチをオフに切り替えるために、ＰＷＭ信号をスイッチに提供するステップを含む方法もまた説明される。ＬＥＤ電流は、スイッチをオフにすることに関連する立ち上がりエッジもしくは立ち下がりエッジの一方又はＰＷＭ信号に応答して、ランプダウンされる。ＬＥＤ電流は、ＰＷＭ信号の遷移の後でスイッチのオフへの切り替えを遅延させることによって、ランプダウンされ得る。遅延は、基準信号と所定の閾値との交差に基づいて、確立され得る。基準信号は、部分的にキャパシタによって確立されたレートで、及び／又は、ユーザがプログラム可能なレートで、ランプされ得る。ソフトスタート機能が、実装され得る。基準信号のランピングは、タイムアウト機能に従う。ＬＥＤ負荷と直列に結合された第２のスイッチは、基準信号に応答して、リニアレギュレータによって制御され得る。

[0012]本開示自体に加え、以上の本開示の機能については、下記の図面に関する以下の詳細な説明から、より十分な理解を得ることができる。

[0013]従来型のスイッチングレギュレータの回路図である。 [0014]図１のレギュレータと関連するいくつかの例示的な波形図である。 [0015]ランプ制御機能を備えた制御回路を有するスイッチングレギュレータの回路図である。 [0016]図３のレギュレータと関連するいくつかの例示的な波形図である。 [0017]図３のレギュレータと関連するいくつかの追加的な例示的な波形図である。 [0018]図３のランプ制御機能のタイムアウトのための例示的なプロセスを示す流れ図である。 [0019]別のランプ制御機能を含む制御回路を有するスイッチングレギュレータの回路図である。 [0020]図７のレギュレータと関連するいくつかの例示的な波形図である。

[0021]図３を参照すると、入力源ＶＩＮからのエネルギーを安定化出力が提供される出力へ移送するように導通するスイッチＭ１を含むスイッチングレギュレータは、スイッチＭ１の導通を制御するための制御信号を生成するように構成された回路であって、基準信号（たとえば、ＩＲＥＦにおいて提供される）に応答する第１の入力と、安定化出力（たとえば、Ｉ４によって提供される）に比例するフィードバック信号に応答する第２の入力と、制御信号が提供される出力とを有する回路を、さらに含む。ＩＲＥＦ基準信号は、ランプ制御機能を実装するために、安定化出力（Ｉ_ＬＥＤ）の変化（すなわち、増加及び／又は減少）率を制御するようにランプされる。レギュレータ制御回路は、この回路自体の出力に結合されておりＰＷＭ_ＩＮＴ信号に応答して制御信号をゲートする論理回路Ｉ５を、さらに含む。

[0022]より詳しくは、レギュレータ制御回路は、ＩＲＥＦ電圧をゆっくりランプさせるための外部キャップ（Ｃ_ＩＲＥＦ）と共にＩＲＥＦピンに結合された電流源（Ｉ１４）と電流シンク（Ｉ１５）とを含む。ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤは、後述されるように、電流源（Ｉ１４、Ｉ１６）又は電流シンク（Ｉ１５）によって確立されたレートとキャパシタＣ_ＩＲＥＦの値とで、ＩＲＥＦ電圧と共にゆっくりとランプすることになる。外部キャップＣ_ＩＲＥＦを用いることにより、ユーザが、ランプレートを、典型的には１０μから１００μｓのオーダーでプログラムすることが可能になる。ＩＲＥＦピンのシンク及びソース電流に加えて、レギュレータは、また、ランプ制御機能を形成するために、１０％のＩＲＥＦＬＯコンパレータ（Ｉ１１）と、１１０％の高インピーダンスドライバ（Ｉ１２）と、ＩＲＥＦプルダウン（ＳＷ３）と、デジタルコントローラＩ２０とを含む。

[0023]図３と関連する例示的な波形を示す図４も参照すると、ランプ制御機能は、ＰＷＭ入力の立ち上がり及び立ち下がりエッジの後でのみ、アクティブである。ＰＷＭ入力がローからハイになると、ＩＲＥＦピンは、０Ｖから始まり、ＩＲＥＦキャパシタンスとソースＩ１４のソース電流（Ｔ１からＴ２）とによって決定されるレートで、内部基準（ここでは、１．０Ｖ）を超えてランプアップする。示されているように、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤは、ＩＲＥＦピンの電圧をトラッキングして、ＩＲＥＦ電圧と、共にゆっくりとランプアップする。

[0024]ＩＲＥＦピンが１．０Ｖの内部基準を超えると、コンパレータＩ１０がトリップして（すなわち、ＩＲＥＦＨＩ＝１）、マルチプレクサ１１３をトグルさせて、ＩＲＥＦピンから１．０Ｖの内部基準へとハンドオフ制御させる。デジタルコントローラを通じて、ＩＲＥＦＨＩ信号は、また、ソース信号を用いてソース電流Ｉ１４をディセーブルし、１１０％のドライバ（Ｉ１２）をクランプ信号を用いてオンにする。これにより、ＩＲＥＦが１．０Ｖ基準より下まで低下しないことを保証しながら、１．０Ｖ基準をはるかに超えて十分に充電することが防止される。ドライバ（Ｉ１２）は、１０μＡのオーダーのソース及びシンク能力だけを有する１．１Ｖ基準にバッファとして接続されたＯＴＡを用いて、実装され得る。この高インピーダンスの駆動により、ユーザがドライバを容易に無効にして、アンテナ調光基準を設定するために基準ＩＲＥＦを１．０Ｖ未満にプルすることが可能になる。ＩＲＥＦピンがＩＲＥＦＨＩコンパレータＩ１０より下までプルされると、１１０％のドライバＩ１２はスイッチＳＷ２を用いてディセーブルされることに注意されたい。このシステムは、動作のアナログ調光モードを検出し、よりよい精度を提供するために、ソース及びシンク電流（Ｉ１４及びＩ１５）をディセーブルするようにも、設計され得る。

[0025]図３及び図４に示されているように、ＰＷＭ_ＩＮＴ信号は、ＰＷＭ_ＩＮＴの立ち上がりエッジで、ＳＷ動作を再開させ、ＬＥＤスイッチを閉じ（Ｍ２）、ＣＯＭＰスイッチ（ＳＷ１）を閉じる。しかし、ランプ制御機能の追加により、ＬＥＤスイッチが閉じられると（Ｍ２）、後でより詳細に説明される放電特性のために、ＬＥＤ電流は１０％レベルにジャンプするだけである。図解されているように、時間Ｔ１で、ＳＷ、ＣＯＭＰ、及びＬＥＤの動作が再開され、ランプ制御機能が、ＩＲＥＦピンをゆっくりとランプアップさせ始め、その結果、ＬＥＤ電流（Ｉ_ＬＥＤ）、ＬＥＤ電圧（ＶＯＵＴ）、及びＣＯＭＰ電圧をゆっくりとランプアップさせる。

[0026]ＰＷＭ入力がハイからローになると、図４に示されているように、クランプがディセーブルされ、１．１Ｖの基準で始まるシンク電流（Ｉ１５）でＩＲＥＦピンが放電され、次に、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤが、１．０ＶのハンドオフでＩＲＥＦ電圧をトラッキングしながら、ランプダウンし始める。従来技術では、ＬＥＤスイッチ（Ｍ２）は、ＰＷＭの立ち下がりエッジで直ちにオフになるが、ランプ制御機能があると、ＬＥＤスイッチＭ２は、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤがランプダウンされている間、閉じられなければならない。この遅延は、ＰＷＭ_ＩＮＴ信号を経由して、デジタルコントローラ（１２０）によって実装される。ＰＷＭ入力の立ち下がりエッジの後では、ＰＷＭ_ＩＮＴ信号は、ＩＲＥＦピンの電圧が１０％の閾値に達するまで（すなわち、ＩＲＥＦＬＯ信号が時間Ｔ４に遷移するまで）、ハイのままである。よって、ＰＷＭ_ＩＮＴ信号がＰＷＭ入力における信号の遅延バージョンであることが明らかであり、遅延は、ＩＲＥＦピンにおける電圧がＰＷＭ信号の立ち下がりエッジで（コンパレータＩ１１によって確立された）１０％の閾値に下がるのに要する時間に対応する、及び／又は、遅延は、ＩＲＥＦピンにおける電圧がＰＷＭ信号の立ち上がりエッジで１０％の閾値を超えるのに要する時間に対応する。ＰＷＭ_ＩＮＴの立ち下がりエッジ（Ｔ４）では、ＬＥＤスイッチ（Ｍ２）が開かれ、ＳＷ動作が停止され、ＣＯＭＰノードがスイッチＳＷ１を用いてトライステートになる。ＣＯＭＰノードが、出力がアクティブでない間は制御ループ動作点を保存するためにトライステートになることにより、動作が再開すると、制御ループは非常に迅速に安定化を再開する。この場合、動作点は１０％のレベルにあったので、動作もまた１０％のレベルで再開する。

[0027]図４で論じられ図解されるように、ランプダウンの安定化（すなわち、ＩＲＥＦ電圧を経由した、ＬＥＤ電流Ｉ_ＬＥＤの減少率の制御）は、ＩＲＥＦピンがコンパレータＩ１１によって確立された１０％の閾値未満であるときには、停止される。この非ゼロの閾値が選択される理由は、ＬＥＤ電流がダンプダウンしているときには、出力キャパシタ（Ｃｏｕｔ）を放電させるために、システムがＬＥＤ列に依存しているからである。電流がより減少するにつれて、ＬＥＤが出力キャパシタンスを放電させる能力は低下し、これにより、ＬＥＤ電流は、ＩＲＥＦピンによって設定された基準よりも高いままになり得る。換言すると、図３のレギュレータはダイオードＤ１に起因して電流シンク能力をまったく有しておらず、したがって、ＬＥＤが放電され得る最速のレートは、ＣｏｕｔとＬＥＤのＶ−Ｉ特性（Ｄ_ＬＥＤ）とによって設定される。ＬＥＤの指数関数的なＶ−Ｉ特性のために、Ｃｏｕｔが放電するレートは、電流と共に低下する。したがって、１０％のターンオフ閾値は、ＬＥＤがＩＲＥＦ電圧を近似的にトラッキングするために十分なシンク能力を依然として有するように、選択される。

[0028]レギュレータは、ＤＣＭ（不連続導通モード）動作とＳＷノードの最小デューティサイクル限度とのために、極端に低いレベルまではＬＥＤ電流を安定化できないため、１０％での遮断は、ＰＷＭ入力の立ち上がりエッジに対しても有益である。その理由により、１０％は、また、制御ループがＬＥＤ電流を容易に維持できる点としても選択される。図４に示されているように、制御は、ディセーブルされたのと同じレベル（１０％）で再開されることが望ましい。これは、ＬＥＤ電圧（ＶＯＵＴ）がそのレベルまで放電され、ＣＯＭＰノードがそのレベルに設定されているからである。補償ネットワーク内でＲ１によって導入されたゼロのために、ＣＯＭＰノードは、ＰＷＭ_ＩＮＴの立ち上がり及び立ち下がりエッジにおいてステップ応答を有する、ということに注意されたい。ＣＯＭＰはスルーしているので、ＳＷ１が開くと消滅させられるＲ１の両端の間に電圧が生じる。コントローラが再びイネーブルされると、インダクタ電流を正しいレベルまでスルーさせるために、ＣＯＭＰノードは、いくらかのオーバシュートを生じる。

[0029]制御ループがＩＲＥＦピンにおける低い電圧で安定化を維持できることを保証するために、レギュレータに軽い負荷の制御技法を含めることが望ましいことがあり得る。軽い負荷の制御技法のひとつとして、図３のＩ７における４００ｍＶのノードで示されているように、電流センス信号においてオフセットを導入することによって実装可能なパルススキッピングがある。したがって、ＳＷノードは、ＣＯＭＰ電圧が４００ｍＶの基準未満まで低下すると、スイッチングを停止し、ＣＯＭＰ電圧が４００ｍＶの台よりも上まで上昇すると、再開する。この技法は、パルス周波数変調やコンスタントオンタイムなど、他の軽い負荷制御技法と共に、当業者には広く理解されている。

[0030]図４に図解されているように、１０％のＩＲＥＦＬＯ閾値の結果として、ＬＥＤスイッチ（Ｍ２）が開閉されると、ＬＥＤ電流に小さな１０％のステップが生じる。このステップの大きさが小さいことにより、深刻なＥＭＩ問題を生じさせないはずである。しかし、ＬＥＤと並列に小さなキャパシタ（Ｃ_ＬＥＤ）を追加することで、エッジレートを縮小させることが可能になる。このキャパシタ（Ｃ_ＬＥＤ）は、Ｃｏｕｔのキャパシタよりも、大きさが少なくとも１桁から数桁小さくなければならない。

[0031]ＬＥＤドライバでは、ＰＷＭ入力がＬＥＤのＰＷＭ調光に直接的に対応することが重要であり、ＰＷＭ調光は、光の強度の一次関数である。ほとんどの場合には、ＩＲＥＦランプは、より高いデューティサイクルでのＬＥＤのオン時間と比較して僅かであるが、デューティサイクルが低い場合には、ＬＥＤのオン時間と比較して誤差項がはるかに深刻であるために、この要件を満たすことは特に困難かつ重要になる。ランプ制御機能を用いてこの要件を満たすために、制御回路は、ランプアップしている時の曲線の下の面積とランプダウンしている時の面積とを加算した面積を、制御機能が存在していない場合と同じ面積にするように設計されている。これを達成するためには、ＩＲＥＦピンのソース及びシンク電流（Ｉ１４及びＩ１５）は同一であってよく、相対的によい精度で実装され得る。１０％のＩＲＥＦＬＯ機能によって導入された遅延をキャンセルするために、ＩＲＥＦドライバ（Ｉ１２）基準は、基準ハンドオフ点（１．０Ｖ）よりも１０％高くなるように選択される。この方法は、ＩＲＥＦドライバ（Ｉ１２）が１．０Ｖの内部基準に対して正確であることに依存している。

[0032]補償ネットワークによってＣＯＭＰピンに設定されるクロスオーバ周波数によっては、ＬＥＤ電流が、ＩＲＥＦピンを厳密にトラッキングしないことがあり得る。これは、高速のＬＥＤ電流スルーレートが望ましいとき、又は、大きな出力キャパシタ（Ｃｏｕｔ）もしくは補償キャパシタ（Ｃ１）が用いられるときに、特に当てはまる。誤差増幅器の電流シンク及びソース能力もまた、ＩＲＥＦ電圧をトラッキングする制御ループの能力に影響を与え得る。ＬＥＤ電流がＩＲＥＦのランプレートに遅れる状況では、ＩＲＥＦピンのスルーレートは、所望のＬＥＤ電流のランプレートが達成されるまで、調整されるべきである。図５は、システムが、高速のＬＥＤ電流のスルーレートでどのように動作するかを図解しており、この図では、ＬＥＤ電流は、ＩＲＥＦピンを厳密にトラッキングしていない（予測されるＬＥＤ電流が破線で示されている）。図解されているように、より高速のランプ及び／又はより低速の制御ループは、結果的に、ＰＷＭ_ＩＮＴの立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジでのＬＥＤ電流により大きなステップを生じさせる。

[0033]高速のＩＲＥＦピンのランプレートを用いてＬＥＤ電流のトラッキングを改善するために、ＩＲＥＦＨＩ＝０の間に誤差増幅器の相互コンダクタンスを上昇させることによって達成され得るＣＯＭＰピンのより高速なスルーイングを提供するように、誤差増幅器が変更されることが可能であり、これによって、制御ループのクロスオーバ周波数を上昇させることになる。さらに、誤差増幅器のソース及びシンク能力が、変更され得る。フィードバック入力とＩＲＥＦ入力との差が大きくなりすぎるときには、ＣＯＭＰピンをスルーさせるために、大信号制御技法も用いられ得る。このアプローチと類似のものとして、開ループの態様でＣＯＭＰピンを単純にランプすることもあり得る。これらの方法は、デジタル制御ループを使用する場合にはさらに拡張され得る。

[0034]ランプ制御機能が故障に対して堅牢でありアナログ調光又はＰＷＭ調光機能に悪影響を与えないことを保証するために、ランプ制御タイムアウト機能や他の類似の機能が実装され得る。タイムアウト機能は、ＩＲＥＦがランプダウンしているときに特に重要であり得るが、その理由は、ランプ制御機能は、ＩＲＥＦがＩＲＥＦＬＯ閾値を超えるまで、ＳＷノードのトライステート化（Ｍ１の強制的なオフ）とＬＥＤスイッチ（Ｍ２）の開放とを遅延させるからである。この遅延の結果、アナログ調光のためにＤＣ信号を用いてＩＲＥＦ入力が駆動されるときに、ＰＷＭ入力が無視されることになる。タイムアウトにより、ＰＷＭ調光の間に、ＩＲＥＦピンを１．０Ｖ基準を超えるように駆動することによって、ユーザがランプ制御機能をディセーブルすることも可能になる。ＩＲＥＦピンを浮遊状態にしてもＩＲＥＦピンの寄生キャパシタンスのためにランプ制御の影響は完全には消去できないため、ランプ制御機能が望ましくない場合に、これは有益である。

[0035]図６は、例示的なランプ制御タイムアウト機能の動作の詳細を示している。ランプ制御タイムアウトは、ＰＷＭの立ち下がりエッジのみにおいてモニタされ、タイムアウトタイマは、ＰＷＭ入力がローになると始動する。ＩＲＥＦがＩＲＥＦＬＯ閾値（ＩＲＥＦＬＯ＝１）と交差すると、タイマがリセットされ、ランプ制御動作は通常通りに継続する。そうではなく、ＩＲＥＦＬＯ＝１となる前にタイマが最終カウントに到達する場合には、ランプ制御機能がディセーブルされる。この機能は、ＩＲＥＦ信号がＩＲＥＦＬＯ閾値よりも低く駆動されるまで、ディセーブルされたままである。ＩＲＥＦピンがもはや外部から駆動されなくなると、当然にランプ制御動作が再開するが、これは、ＰＷＭ信号がローになると、シンク電流がＩＲＥＦピンをランプするからである。

[0036]ランプ制御機能をディセーブルするためには他の回路及び技法も用いられ得ることが認識されるであろう。たとえば、モードピンや、さらにはシリアルインターフェースなどの、他のピンが、ランプ制御機能を直接にディセーブルするために用いられることがあり得る。

[0037]スタートアップ及びフォールト条件の間は、ＩＲＥＦピンは、スタートアップ状態に初期化される。これは、図３では、ＩＲＥＦピンをプルダウンするために、ＳＷ３とデジタルコントローラＩ２０から来るＩＲＥＦＰＤ信号とを用いて、行われる。

[0038]ランプ制御アーキテクチャは、図３に示されている実装例などのソフトスタート機能を含むのに適している。基準信号ＩＲＥＦには、第１のソフトスタート時間間隔の間にソフトスタート機能を実装するために、電流源Ｉ１６によって確立された第１の増加率（すなわち、第１のレートでのランプアップ）が提供され、第２の時間間隔の間にランプ制御機能を実装するために電流源Ｉ１４によって確立された第２のより高速の増加率が提供される。それぞれの電流源制御信号（ソース及びソフトスタート）は、示されているように、デジタルコントローラによって提供される。

[0039]この例示的な実施形態では、ランプ制御機能は、１０μＡのシンク及びソース電流（Ｉ１４及びＩ１５）を用いて実装され、他方で、ソフトスタートランプは、１μＡの電流源（Ｉ１６）を用いて実装される。この結果、ランプ制御レートよりも１０倍遅いソフトスタートランプが生じる。他のレートが用いられることもあり得る。スタートアップの際、第１の時間間隔の間、ＵＶＬＯ（ｕｎｄｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｏｃｋ ｏｕｔ）故障が解消した後、又は任意の他の故障の後で、ＩＲＥＦプルダウン（ＳＷ３）がリリースされ、１μＡのソフトスタート電流（Ｉ１６）が、ランプ制御電流源（Ｉ１４及びＩ１５）がディセーブルされた状態で、ＩＲＥＦピンを充電するのに用いられることになる。ＩＲＥＦピンがＩＲＥＦＨＩ閾値と交差した後に開始する第２の時間間隔の間には、ソフトスタート機能がディセーブルされ、ランプ制御ドライバと電流源とが、上述されたように、再び関わることになる。

[0040]図３は、誤差増幅器Ｉ１の基準を単にランプすることによって、ソフトスタート機能を実装する。その両端に数Ｖの電位差が存在しない限りＬＥＤは電流を導通させないという事実のために、電流センス電圧（ＣＳＰ−ＣＳＮ）は、ＶＯＵＴが数Ｖに達するまで、ゼロのままである。結果的に、０Ｖの電流センス電圧（ＣＳＰ−ＣＳＮ）はソフトスタートランプをトラッキングしていないので、誤差増幅器は、ＣＯＭＰピンを可能な限り強く駆動することになる。この結果として、ＬＥＤが最終的に導通を開始すると、いくらかのオーバシュートが生じ得る。幸運なことに、このオーバシュートは、非常に小さなＬＥＤ電流で生じ、その時点で、ＬＥＤ電流は、ソフトスタートランプのトラッキングを開始する。他のソフトスタート回路及び技法もまた可能である。一例は、ＬＥＤが導通を開始するまで、誤差増幅器のフィードバック信号を、電流センス増幅器Ｉ４からＶＯＵＴの両端の抵抗分割器に変更するものである。

[0041]ランプ制御機能は、提示されている回路及び技法に加えて、もしくは、提示されている回路及び技法の代わりに、他の回路並びに／又は技法を用いても、実装され得る。追加的な一技法が図７に図解されており、この技法によると、ＰＭＯＳであるＬＥＤスイッチ（Ｍ２）が、増幅器Ｉ２１の追加により、リニアレギュレータとなる。リニアレギュレータ（Ｉ２１及びＭ２）の基準は、ＩＲＥＦ信号である。このリニアレギュレータ技法は、先に説明されたＬＥＤストリングが出力キャパシタ（Ｃｏｕｔ）を放電するという制約を受けないが、その理由は、Ｍ２が、Ｃｏｕｔの両端の間の電圧とは独立にＬＥＤ電流を制御することができるからである。したがって、図７では、ＩＲＥＦＬＯの閾値は、より高性能であるこの技法を利用するために、５％（５０ｍＶ）に変更されている。さらに、ドライバＩ１２のための基準は、遅延を適切に消去するために、１０５％（１．０５Ｖ）に変更されている。回路における誤差に寛容であるように非ゼロのＩＲＥＦＬＯ閾値を用い、リニアレギュレータの設計要件を緩和することは依然として有益であることに注意されたい。

[0042]図７においてなされているように、ＬＥＤ電流を安定化させるために追加的な制御ループを加えるときには、複数のループが否定的に相互作用しないことが重要である。この場合に、スイッチングレギュレータは、リニアレギュレータＩ２１の電流の必要性をサポートするため、端的に、十分な電流を供給しなければならない。図７及び図８に示されているように、この要件は、ＩＲＥＦＨＩ信号を用いてＣＯＭＰピンをトライステートにすることによって満たされ、それにより、あたかもＬＥＤが十分な安定化電流をシンクし続けているように、スイッチングレギュレータが動作し続けることになる。結果的に、ＬＥＤ電流をダンプダウンするときには、図８に図解されているように、出力キャパシタが過剰電流を用いて充電されるにつれて、出力電圧（ＶＯＵＴ）が上昇する。次に、ＬＥＤ電流がランプアップされると、図８に示されているように、ＰＷＭ_ＩＮＴ信号をシフトすることによってスイッチングレギュレータがディセーブルされ、それにより、ＬＥＤ電流がランプアップされているため、出力キャパシタ（Ｃｏｕｔ）における過剰充電が使い尽くされる（ｄｅｐｌｅｔｅｄ）。ＩＲＥＦ電圧が１．０Ｖのハンドオフポイントを超えると、リニアレギュレータは、自然に、ＬＥＤスイッチ（Ｍ２）をトライオード領域に駆動するが、その理由は、スイッチングレギュレータが、リニアレギュレータによって要求されるよりも少ない電流を供給することによって、安定化を引き受けるからである。

[0043]設計が誤差に対して堅牢であることを保証するために、スイッチングレギュレータがすべての場合に対して十分な電流を提供することが保証されるように、誤差増幅器（Ｉ１）の基準とリニアレギュレータとの間にオフセットを追加することが有益であり得る。スイッチングレギュレータがリニアレギュレータに十分な電流を提供することを保証するためには、電流センス増幅器（Ｉ４）から、レギュレータへの出力電圧ＶＯＵＴが安定化ポイントよりも上のレベルにあることをモニタする抵抗分割器への誤差増幅器フィードバックを多重化するなど、他の技法も用いられ得る。

[0044]本明細書で引用されているすべての参考文献は、参照により、それらの全体が本明細書に組み込まれる。
[0045]本発明の好ましい実施形態について述べてきたが、当業者には、これらの概念を組み込む他の実施形態を用いることができることが明らかになろう。提案されるランプ制御回路及び技法は、これらに限定されないが、バック、ブースト、バックブースト、ＳＥＰＩＣ、Ｃｕｋ、ハーフブリッジ、フルブリッジ、及びリニアレギュレータを含む、任意のリニア又はスイッチングレギュレータのトポロジに適用され得ることが認識されるであろう。さらに、説明されている回路及び技法は、混合信号システムに限定されることはなく、デジタルアナログコンバータや、ＩＲＥＦピンにおける電流源と外部キャパシタとを置き換える充電ポンプなど、デジタル、アナログ、又はソフトウェアによる方法を用いて適用され得る。ＩＲＥＦピンのレートは、入力電圧、出力電圧、光の強度、又は任意の他の固定もしくは可変パラメータなど、他のパラメータによって定義され得る。ランプアップ及びランプダウン特性は、線形であることを必要とせず、たとえば、指数関数的な特性や、又は、所望の場合には形状に不連続性さえも有することがあり得る。説明されている回路及び技法は、電流モード制御（論じられ例示されたような）、電圧モード制御、コンスタントオンタイム制御、コンスタントオフタイム制御、又は任意の他のアナログ及び／もしくはデジタル制御方式を含む任意の制御ループを用いて、実装され得る。さらに、提案されている回路及び技法は、電流を安定させるレギュレータにおける適用に限定されることはなく、電圧、電力、又は他のパラメータを代わりに安定させるレギュレータにも適用され得る。さらに、本明細書で説明されているタイプのレギュレータは、ランプ制御機能を用いる本明細書で説明されている調光と共に、及び／又はそのような調光に加えて、他の調光モードでも動作し得ることが認識されるだろう。

[0046]したがって、これらの実施形態は、開示されている実施形態に限定されるべきでなく、むしろ、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (12)

1. 安定化出力がＬＥＤ負荷に提供される出力へ入力源からのエネルギーを移送するように導通するスイッチを備えたスイッチングレギュレータを制御するためのスイッチングレギュレータ制御回路であって、
   前記スイッチの導通を制御するための制御信号を生成するように構成されており、基準信号に応答する第１の入力と、前記安定化出力に比例するフィードバック信号に応答する第２の入力と、前記制御信号が提供される出力とを有する回路であって、前記基準信号は前記安定化出力の変化率を制御するようにランプされる、回路と、
   前記回路の前記出力において前記制御信号を受け取るように結合され、前記ＬＥＤ負荷を調光するためにＰＷＭ信号に応答して前記制御信号を前記スイッチに選択的に結合するように構成された論理回路であって、前記基準信号は前記ＰＷＭ信号のエッジに応答してランプされ、前記安定化出力は電流であり、前記基準信号は前記安定化出力の減少率を制御するようにランプダウンされ、前記ＰＷＭ信号は外部デジタル信号の遅延バージョンである、論理回路と、
   を備えるスイッチングレギュレータ制御回路。
2. 前記基準信号は、部分的にキャパシタによって確立されたレートでランプされる、請求項１に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
3. 前記基準信号は、ユーザがプログラム可能なレートでランプされる、請求項１に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
4. 前記基準信号は、ユーザが選択したキャパシタンスに従ってランプされる、請求項３に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
5. 前記基準信号に、第１のソフトスタート時間間隔の間に第１の電流源によって確立された第１の増加率と、第２の時間間隔の間に第２の電流源によって確立された第２のより高速な増加率とが提供される、請求項１に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
6. ＬＥＤを駆動するためのＬＥＤ電流を提供するように構成され、スイッチを備えるスイッチングレギュレータにおいて、前記ＬＥＤを調光する方法であって、
   基準信号とＬＥＤ電流に比例するフィードバック信号とに応答して前記スイッチの導通を制御するための制御信号を生成するステップと、
   ＰＷＭ信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとのうちの関連する一方に応答して前記スイッチをオンに切り替え、前記ＰＷＭ信号の前記立ち上がりエッジと前記立ち下がりエッジとのうちの他方に応答して前記スイッチをオフに切り替えるために、外部デジタル信号の遅延バージョンの形式のＰＷＭ信号に応答して前記制御信号を前記スイッチに選択的に結合するステップと、
   前記ＬＥＤ電流の減少率を制御するように、前記基準信号をランプダウンさせるステップと、
   を含む方法。
7. 前記ＬＥＤと直列に結合された第２のスイッチをリニアレギュレータとして動作させるために第２の制御信号を前記第２のスイッチに提供するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記ＬＥＤ電流は、ユーザがプログラム可能なレートでランプダウンされる、請求項６に記載の方法。
9. 前記ＬＥＤ電流がダンプダウンされる前記レートは、キャパシタンスの選択に従って選択可能である、請求項８に記載の方法。
10. タイムアウト条件に応答して、前記ＬＥＤ電流のランプダウンを停止させるステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
11. 前記タイムアウト条件は、基準信号が所定の電圧レベル未満に下降することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 安定化出力がＬＥＤ負荷に提供される出力へ入力源からのエネルギーを移送するように導通するスイッチを備えたスイッチングレギュレータを制御するためのスイッチングレギュレータ制御回路であって、
    前記スイッチの導通を制御するための制御信号を生成するように構成されており、基準信号に応答する第１の入力と、前記安定化出力に比例するフィードバック信号に応答する第２の入力と、前記制御信号が提供される出力とを有する回路であって、前記基準信号は電流源及び電流シンクに結合され、前記基準信号は前記安定化出力の変化率を制御するようにランプされる、回路と、
    前記回路の前記出力において前記制御信号を受け取るように結合され、前記ＬＥＤ負荷を調光するためにＰＷＭ信号に応答して前記制御信号を前記スイッチに選択的に結合するように構成された論理回路であって、前記電流源及び前記電流シンクは前記ＰＷＭ信号によって制御され、前記安定化出力は電流であり、前記基準信号は前記安定化出力の減少率を制御するようにランプダウンされ、前記ＰＷＭ信号は外部デジタル信号の遅延バージョンである、論理回路と、
    を備えるスイッチングレギュレータ制御回路。

Images