JP7185609B2 - 矩形波信号生成回路、及びスイッチング電源 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、矩形波信号生成回路、及びスイッチング電源に関する。

計算機の高速化や電子制御モーターの高精度化が進むにつれ、定電圧安定化電源に対する出力電源電圧の安定性の要求が厳しくなっている。同時に、要求される出力電流は増大し、高効率化の要求も高くなっている。例えば、最近の計算機では、電圧２４Ｖの供給電源から電圧１Ｖ、最大電流６０Ａの電力を出力する安定化電源が要求される。また、電子制御モーター用途では、１０～４０Ｖに渡る広い電圧範囲の入力電圧を、例えば電圧２０Ｖ、最大電流３Ａに変換して安定して出力する電源が求められる。

これらの比較的大きな電力を扱う電源として、効率が良いという理由により、スイッチング電源が一般に用いられる。ところが、前述の例のような、１０分の１以下となるような高い降圧比の降圧が可能なスイッチング電源、または、降圧から昇圧に渡る広い入力電源電圧範囲を許容する昇降圧が可能なスイッチング電源の安定した動作の実現は困難であった。

特許３９６５１７１号公報

応答特性と安定性の両立が可能な矩形波信号生成回路、及びスイッチング電源を提供する。

本実施形態に係る矩形波信号生成回路は、鋸波生成回路と、第１検出器と、第２検出器と、第１パルス幅変調矩形波信号生成回路と、を備える。鋸波生成回路は、鋸波信号の電位が底部電位を越える第１タイミングを検出する。第２検出器は、鋸波信号の電位が第１パルス幅指示電圧信号の電位を超える第２タイミングを検出する。第１パルス幅変調矩形波信号生成回路は、第１タイミングと、第２タイミングとの時間差に基づく第１パルス幅変調矩形波信号を生成する。

第１実施形態によるスイッチング電源の構成例を示す図。 第１実施形態によるスイッチング電源の動作波形図。 高直線性鋸波発生器とＰＷＭとの詳細な構成例を示す図。 第２実施形態によるスイッチング電源の構成例を示す図。 第２実施形態によるスイッチング電源の動作波形図。 第２実施形態による高直線性鋸波発生器とＰＷＭの詳細な構成図。 第２実施形態によるスイッチング電源の動作波形図。 第３実施形態によるスイッチング電源の構成例を示す図。 第３実施形態によるスイッチング電源の動作波形図。 第３実施形態による高直線性鋸波発生器とＰＷＭの詳細な構成。 第３実施形態によるスイッチング電源の詳細な動作波形図。 第４実施形態による高直線性鋸波発生器とＰＷＭの詳細な構成図。 第４実施形態によるスイッチング電源の動作波形図。 第５実施形態によるスイッチング電源の構成例を示す図。 第５実施形態によるスイッチング電源の動作波形図。 第５実施形態による高直線性鋸波発生器、降圧ＰＷＭ、および昇圧ＰＷＭの詳細な構成例図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

（第１実施形態）
第１実施形態に係るスイッチング電源は、入力電源電圧Ｖｉｎに対して非常に低い電圧の出力電源電圧Ｖｏｕｔを安定して出力することができるという特徴を有する。その主要な構成は、鋸波信号が鋸波底部電位を超えるタイミングと、パルス幅指示電圧信号の電位を超えるタイミングとを、２つのコンパレータによりそれぞれ検出し、これらの２つのタイミング差に基づきパルス幅変調矩形波信号を生成することにより、そのパルス幅変調矩形波信号のパルス幅をフリップフロップの応答速度のオーダーまで縮小することを可能とするというものである。より詳しく、以下に説明する。

図１は、第１実施形態に係るスイッチング電源１００の構成例を示す図である。スイッチング電源１００は、入力電源から供給される入力電源電圧Ｖｉｎを制御して、出力電源電圧端子ＶＯＵＴから出力電源電圧Ｖｏｕｔを出力する装置である。本実施形態に係るスイッチング電源１００の入力電源電圧Ｖｉｎと出力電源電圧Ｖｏｕｔとの比である降圧比は、例えば１０分の１以下となる高い降圧比を有する。

スイッチング電源１００は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１（以下、ＰＷＭ１と記す場合がある）と、スイッチングドライバ２と、ＬＣローパスフィルタ３と、分圧器４と、基準電圧源５と、エラーアンプ６と、位相補償器（ＰＣＭＰ）７（以下では、ＰＣＭＰ７と記す場合がある）と、クロック発振器（ＣＬＫ）８（以下では、ＣＬＫ８と記す場合がある）と、高直線性鋸波発生器９（以下では、鋸波発生器９と記す場合がある）と、鋸波底部電位参照電圧源１０とを、備える。高直線性鋸波発生器９は、鋸波電圧検出器９０と、鋸波リセット制御回路９１と、鋸波発生器９２とを、有する。図１には更に、クロック信号Ｃｌｋ、底部電位（ボトム電位）Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、フィードバック信号Ｆｂ、基準電圧Ｖｒｅｆ、エラー信号Ｅｒｒ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、鋸波リセット信号Ｒｓｔ、スイッチング信号Ｓｗ、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐが図示される。なお、本実施形態に係る矩形波信号生成回路２００は、パルス幅変調器１と高直線性鋸波発生器９とで構成される。

ＰＷＭ１には、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、および鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘが入力され、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘに同期したパルス幅変調矩形波Ｐｗｍｐを出力する。高直線性鋸波信号Ｓａｗは、底部電位Ｖｂｔｍより高い電位の範囲で高い直線性を有する高直線性の鋸波である。換言すると、底部電位Ｖｂｔｍは、高直線性鋸波信号Ｓａｗの線形特性に基づき設定される。

パルス幅変調矩形波Ｐｗｍｐは、矩形波である。すなわち、このＰＷＭ１は、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉになるタイミングでパルス幅変調矩形波ＰｗｍｐをＨｉにセットし、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位より高くなる瞬間にパルス幅変調矩形波ＰｗｍｐをＬｏｗにリセットする。より詳細な構成は後述（図３）する。なお、本実施形態では、高電位を「Ｈｉ」と記し、低電位を「Ｌｏｗ」と記すこととする。なお、本実施形態では、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉになる時点が第１タイミングに対応し、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位より高くなる時点が第２タイミングに対応する。

スイッチングドライバ２は、パルス幅変調信号ＰｗｍｐをＰＷＭ１から入力し、パルス幅変調信号ＰｗｍｐがＨｉのときに入力電源とＬＣローパスフィルタ３とを低抵抗で接続する。一方で、パルス幅変調信号ＰｗｍｐがＬｏｗのときに接地電源とＬＣローパスフィルタ３とを低抵抗で接続する。すなわち、スイッチングドライバ２は、パルス幅変調矩形波Ｐｗｍに基づいて、パルス状波形のスイッチング信号ＳｗをＬＣローパスフィルタ３に出力する。このように、パルス幅変調信号ＰｗｍｐのＨｉ期間は、スイッチングドライバ２におけるスイッチング動作のオン時間に対応する。これにより、パルス幅変調信号ＰｗｍｐのＨｉ期間が短くなるに従い出力電源電圧Ｖｏｕｔは低下する。なお、本実施形態に係るスイッチングドライバ２がスイッチング回路部に対応する。

ＬＣローパスフィルタ３は、インダクタ３１と平滑キャパシタ３２とにより構成される。インダクタ３１は一方の端子がスイッチングドライバ２に接続され、他方の端子が出力端子ＶＯＵＴおよび平滑キャパシタ３２の一端に接続される。平滑キャパシタ３２の他端は接地電源に接続される。これにより、供給される電位は、平滑キャパシタ３２により平滑され、出力電源電圧Ｖｏｕｔとして出力される。このように、ＬＣローパスフィルタ３は、スイッチング信号Ｓｗを直流に変換して出力電源電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、本実施形態に係るＬＣローパスフィルタ３が平滑回路部に対応する。

分圧器４は、出力電源電圧Ｖｏｕｔを分圧し、フィードバック信号Ｆｂを生成する。
基準電圧源５は、基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。

エラーアンプ６は、反転差動入力端子に分圧器４が接続され、非反転差動入力端子に基準電圧源５が接続される。すなわち、エラーアンプ６は、反転差動入力端子にフィードバック信号Ｆｂを入力し、非反転差動入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆを入力して、両者の電位差を増幅してエラー信号Ｅｒｒを出力する。

ＰＣＭＰ７は、入力端子にエラーアンプ６が接続され、出力端子にＰＷＭ１が接続される。これにより、ＰＣＭＰ７は、エラー信号Ｅｒｒを入力し、デューティ指示電圧信号Ｖｄを出力する。なお、本実施形態に係る誤差増幅回路は、分圧器４と、エラーアンプ６と、ＰＣＭＰ７とで構成される。

クロック発振器８は、クロック信号Ｃｌｋを生成する。クロック信号Ｃｌｋは一定周期の矩形波信号である。

高直線性鋸波発生器９は、クロック信号Ｃｌｋに同期した高直線性の鋸波信号Ｓａｗを発生する。
鋸波電圧検出器９０は、非反転端子に鋸波発生器９２が接続され、反転端子にボトム電源が接続される。これにより、鋸波電圧検出器９０には、非反転端子に鋸波信号Ｓａｗが入力され、反転端子にボトム電源からの底部電位Ｖｂｔｍが入力される。鋸波電圧検出器９０は、鋸波信号Ｓａｗの電位が底部電位Ｖｂｔｍよりも低下したことを検出して、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘをＬｏｗにし、鋸波信号Ｓａｗの電位が底部電位Ｖｂｔｍ以上となったことを検出して、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘをＨｉにする。鋸波電圧検出器９０の詳細は後述する。

鋸波リセット制御回路９１は、例えばフリップフロップである。クロック入力端子ＣＫにはクロック信号Ｃｌｋが入力され、負論理リセット端子Ｒには、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘが入力される。鋸波リセット制御回路９１は、クロック信号ＣｌｋがＨｉになる瞬間に、その入力端子Ｄの状態を内部に取り込み保存すると同時に、その状態を出力端子Ｑから鋸波リセット信号Ｒｓｔとして出力する。入力端子Ｄには常にＨｉの信号が入力される。すなわち、出力端子Ｑから出力される鋸波リセット信号Ｒｓｔは、クロック信号ＣｌｋがＨｉになる瞬間に、Ｈｉとなる。一方、鋸波リセット制御回路９１は、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＬｏｗのとき、内部状態をＬｏｗにリセットし、その状態を鋸波リセット信号Ｒｓｔとして出力する。すなわち、出力端子Ｑから出力される鋸波リセット信号Ｒｓｔは、クロック信号ＣｌｋがＨｉになる瞬間に、Ｈｉになり、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＬｏｗになる瞬間に、ＬｏｗとなるＨｉパルス幅の短い信号である。

鋸波発生器９２には、鋸波リセット信号Ｒｓｔが入力される。鋸波発生器９２は、鋸波リセット信号ＲｓｔがＨｉに遷移する瞬間に鋸波信号Ｓａｗの電位を０Ｖへ向けて急速に下降させる。その後、鋸波リセット信号ＲｓｔがＬｏｗに遷移すると、鋸波発生器９２は、鋸波信号Ｓａｗの電位を一定の速度で上昇させる。鋸波発生器９２は、鋸波信号Ｓａｗを鋸波電圧検出器９０の非反転入力端子、およびＰＷＭ１に出力する。鋸波発生器９２の詳細な構成も後述する。

鋸波底部電位参照電圧源１０（以下では、ＶＢＴＭ１０と記す場合がある）のマイナス端子は接地電源に接続され、そのプラス端子は鋸波電圧検出器９０の反転入力端子に接続される。鋸波底部電位参照電圧源１０は本実施例では理想電源で表現されるが、一定電圧の鋸波ボトム電圧信号Ｖｂｔｍを生成する電圧源であればどのような形式の回路であっても良い。

図２は、第１施形態に係るスイッチング電源１００の動作波形図である。縦軸の上から順に、入力電源電圧Ｖｉｎ、出力電源電圧Ｖｏｕｔ、クロック信号Ｃｌｋ、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、底部電位Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを示す。横軸は時間である。

すなわち、最上段に実線で入力電源の入力電源電圧Ｖｉｎを示し、破線で出力電源電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示す。

次段にクロック信号Ｃｌｋの波形を示す。クロック信号Ｃｌｋは、上述のように一定周期でＨｉとなる矩形波信号である。

さらに、次段に実線で高直線性鋸波信号Ｓａｗを示し、破線でデューティ指示電圧信号Ｖｄを示し、点線で高直線性鋸波信号Ｓａｗの底部電位Ｖｂｔｍを示す。高直線性鋸波信号Ｓａｗは、クロック信号ＣｌｋがＨｉに遷移する瞬間に接地電位０Ｖにリセットされ、その直後から一定速度で電位が上昇する。高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位が鋸波底部電位Ｖｂｔｍを上回る交点を□印で示し、さらに、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位を上回る交点を●印で示す。

次段に鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを示す。鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘは高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位が底部電位Ｖｂｔｍより高いとき、つまり、□印のタイミングでＨｉになり、それ以外のとき、つまり、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位が鋸波底部電位Ｖｂｔｍよりも低い場合にＬｏｗになる矩形波信号である。

最下段にパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを示す。パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐは、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミングでＨｉになり、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位より高いときに（●印のタイミングで）Ｌｏｗになる。

入力電源の入力電源電圧Ｖｉｎは、出力電源電圧Ｖｏｕｔの電圧に対して十倍を超える非常に高い状態から、ほぼ倍の電圧に至るまで変化している。一方、出力Ｖｏｕｔの電圧は、分圧器４の抵抗分圧比と基準電圧源５が生成する参照電圧Ｖｒｅｆにより設定される一定電圧Ｖｏｕｔに保たれている。

このとき、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐのＨｉパルス幅デューティＤは、フィードバック制御ループの働きにより、（１）式に表すように、入力電源電圧Ｖｉｎに対する出力電源電圧Ｖｏｕｔの比とほぼ等しくなる。

図２の波形図では、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐのＨｉパルス幅デューティＤは１０％を下回る値からほぼ５０％の値になるまで変化する。ここで、図２の波形図の左側、つまり、入力電源電圧Ｖｉｎが出力電源電圧Ｖｏｕｔに対して非常に高い場合に注目する。

最近のスイッチング電源１００のスイッチング周波数は数百ｋＨｚから数ＭＨｚへと高くなる傾向にある。それに伴い、スイッチング動作のオン状態の時間は数十ｎｓから数ｎｓ以下へと短くなる。スイッチング電源１００では、出力電源電圧Ｖｏｕｔの値は、スイッチングドライバ２におけるスイッチング動作のオン時間に応じて変更される。このため、入力電源電圧Ｖｉｎが出力電源電圧Ｖｏｕｔに対して非常に高いとき、スイッチングドライバ２における数ｎｓ以下のオン時間のスイッチング動作を安定して行うことができるかが重要となる。

鋸波信号Ｓａｗの電位上昇が始まった直後の直線性は、寄生容量などの影響により、良好とは言えない。図２に示す本実施例の鋸波信号Ｓａｗにおいても、底部電位Ｖｂｔｍより下の領域では、その波形が鈍っており、電圧の上昇速度は一定ではない。しかし、本実施係るスイッチング電源１００によれば、その部分の鋸波を使用せず、鋸波信号Ｓａｗの電位が底部電位Ｖｂｔｍより高くなり、その直線性が充分に良くなった後に使用する。これにより、数ｎｓ以下の短いオン時間のスイッチング動作を安定して行うことが可能となる。

鋸波信号Ｓａｗの直線性が良い状態とは、鋸波信号の上昇タイミングと鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘのＨｉ遷移タイミングが一致し、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移した後の鋸波信号Ｓａｗの電圧上昇速度が一定であることを意味する。本実施例では鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘのＨｉ遷移タイミングと高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄを上回るタイミングの差を用いてパルス幅変調矩形波Ｐｗｍｐを生成する。これにより、直線性が良好でない鋸波信号の範囲を隠ぺいして、非常に細いパルス幅変調矩形波Ｐｗｍｐの生成制御を安定して行うことが可能となる。

直線性が悪い鋸波信号を用いてパルス幅変調矩形波Ｐｗｍｐを生成すると、出力電源電圧Ｖｏｕｔが不安定になる。たとえば、鋸波信号Ｓａｗの電位が上昇を開始する前に鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移すると、短時間のパルスが消失したり、一周期Ｈｉ状態に固着したりするなどの不具合が生じる。
また、鋸波信号Ｓａｗの上昇速度が一定でない場合、スイッチングパルス幅が周期的に変動するなどという不具合が生じる。

一方、その底部電位Ｖｂｔｍの電圧精度とその上昇速度の精度はあまり重要ではない。鋸波信号Ｓａｗの底部電位Ｖｂｔｍが想定の値から多少ずれていても、エラーアンプ６のエラー信号Ｅｒｒの電圧がフィードバック制御ループの働きにより自動的に調整され、出力電源電圧Ｖｏｕｔに対する変動は抑制されるためである。
また、鋸波信号Ｓａｗの電圧の上昇速度が想定値から多少ずれていても、負荷変動に対する応答時間がそれに比例して変動するが、出力電源電圧Ｖｏｕｔに現れる影響は軽微である。

図３は、高直線性鋸波発生器９とＰＷＭ１との詳細な構成例を示す図である。
高直線性鋸波発生器９の鋸波電圧検出器９０は、鋸波底部電位検出コンパレータ９８（以下では、コンパレータ９８と呼ぶ場合がある）と、鋸波同期クロック遅延回路（ｄｅｌａｙ）９１１と、を有する。また、鋸波発生器９２は、鋸波充電用定電流源９４と、鋸波電位上昇速度調整容量９５と、鋸波信号リセット用Ｎ型ＭＯＳトランジスタ９６とを有する。また、ＰＷＭ１は、鋸波パルス幅指示電圧コンパレータ１１（以下では、ＰＷＭコンパレータ１１またはコンパレータ１１と呼ぶ場合がある）とパルス生成用フリップフロップ１２（以下では、フリップフロップ１２と呼ぶ場合がある）とを有する。なお、本実施形態に係るパルス生成用フリップフロップ１２が、第１パルス幅変調矩形波信号生成回路に対応し、本実施形態に係る鋸波底部電位検出コンパレータ９８が第１検出器に対応し、本実施形態に係る鋸波パルス幅指示電圧コンパレータ１１が第２検出器に対応する。

図３には更に、クロック信号Ｃｌｋ、底部電位（ボトム電位）Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、定電流Ｉｓａｗ、鋸波充電電流制御信号Ｓｉｓａｗ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、鋸波リセット信号Ｒｓｔ、ＰＷＭリセット信号Ｒｎ、が図示される。なお、鋸波底部電位参照電圧源１０、および鋸波電圧検出器９０は、高直線性鋸波発生器９の外部に設けてもよい。

鋸波充電用定電流源９４は、鋸波充電電流制御信号Ｓｉｓａｗの制御を受けて、定電流Ｉｓａｗを出力する。鋸波電位上昇速度調整容量９５の一方の端子に鋸波充電用定電流源９４が接続され、他方の端子に接地電源が接続される。

鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６は、鋸波リセット信号ＲｓｔがＨｉのとき、ソース端子とドレイン端子間が導通状態となる。一方で、鋸波リセット信号ＲｓｔがＬｏｗのとき、ソース端子とドレイン端子間が非導通状態となる。

鋸波同期クロック遅延回路（ｄｅｌａｙ）９１１の出力の鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＬｏｗのとき、鋸波リセット信号ＲｓｔがＬｏｗとなるので、容量値Ｃｓａｗの鋸波電位上昇速度調整容量９５は、鋸波充電用定電流源９４が流す充電電流Ｉｓａｗにより充電される。これにより、鋸波信号Ｓａｗの電位Ｖｓａｗは（２）式に示すように一定の速度ｄＶｓａｗ／ｄｔで上昇する。

鋸波リセット信号ＲｓｔがＨｉのとき、鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６は、鋸波電位上昇速度調整容量９５を放電する。これにより、鋸波信号Ｓａｗの電位は接地電源電位０Ｖへ向けて急速に降下する。

鋸波底部電位検出コンパレータ９８の反転入力端子に鋸波ボトム電圧信号Ｖｂｔｍが入力され、その非反転入力端子に鋸波信号Ｓａｗが入力される。鋸波底部電位検出コンパレータ９８の出力端子から鋸波同期クロック遅延回路９１１を介して、鋸波同期クロック出力信号Ｃｌｋｘが出力される。この鋸波底部電位検出コンパレータ９８は、上述のように、鋸波信号Ｓａｗの電位が鋸波ボトム電圧信号Ｖｂｔｍの電位Ｖｂｔｍより低いとき、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘをＬｏｗにし、それ以外のときＨｉにする。

鋸波リセット制御回路９１は、上述のように、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＬｏｗになるのを受けて、鋸波リセット信号ＲｓｔをＬｏｗにする。つまり、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＬｏｗになると、鋸波電位上昇速度調整容量９５が放電され、その電位が鋸波底部電位Ｖｂｔｍより低くなり、鋸波信号Ｓａｗの電位降下は自動的に停止する。ただし、鋸波底部電位検出コンパレータ９８および、鋸波同期クロック遅延回路９１１で生じる遅延により、鋸波信号Ｓａｗの電位はほぼ接地電位０Ｖまで降下する。

ＰＷＭコンパレータ１１の非反転入力端子にパルス幅指示電圧信号Ｖｄが入力され、その反転入力端子に鋸波信号Ｓａｗが入力される。ＰＷＭコンパレータ１１は、鋸波信号Ｓａｗの電位がパルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位より低いときに、その出力であるＰＷＭリセット信号ＲｎをＨｉにし、それ以外のときＬｏｗにする。すなわち、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗに遷移するタイミングが第２タイミングに対応する。

パルス生成用フリップフロップ１２のクロック入力端子ＣＫには鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘが入力され、その負論理リセット端子ＲにはＰＷＭコンパレータ１１が出力するＰＷＭリセット信号Ｒｎが入力される。パルス生成用フリップフロップ１２は、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉになる瞬間に、その入力端子Ｄの状態を内部に取り込み保存すると同時に、その状態を出力端子Ｑに出力する。入力端子Ｄには常にＨｉの信号が入力される。すなわち、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉになる瞬間に、出力端子Ｑから出力されるパルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐはＨｉとなる。

一方、パルス生成用フリップフロップ１２は、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗのとき、内部状態をＬｏｗにリセットし、その状態を出力する。すなわち、出力端子Ｑから出力されるパルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐはＬｏｗとなる。このように、パルス生成用フリップフロップ１２は、鋸波底部電位検出コンパレータ９８が検出する鋸波信号Ｓａｗの電位が鋸波ボトム電圧Ｖｂｔｍの電位を超えるタイミングに応じた第１タイミングと、ＰＷＭコンパレータ１１が検出する鋸波信号Ｓａｗの電位が第１パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位を超えるタイミングに応じた第２タイミングとの時間差に基づくパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを生成する。

また、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗのとき、パルス生成用フリップフロップ１２はその内部状態をＬｏｗにリセットする。このリセット動作は非同期であり、前述の取り込み動作より優先する。つまり、パルス生成用フリップフロップ１２は、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波ボトム信号Ｖｂｔｍの電位より低いとき、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移しても、これを無視して、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐをＬｏｗに保持する。

一般的なスイッチング電源ではクロック信号とリセット信号を非同期ＲＳラッチに入力して、パルス幅変調矩形波Ｐｗｍｐを生成する。そのとき、クロック信号とリセット信号のタイミングが微妙にずれると、パルス幅変調矩形波Ｐｗｍｐが生成されずに、逆に、一周期Ｈｉに保持されるなどの不具合が生じる。

また、一般的なスイッチング電源では、一つのコンパレータにより、鋸波信号Ｓａｗの電位とパルス幅指示電圧信号Ｖｄを比較し、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを生成する。このため、コンパレータの応答速度には限界があり、入力信号の数十ｎｓ以下という一瞬の動作に応答できない。例えば、鋸波信号Ｓａｗの電位がパルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位より一瞬だけ低くなるような条件では、ＰＷＭコンパレータが応答できず、ＰＷＭリセット信号ＲｎはＬｏｗに固着する。

このように、一般的なスイッチング電源では、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐの最小パルス幅はコンパレータの応答速度に制限されて数十ｎｓとなる。それ以下のパルス幅のパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを出そうとすると、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐはＬｏｗに固着する。これでは、安定した電圧の電源を出力することが困難となってしまう。

これに対して本実施形態に係るスイッチング電源１００では、ＰＷＭコンパレータ１１と鋸波底部電位検出コンパレータ９８の２つのコンパレータを用いることにした。ＰＷＭコンパレータ１１は、鋸波信号Ｓａｗの電位がパルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位を超えるタイミングを検出して、ＰＷＭリセット信号Ｒｎを出力する。一方、鋸波底部電位検出コンパレータ９８は、鋸波信号Ｓａｗの電位が底部電位Ｖｂｔｍの電位を超えるタイミングを検出し、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを出力する。ここで、ＰＷＭリセット信号Ｒｎと鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘの状態がスイッチングサイクル毎に必ず遷移することが特徴である。

また、ＰＷＭコンパレータ１１と鋸波底部電位検出コンパレータ９８に同じ特性の回路を用いることとした。より具体的には、ＰＷＭコンパレータ１１と鋸波底部電位検出コンパレータ９８とには、信号応答時間が同等な回路を用いる。これにより、鋸波底部電位検出コンパレータ９８より生じる鋸波信号Ｓａｗの電位が鋸波ボトム信号Ｖｂｔｍの電位を超えるタイミングを検出するときに生じる遅延と、ＰＷＭコンパレータ１１により生じる鋸波信号Ｓａｗの電位がパルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位を超えるタイミングを検出するときに生じる遅延が等しくなる。このため、２つのタイミングの時間差を得ることにより２つの検出遅延を相殺することができる。特に、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位と鋸波ボトム信号Ｂｔｍの電位がほぼ等しいとき、ＰＷＭリセット信号Ｒｎと鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘのタイミング差は非常に小さくなるが、その非常に細いパルス幅のパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐであっても（たとえ０．１ｎｓ以下のパルス幅でも）、生成可能となる。

このように、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのパルス幅の限界は、パルス生成用フリップフロップ１２の応答速度により制限される。パルス生成用フリップフロップ１２の信号応答時間は１ｎｓ未満であり、コンパレータに比べて数十倍速い。このため、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのパルス幅の限界は、コンパレータの信号応答時間に制限される一般的なスイッチング電源と比較し、数十分の１まで短縮される。

以上説明したように、本実施形態に係るスイッチング電源１００は、鋸波底部電位検出コンパレータ９８が鋸波信号Ｓａｗの電位が鋸波ボトム信号Ｖｂｔｍの電位を超えるタイミングに応じた第１タイミングを検出し、ＰＷＭコンパレータ１１が鋸波信号Ｓａｗの電位がパルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位を超えるタイミングに応じた第２タイミングを検出して、これらのタイミング差に基づき、パルス生成用フリップフロップ１２がパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを生成することとした。これにより、鋸波信号Ｓａｗの直線性が安定した範囲を使用可能となると共に、これらのタイミング差に基づくパルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐのＨｉパルスの幅をパルス生成用フリップフロップ１２における応答速度オーダーの範囲まで安定して短縮できる。このように、短パルス幅の変調矩形波信号Ｐｗｍｐを安定して生成することにより、出力電源電圧Ｖｏｕｔが入力電源電圧Ｖｉｎに対して１０分の１以下という、高い降圧比の降圧用のスイッチング電源を提供することができる。

さらに、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波ボトム信号Ｖｂｔｍの電位より低いとき、パルス生成用フリップフロップ１２は、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移しても無視して、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐをＬｏｗに保持することとした。これにより、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのデューティは０となり、出力電源電圧Ｖｏｕｔを０Ｖに保つことが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係るスイッチング電源１００は、入力電源電圧Ｖｉｎに対してほぼ等しくなるような高い電圧の出力電源電圧Ｖｏｕｔを安定して出力することが可能な降圧スイッチング電源である。その主要な構成は以下のものである。高直線性鋸波生成回路９が互いの位相が１８０度異なるクロック信号Ｃｌｋに対して倍周期の第１鋸波信号と第２鋸波信号とを生成し、コンパレータ１１が、一方の鋸波信号に対してパルス幅指示電圧信号の電位Ｖｄを超えるタイミングを検知し、コンパレータ９８が、２つの鋸波信号を切り替えるタイミングとして、他方の鋸波信号に対して鋸波底部電位Ｖｂｔｍを超えるタイミングを検知する。これにより、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐの最大幅を生成する際のＬｏｗパルス幅（電位Ｖｄを超えるタイミングと２つの鋸波信号を切り替えるタイミングとの差）をフリップフロップ１２における応答速度のオーダーまで安定して減少させようとしたものである。以下では、第１実施形態に係るスイッチング電源１００と相違する点に関して説明する。

図４は、第２実施形態に係るスイッチング電源１００の構成例を示す図である。第２実施形態に係るスイッチング電源１００は、ＰＷＭ１とスイッチングドライバ２と、ＬＣローパスフィルタ３と、分圧器４と、基準電圧源５と、エラーアンプ６と、位相補償器７と、クロック発振器８と、高直線性鋸波発生器９と、を備える。

高直線性鋸波発生器９は、鋸波電圧検出器９０ａと、鋸波リセット制御回路９１ａと、第１鋸波発生器９２ａと、第２鋸波発生器９２ｂと、鋸波選択器９１２とを有する。図４には更に、クロック信号Ｃｌｋ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、第１鋸波信号Ｓａｗ０、第２鋸波信号Ｓａｗ１、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、鋸波位相信号Ｐｈｉｐ、鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘ、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１、スイッチング信号Ｓｗ、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐ、基準電圧Ｖｒｅｆ、およびエラー信号Ｅｒｒが図示される。なお、本実施形態に係る第１鋸波発生器９２ａが、第１鋸波生成回路に対応し、第２鋸波発生器９２ｂが第２鋸波生成回路に対応する。

鋸波電圧検出器９０ａは、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを出力する。鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘは、クロック信号Ｃｌｋを分周して得られる鋸波位相信号Ｐｈｉｐにより選択される第１鋸波信号Ｓａｗ０、または第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が鋸波底部電位Ｖｂｔｍより高くなった瞬間にＨｉに遷移し、クロック信号ＣｌｋがＨｉに遷移する瞬間にＬｏｗに遷移する。また、鋸波電圧検出器９０ａは、鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘを出力する。鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘは、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミングでＨｉ状態とＬｏｗ状態とに交互に遷移する、クロック信号Ｃｌｋに対して倍周期の矩形波信号となる。

鋸波リセット制御回路９１ａは、ＣＬＫ８に接続され、クロック信号Ｃｌｋを分周して得られる鋸波位相信号Ｐｈｉｐと、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０と、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０に対して位相が１８０°遅れた第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１とを、生成する。
第１鋸波発生器９２ａは、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０に基づき、クロック信号Ｃｌｋの倍周期の第１鋸波信号Ｓａｗ０を生成する。第２鋸波発生器９２ｂは、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１に基づき、第１鋸波信号Ｓａｗ０に対して位相が１８０°遅れた第２鋸波信号Ｓａｗ１を生成する。

鋸波選択器９１２は、鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘの状態がＬｏｗのとき、第１鋸波信号Ｓａｗ０を選択し、逆にＨｉのとき第２鋸波信号Ｓａｗ１を選択して、高直線性鋸波信号Ｓａｗとして出力する。すなわち、鋸波選択器９１２は、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位が底部電位Ｖｂｔｍの電位を超える第１タイミングにおいて第１鋸波信号Ｓａｗ０および第２鋸波信号Ｓａｗ１の線形の範囲を切り替えて選択して、クロック信号Ｃｌｋと同じ周期の高直線性鋸波信号Ｓａｗを出力する。なお、本実施形態に係る鋸波選択器９１２が、第２選択器に対応する。

図５は、第２実施形態に係るスイッチング電源１００の動作波形図である。縦軸の上から順に、入力電源電圧Ｖｉｎ、出力電源電圧Ｖｏｕｔ、クロック信号Ｃｌｋ、トップ電圧Ｖｔｏｐ、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、底部電位Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを示す。横軸は時間である。

すなわち、最上段に実線で入力電源電圧Ｖｉｎの電圧波形を示し、破線で出力電源電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示す。次段にクロック信号Ｃｌｋの波形を示す。

さらに、次段に、点線でトップ電圧Ｖｔｏｐを示し、実線で高直線性鋸波信号Ｓａｗを示し、破線でデューティ指示電圧信号Ｖｄを示し、点線で高直線性鋸波信号Ｓａｗの底部電位Ｖｂｔｍを示す。次段に、実線で鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを示す。そして、最下段にパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを示す。

入力電源の入力電源電圧Ｖｉｎは、出力電源電圧Ｖｏｕｔに対して倍の電圧から、ほぼ同じ電圧になるまで変化する。一方、出力電源電圧Ｖｏｕｔは、分圧器４の抵抗分圧比と基準電圧源５が生成する参照電圧Ｖｒｅｆにより設定される一定電圧Ｖｏｕｔに保たれる。

ここで、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐのＨｉパルス幅デューティＤは、フィードバック制御ループの働きにより、（１）式に示すように、入力電源の入力電源電圧Ｖｉｎに対する出力電源電圧Ｖｏｕｔの比とほぼ等しくなる。したがって、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐのＨｉパルス幅デューティＤは例えば５０％からほぼ１００％まで変化する。

鋸波信号Ｓａｗの電圧は、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミングで鋸波トップ電位Ｖｔｏｐから底部電位Ｖｂｔｍに瞬時にリセットされ、その直後から一定速度で上昇する。
入力電源電圧Ｖｉｎが出力電源電圧Ｖｏｕｔとほぼ等しくなるまで低下するときに、安定した出力電源電圧Ｖｏｕｔを出力するには、鋸波信号Ｓａｗがリセットされるタイミングと鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘのＨｉ遷移タイミングが一致している必要がある。さらに、鋸波トップ電位Ｖｔｏｐ近傍において鋸波信号の電圧上昇速度が一定である必要がある。

図５の波形図の右側に近付くほど、つまり、入力電源の入力電源電圧Ｖｉｎが降下するにしたがって、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのデューティが大きくなる。入力電源電圧Ｖｉｎと出力電源電圧Ｖｏｕｔとがほぼ等しい状態では、スイッチング動作のオフ状態の期間は数十ｎｓから数ｎｓ以下へと短くなり、最終的には１００％のデューティとなる。ここで、鋸波信号のリセットタイミングと鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘの同期がずれると、パルスが消失したり（デューティが０％になる現象）、パルス幅が不安定になったり（不定期に変動する現象）する。いずれの場合も、出力電源電圧Ｖｏｕｔが不安定になり、重大な問題となる。

一方、鋸波信号Ｓａｗにおけるトップ電圧Ｖｔｏｐの電圧精度および鋸波信号Ｓａｗにおける上昇速度の平均値の精度が出力電源電圧Ｖｏｕｔの安定性に与える影響は小さい。トップ電圧Ｖｔｏｐが多少想定の値からずれていても、エラーアンプ６のエラー信号Ｅｒｒの電圧はフィードバック制御ループの働きにより自動的に調整され、出力電源電圧Ｖｏｕｔに対する変動は抑制されるためである。また、鋸波信号Ｓａｗの電圧Ｖｓａｗの上昇速度の平均値が想定値から多少ずれていても、負荷変動に対する応答時間が変動する程度であり、出力電源電圧Ｖｏｕｔに現れる影響は軽微である。

図６は、第２実施形態に係る高直線性鋸波発生器９とＰＷＭ１の詳細な構成例を示す図である。
高直線性鋸波発生器９は、鋸波電圧検出器９０ａと、鋸波リセット制御回路９１ａと、第１鋸波発生器９２ａと、第２鋸波発生器９２ｂと、鋸波選択器９１２とを備える。なお、鋸波電圧検出器９０ａは高直線性鋸波発生器９の外部に設けてもよい。

鋸波電圧検出器９０ａは、鋸波底部電位検出コンパレータ９８と、鋸波底部電位検出用鋸波選択器９９と、鋸波選択信号フリップフロップ９１０と、鋸波同期クロック遅延回路９１１とを有する。
鋸波リセット制御回路９１ａは、クロック入力信号分周器９１５と、鋸波リセット信号発生器９１６と、第１鋸波リセット信号発生器９１６０と、第２鋸波リセット信号発生器９１６１とを有する。

第１鋸波発生器９２ａは、第１鋸波充電用定電流源９４０と、第１鋸波電位上昇速度調整容量９５０と、第１鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６０とを有する。
第２鋸波発生器９２ｂは、第２鋸波充電用定電流源９４１と、第２鋸波電位上昇速度調整容量９５１と、第２鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６１とを有する。図６には更に、定電流Ｉｓａｗ、鋸波充電電流制御信号Ｓｉｓａｗ、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１、第１鋸波信号Ｓａｗ０、第２鋸波信号Ｓａｗ１、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、ＰＷＭリセット信号Ｒｎ、鋸波位相信号Ｐｈｉｐ、鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘ、鋸波リセット信号Ｒｓｔ、クロック信号Ｃｌｋ、底部電位Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、定電流Ｉｓａｗ、鋸波充電電流制御信号Ｓｉｓａｗ、およびＰＷＭリセット信号Ｒｎ、が図示される。

まず、鋸波リセット制御回路９１ａの詳細を説明する。
クロック入力信号分周器９１５は、例えばフリップフロップであり、クロック入力端子ＣＫにクロック信号Ｃｌｋが入力され、入力端子Ｄに自らが出力する鋸波位相信号Ｐｈｉｐの反転信号が入力される。クロック入力信号分周器９１５は、クロック信号ＣｌｋがＨｉになる瞬間に自らが出力する鋸波位相信号Ｐｈｉｐの反転状態を内部へ取り込み、保持すると共に、鋸波位相信号Ｐｈｉｐをその状態に変更する。これにより、鋸波位相信号Ｐｈｉｐは、クロック信号Ｃｌｋの二分周の矩形波となる。

鋸波リセット信号発生器９１６は、例えばフリップフロップであり、クロック入力端子ＣＫにクロック信号Ｃｌｋが入力され、負論理リセット端子Ｒに鋸波同期クロック遅延回路９１１が出力する鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘが入力され、入力端子Ｄには常にＨｉの信号が入力される。鋸波リセット信号発生器９１６は、クロック信号ＣｌｋがＨｉになる瞬間に、その内部状態をＨｉにセットし、鋸波リセット信号ＲｓｔをＨｉとして出力する。また、鋸波リセット信号発生器９１６は、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＬｏｗのときに、内部状態をＬｏｗにリセットするとともに、鋸波リセット信号ＲｓｔをＬｏｗとして出力する。

第１鋸波リセット信号発生器９１６０は、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＬｏｗのとき、鋸波リセット信号Ｒｓｔの状態を第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０として出力する。同様に、第２鋸波リセット信号発生器９１６１は、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＨｉのとき、鋸波リセット信号Ｒｓｔの状態を第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１として出力する。すなわち、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＬｏｗのとき、第１リセット信号Ｒｓｔ０は、鋸波リセット信号Ｒｓｔの状態に従って、ＬｏｗからＨｉへ、そして再びＬｏｗへと変化する。または、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＨｉのとき、第２リセット信号Ｒｓｔ１は、鋸波リセット信号Ｒｓｔの状態に従って、ＬｏｗからＨｉへ、そして再びＬｏｗへと変化する。

次に、鋸波電圧検出器９０ａの詳細を説明する。鋸波電圧検出器９０ａは、鋸波位相信号Ｐｈｉｐにより選択される第１鋸波信号Ｓａｗ０または第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が、底部電位Ｖｂｔｍよりも高くなる第１タイミングを検出し、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘと鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘとを出力する。

鋸波底部電位検出用鋸波選択器９９は、一方の入力端子に第１鋸波信号Ｓａｗ０が入力され、他方の入力端子に第２鋸波信号Ｓａｗ１が入力される。鋸波位相信号ＰｈｉｐがＬｏｗのとき第１鋸波信号Ｓａｗ０を選択し、逆にＨｉのとき第２鋸波信号Ｓａｗ１を選択して、鋸波底部電位検出コンパレータ９８の非反転入力端子に出力する。ここで、鋸波位相信号Ｐｈｉｐはクロック信号Ｃｌｋの二分周信号であり、クロック信号ＣｌｋがＨｉに遷移するタイミングでその状態が遷移する。すなわち、この鋸波底部電位検出用鋸波選択器９９は、第１鋸波信号Ｓａｗ０または第２鋸波信号Ｓａｗ１を交互に選択して出力する。

鋸波底部電位検出コンパレータ９８は、非反転入力端子に入力される第１鋸波信号Ｓａｗ０または第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が反転入力端子に入力される底部電位Ｖｂｔｍより高いときにＨｉを出力し、それ以外のときＬｏｗを出力する。すなわち、鋸波底部電位検出コンパレータ９８の出力信号は、第１鋸波信号Ｓａｗ０または第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が底部電位Ｖｂｔｍを超えたときＨｉに遷移するタイミング信号となる。このタイミング信号は、鋸波選択信号フリップフロップ９１０のクロック入力端子ＣＫと鋸波同期クロック遅延回路９１１に入力される。

鋸波同期クロック遅延回路９１１は、鋸波選択信号フリップフロップ９１０および後述の鋸波選択器９１２で生じる遅延を補償して、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを出力する。鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘは、フリップフロップ１２のクロック端子ＣＫに入力され、その動作の起点となる。換言すると、鋸波同期クロック遅延回路９１１は、底部電位Ｖｂｔｍよりも高直線鋸波信号Ｓａｗが高くなる時点である第１タイミングと、高直線性鋸波信号Ｓａｗがパルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位を超える時点である第２タイミングと、の時間間隔を調整し、回路経路の応答速度の違いを相殺する。

鋸波選択信号フリップフロップ９１０は、そのクロック入力端子ＣＫに鋸波底部電位検出コンパレータ９８が出力するタイミング信号が入力される。鋸波選択信号フリップフロップ９１０は、このタイミング信号がＨｉに遷移する瞬間に、データ入力端子Ｄに入力される鋸波位相信号Ｐｈｉｐの状態を内部に取り込み、その状態をデータ出力端子Ｑから鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘとして出力する。これにより、上述したように、鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘは、第１鋸波信号Ｓａｗ０または第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が底部電位Ｖｂｔｍより高くなるタイミングにおいてその状態が遷移する、クロック信号Ｃｌｋに対して二分周の矩形波信号となる。

次に、第１鋸波発生器９２ａと、第２鋸波発生器９２ｂとの詳細を説明する。
第１鋸波発生器９２ａと、第２鋸波発生器９２ｂとは、それぞれ、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０および第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１を受け、クロック信号Ｃｌｋに対して二分周となり、互いに１８０°位相が異なる第１鋸波信号Ｓａｗ０および第２鋸波信号Ｓａｗ１を出力する。

第１鋸波充電用定電流源９４０は、鋸波充電電流制御信号Ｓｉｓａｗの制御を受けて、一定の充電電流Ｉｓａｗを出力する。第１鋸波電位上昇速度調整容量９５０の一方の端子に第１鋸波充電用定電流源９４０が接続され、他方の端子に接地電源が接続される。

第１鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６０は、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０がゲートに入力される。第１鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６０は、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０がＨｉのとき、ソース端子とドレイン端子間が導通状態となる。一方で、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０がＬｏｗのとき、ソース端子とドレイン端子間が非導通状態となる。

第１リセット信号Ｒｓｔ０がＨｉのときに、第１鋸波電位上昇速度調整容量９５０を放電し、鋸波信号Ｓａｗの電位を接地電源電位０Ｖへ向けて急速に降下させ、接地電源電位０Ｖにリセットする。一方で、第１リセット信号Ｒｓｔ０がＬｏｗのときに、第１鋸波電位上昇速度調整容量９５０は、第１鋸波充電用定電流源９４０が流す充電電流Ｉｓａｗにより充電される。第１鋸波電位上昇速度調整容量９５０の電位が第１鋸波信号Ｓａｗ０として鋸波選択器９１２に出力される。第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度は、第１鋸波電位上昇速度調整容量９５０の容量Ｃｓａｗと充電電流Ｉｓａｗの値により設定可能である。

第２鋸波発生器９２ｂも第１鋸波発生器９２ａと同様の構成である。第２鋸波充電用定電流源９４１は、鋸波充電電流制御信号Ｓｉｓａｗの制御を受けて、充電電流Ｉｓａｗを出力する。第２鋸波電位上昇速度調整容量９５１の一方の端子に第２鋸波充電用定電流源９４１が接続され、他方の端子に接地電源が接続される。

第２鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６１は、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１がゲートに接続される。第２鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６１は、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１がＨｉのとき、ソース端子とドレイン端子間が導通状態となる。一方で、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１がＬｏｗのとき、ソース端子とドレイン端子間が非導通状態となる。

第２リセット信号Ｒｓｔ１がＨｉのときに、第２鋸波電位上昇速度調整容量９５１を放電し、鋸波信号Ｓａｗの電位を接地電源電位０Ｖへ向けて急速に降下させ、接地電源電位０Ｖにリセットする。一方で、第２リセット信号Ｒｓｔ１がＬｏｗのときに、第２鋸波電位上昇速度調整容量９５１は、第２鋸波充電用定電流源９４１が流す充電電流Ｉｓａｗにより充電される。第２鋸波電位上昇速度調整容量９５１の電位が第２鋸波信号Ｓａｗ１として鋸波選択器９１２に出力される。第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位上昇速度は、第２鋸波電位上昇速度調整容量９５１の容量Ｃｓａｗと充電電流Ｉｓａｗの値により設定可能である。なお、第１および第２リセット信号Ｒｓｔ０およびＲｓｔ１がＬｏｗになると、第１および第２鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６０または９６１はリセット動作を終了する。リセット動作の終了後に鋸波底部電位検出コンパレータ９８で生じる遅延のため、リセットされる第１または第２鋸波信号Ｓａｗ０またはＳａｗ１の電位はほぼ接地電位０Ｖに達する。

鋸波選択器９１２は、鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘの状態がＬｏｗのとき、第１鋸波信号Ｓａｗ０を選択し、逆にＨｉのとき第２鋸波信号Ｓａｗ１を選択して、高直線性鋸波信号Ｓａｗとして出力する。すなわち、鋸波選択器９１２は、コンパレータ９８が検出する第１鋸波信号Ｓａｗ０、または第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が底部電位Ｖｂｔｍより高くなるタイミングにおいて、選択する鋸波信号を交互に変えて出力する。これにより、鋸波選択器９１２が出力する高直線性鋸波信号Ｓａｗは、電圧上昇速度が一定である高直線性の信号となる。

次に、ＰＷＭ１の詳細を説明する。
ＰＷＭ１には、高直線性鋸波信号Ｓａｗと、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘと、パルス幅指示電圧信号Ｖｄとが入力される。ＰＷＭ１は、パルス幅指示電圧信号Ｖｄに応じたパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを出力する。

ＰＷＭコンパレータ１１には、非反転入力端子にパルス幅指示電圧信号Ｖｄが入力され、反転入力端子に高直線性鋸波信号Ｓａｗが入力される。ＰＷＭコンパレータ１１は、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位に対して、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位が低いときにＨｉとなり、それ以外のときにＬｏｗとなるＰＷＭリセット信号Ｒｎをパルス生成用フリップフロップ１２に出力する。すなわち、ＰＷＭコンパレータ１１は、高直線性鋸波信号Ｓａｗがパルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位を超える第２タイミングを検出し、ＰＷＭリセット信号Ｒｎを生成する。なお、ＰＷＭコンパレータ１１は、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位がトップ電圧Ｖｔｏｐの電位より高いとき、ＰＷＭリセット信号ＲｎをＨｉに維持する。

パルス生成用フリップフロップ１２には、そのクロック入力端子ＣＫに鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘが入力され、負論理リセット端子ＲにＰＷＭコンパレータ１１が出力するＰＷＭリセット信号Ｒｎが入力され、データ端子Ｄには常にＨｉ状態の信号が入力される。パルス生成用フリップフロップ１２は、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移する瞬間に、その内部状態をＨｉにセットして、その状態をデータ出力端子Ｑからパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐとして出力する。

また、パルス生成用フリップフロップ１２は、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗのとき内部状態をＬｏｗにリセットして、その状態をパルス幅変調矩形波信号に出力する。これにより、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐのＨｉパルス幅は、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位に応じて変化する。ここで、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位がトップ電圧Ｖｔｏｐの電位より高いとき、ＰＷＭリセット信号Ｒｎの状態がＨｉに維持されて、Ｌｏｗにならない。したがって、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのデューティは１００％となる。

本実施形態では、高直線性鋸波信号Ｓａｗを鋸波選択器９１２による切り替え動作により生成する。鋸波選択器９１２は単純なＭＯＳトランジスタによるトランスファースイッチで構成することが可能である。その動作は、第１および第２鋸波信号リセットＮ型ＭＯＳトランジスタ９６０および９６１で、第１および第２鋸波電位上昇速度調整容量９５０および９５１を放電してリセットする動作に比べて、高速である。

鋸波選択器９１２による切り替え動作で生成された高直線性鋸波信号Ｓａｗの直線性は、特にＶｔｏｐ近傍において、高い。したがって、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐとほぼ同じ電位のとき、ＰＷＭコンパレータ１１は非常に短いＬｏｗパルス幅（例えば１ｎｓ以下のＬｏｗパルス幅）のＰＷＭリセット信号Ｒｎを出力することが可能となる。

また、上述のように、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉへ遷移するタイミングは、ＰＷＭコンパレータ１１と同じ電気特性を持つ鋸波底部電位検出コンパレータ９８により生成されるため、両者で生じる遅延が相殺され、タイミングのずれが抑えられる。さらに、鋸波同期クロック遅延回路９１１によりタイミング余裕の調整が可能である。

図７は、第２実施形態に係るスイッチング電源１００の動作波形図である。縦軸の上から順に、クロック信号Ｃｌｋ、鋸波位相信号Ｐｈｉｐ、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１，トップ電圧Ｖｔｏｐ、第１鋸波信号Ｓａｗ０、第２鋸波信号Ｓａｗ１、底部電位Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、トップ電圧Ｖｔｏｐ、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、底部電位Ｖｂｔｍ、ＰＷＭリセット信号Ｒｎ、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを示す。横軸は時間である。

すなわち、最上段にクロック信号Ｃｌｋを示す。クロック信号Ｃｌｋは一定周期の矩形波信号であり、そのＨｉ遷移タイミングに同期して以下の信号が動作する。

次段に鋸波位相信号Ｐｈｉｐを示す。鋸波位相信号Ｐｈｉｐはクロック信号ＣｌｋがＨｉになる瞬間にその状態が遷移する分周信号である。

次段に実線で第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０を示し、破線で第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１を示す。第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０および第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１はクロック信号ＣｌｋのＨｉ遷移タイミングで交互にＨｉに遷移するパルス信号である。

次段に実線で第１鋸波信号Ｓａｗ０を示し、破線で第２鋸波信号Ｓａｗ１を示し、点線で鋸波ボトム電圧信号を示し、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位または第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が鋸波底部電位Ｖｂｔｍを下回る交点を×印で示し、上回る交点を□印で示す。

第１鋸波信号Ｓａｗ０は、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０がＨｉのときに接地電源電位にリセットされる。同様に、第２鋸波信号Ｓａｗ１は、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１がＨｉのときに接地電源電位にリセットされる。
この第１および第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ０およびＲｓｔ１は、それぞれ第１および第２鋸波信号Ｓａｗ０およびＳａｗ１の電位が鋸波ボトム電圧信号Ｖｂｔｍの電位以下となったことが検出されると、Ｌｏｗになる。このとき、鋸波底部電位検出コンパレータ９８および鋸波同期クロック遅延回路９１１による遅延により、鋸波信号の電位はほぼ接地電源電位０Ｖとなる。第１および第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ０およびＲｓｔ１がＬｏｗの期間、それぞれ第１および第２鋸波信号Ｓａｗ０およびＳａｗ１の電位は一定速度で上昇する。

次段に、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを示す。鋸波位相信号ＰｈｉｐがＬｏｗのとき、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が鋸波ボトム電圧Ｖｂｔｍより高くなったときに（□印のタイミングで）Ｈｉとなり、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が鋸波トップ電圧Ｖｔｏｐより高くなったときに（×印のタイミングで）Ｌｏｗとなる。同様に、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＨｉのとき、第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が鋸波ボトム電圧信号Ｖｂｔｍの電位より高くなったときに（□印のタイミングで）Ｈｉとなり、第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が鋸波トップ電圧Ｖｔｏｐより高くなったときに（×印のタイミングで）Ｌｏｗとなる。

次段に鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘを示す。鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘは、鋸波同期クロック信号がＨｉに遷移するタイミングで、鋸波位相信号Ｐｈｉｐの状態を鋸波選択信号フリップフロップ９１０の内部に取り込み、その状態を保持して、その状態を出力することにより生成される。

次段に高直線性鋸波信号Ｓａｗを実線で示し、デューティ指示電圧信号Ｖｄを破線で示し、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位より高くなる交点を●印で示す。高直線性鋸波信号Ｓａｗは、鋸波選択信号ＰｈｉｐｘがＬｏｗのとき第１鋸波信号Ｓａｗ０を選択し、鋸波選択信号ＰｈｉｐｘがＨｉのとき第２鋸波信号Ｓａｗ１を選択して生成される。

次段にＰＷＭリセット信号Ｒｎを示す。ＰＷＭリセット信号Ｒｎは、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位より高いとき、つまり、●印のタイミングでＬｏｗになり、それ以外のとき、つまり、高直線性鋸波信号ＳａｗがリセットされるタイミングでＨｉになる。

最下段にパルス幅変調信号Ｐｗｍｐを示す。パルス幅変調信号Ｐｗｍｐは、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉになるタイミングでＨｉになり、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗのときＬｏｗとなる。ここで、図７の右端で示されるように、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高いとき、ＰＷＭリセット信号ＲｎはＬｏｗにならない。この場合、パルス幅変調信号ＰｗｍｐはＨｉ状態に保持される。このように、本実施例では１００％デューティに近い太いパルス幅のパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを生成することが可能となる。より具体的には、フリップフロップが応答する限界まで、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐのＬｏｗパルス幅を細くすることが可能である。

以上説明したように、本実施形態に係るスイッチング電源１００は、入力電源電圧が出力電源電圧とほぼ等しくなるまで低下しても、安定した出力電源を出力する。

（第３実施形態）
第３実施形態に係るスイッチング電源１００は、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐの状態に応じて、高直線性鋸波発生器９が出力する高直線性鋸波信号の振幅範囲を変更することにより、Ｈｉパルス幅デューティＤ（（２）式）を０～１００パーセントまでより安定して変化させようとしたものである。以下では、第２実施形態に係るスイッチング電源１００と相違する点に関して説明する。

図８は、第３実施形態に係るスイッチング電源１００の構成例を示す図である。図８に示すように、パルス変調器１が出力するパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを鋸波電圧検出器９０ｂへフィードバックする点で、図４で示す第２実施形態に係るスイッチング電源１００と相違する。

より具体的には、鋸波電圧検出器９０ｂは、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐの状態に応じて、鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘの状態が遷移するタイミングを変更する。これにより、高直線性鋸波発生器９が出力する高直線性鋸波信号Ｓａｗの振幅範囲を変更する。

図９は、第３実施形態に係るスイッチング電源１００の動作波形図である。縦軸の上から順に、入力電源電圧Ｖｉｎ、出力電源電圧Ｖｏｕｔ、入力電源電圧Ｖｉｎ、出力電源電圧Ｖｏｕｔ、クロック信号Ｃｌｋ、鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘ、トップ電圧Ｖｔｏｐ、第１鋸波信号Ｓａｗ０、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、底部電位Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを示す。横軸は時間である。

すなわち、最上段の実線で入力電源の電圧Ｖｉｎの変化の様子を示し、破線で出力電源の電圧Ｖｏｕｔを示す。このように、第３実施形態に係るスイッチング電源１００は、入力電源電圧Ｖｉｎが、出力電源電圧Ｖｏｕｔの電圧に対して、十倍を超えるような高い状態から、ほぼ等しい状態に変化しても、安定した出力電源Ｖｏｕｔを出力することが可能である。

次段の実線で入力電源の電圧Ｖｉｎを示し、破線で出力電源の電圧Ｖｏｕｔの変化の様子を示す。このように、第３実施形態に係るスイッチング電源１００は、出力電源電圧Ｖｏｕｔを０Ｖからほぼ入力電源と等しい電圧まで変化させて出力することが可能である。

次段にクロック信号Ｃｌｋを示す。クロック信号Ｃｌｋは一定周期の矩形波信号である。

次段に、鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘを示す。鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘは、後述するパルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐのＨｉデューティが所定値より小さいときには、クロック信号ＣｌｋがＨｉ遷移タイミングで状態が変化する二分周矩形波信号であり、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐのＨｉデューティが所定値以上のときには、高直線性鋸波信号Ｓａｗがリセットされるタイミングで状態が変化する二分周矩形波信号となる。

次段に、高直線性鋸波信号Ｓａｗを実線で示す。高直線性鋸波信号Ｓａｗは、図示されない二つの鋸波信号Ｓａｗ０またはＳａｗ１を鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘにより選択的に切り出して生成される。その段に破線でデューティ指示電圧信号Ｖｄを示し、高直線性鋸波信号Ｓａｗがデューティ指示電圧信号Ｖｄに対して高電位になる交点に●印をつけ、鋸波底部電位Ｖｂｔｍとの交点もしくはそのリセットタイミングに□印を付ける。

次段に鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを示す。鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘは、前出の□印のタイミングでＨｉに遷移し、クロック信号ＣｌｋのＨｉ遷移タイミングでＬｏｗに遷移する矩形波信号である。

最下段にパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを示す。パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐは、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミング（図中の□印のタイミング）でＨｉに遷移し、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位を高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位が高くなるタイミング（図中の●印のタイミング）でＬｏｗに遷移する。ここで、図中左端の状態のように、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が底部電位Ｖｂｔｍより低い場合には、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐは生成されず、Ｌｏｗ保持となる。そして、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が底部電位Ｖｂｔｍを僅かに上回ると、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐは非常に細いＨｉパルス幅の矩形波信号となる。

逆に、図中右端の状態のように、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高い場合には、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐは１００％デューティの矩形波信号、つまり、Ｈｉ保持となる。また、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより僅かに低くなると、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐは一瞬だけＬｏｗとなるデューティが１００％に近い矩形波信号となる。

図１０は、第３実施形態に係る高直線性鋸波発生器９とＰＷＭ１の詳細な構成例を示す図である。図１０に示すように、鋸波電圧検出器９０ｂの構成が第２実施形態に係る、鋸波電圧検出器９０ａと相違する。すなわち、鋸波電圧検出器９０ｂは、太いパルス幅判定用遅延回路９１７と、太いパルス幅判定用フリップフロップ９１８と、鋸波選択タイミング切り替えスイッチ９１９とを更に備える点で鋸波電圧検出器９０ａと相違する。図１０には、更に太いパルス判定鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘｘ、太いパルス幅判定信号Ｗｉｄｅｐが図示されている点で図６と相違する。

太いパルス幅判定用遅延回路９１７は、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを受け、鋸波底部電位検出コンパレータ９８およびＰＷＭコンパレータ１１の応答時間より長い遅延を付加して、太いパルス判定鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘｘを出力する。
太いパルス幅判定用フリップフロップ９１８は、そのクロック入力端子ＣＫに太いパルス判定鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘｘが入力され、データ端子Ｄにパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐが入力される。太いパルス幅判定用フリップフロップ９１８は、太いパルス判定鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘｘがＨｉに遷移するタイミングでパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐの状態を内部に取り込み、その状態を太いパルス幅判定信号Ｗｉｄｅｐとして出力する。これにより、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が底部電位Ｖｂｔｍよりも所定値以上に高い状態とき、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐをＨｉとし、それ以外のときはＬｏｗとする。すなわち、矩形波信号のパルス幅が太いとき太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＨｉなり、矩形波信号のパルス幅が細いとき太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＬｏｗなる。

鋸波選択タイミング切り替えスイッチ９１９の選択端子には、太いパルス幅判定信号Ｗｉｄｅｐが入力される。鋸波選択タイミング切り替えスイッチ９１９は、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＨｉのとき鋸波選択信号フリップフロップ９１０が出力する鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘを選択し、鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘとして鋸波選択器９１２に出力する。一方で、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＬｏｗのときクロック入力信号分周器９１５が出力する鋸波位相信号Ｐｈｉｐを選択して鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘとして鋸波選択器９１２に出力する。

これにより、鋸波選択器９１２は、クロック信号Ｃｌｋの周期に応じて第１鋸波信号Ｓａｗ０および第２鋸波信号Ｓａｗ１の範囲を切り替えて、高直線性鋸波信号Ｓａｗとして出力する。より詳細には、鋸波選択器９１２は、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのパルス幅が所定値未満である場合（太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＬｏｗ）には、鋸波ボトム電圧Ｖｂｔｍ以下の信号成分を含む範囲の第１鋸波信号Ｓａｗ０または第２鋸波信号Ｓａｗ１を選択し、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのパルス幅が所定値以上である場合（太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＨｉ）には、鋸波ボトム電圧Ｖｂｔｍから鋸波ボトム電圧Ｖｂｔｍまでの範囲の第１鋸波信号Ｓａｗ０または第２鋸波信号Ｓａｗ１を選択する。

図１１は、第３実施形態に係るスイッチング電源１００の詳細な動作波形図である。縦軸の上から順に、クロック信号Ｃｌｋ、鋸波位相信号Ｐｈｉｐ、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１，トップ電圧Ｖｔｏｐ、第１鋸波信号Ｓａｗ０、第２鋸波信号Ｓａｗ１、底部電位Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘ、鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘ、トップ電圧Ｖｔｏｐ、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、底部電位Ｖｂｔｍ、ＰＷＭリセット信号Ｒｎ、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐ、パルス幅判定信号Ｗｉｄｅｐを示す。横軸は時間である。

すなわち、最上段に示されるクロック信号Ｃｌｋから、上から六段目に示される鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘまでの波形は、第２実施例の動作波形図（図７）と同じなので、説明を省略する。

次段に鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘを示す。鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘは、後述する太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＬｏｗのとき鋸波位相信号Ｐｈｉｐと同じタイミングで遷移する矩形波信号となり、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＨｉのとき鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘと同じタイミングで遷移する矩形波信号となる。

次段に実線で高直線性鋸波信号Ｓａｗを示し、破線でデューティ指示電圧信号Ｖｄを示す。さらに、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位を上回る交点を●印で示し、逆に下回り交点を×印で示す。また、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位が鋸波底部電位Ｖｂｔｍを下回る交点を□印で示す。

高直線性鋸波信号Ｓａｗは、鋸波選択切り出し信号ＰｈｉｐｘｘがＬｏｗのとき第１鋸波信号Ｓａｗ０を選択して切り出した波形となり、鋸波選択切り出し信号ＰｈｉｐｘｘがＨｉのとき第２鋸波信号Ｓａｗ１を選択して切り出した波形となる。これにより、パルス変調矩形波信号ＰＷＭｐのパルス幅が細いとき、すなわち太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＬｏｗのとき、高直線性鋸波信号Ｓａｗは、その電位が接地電源電圧０Ｖから上昇し、鋸波トップ電位Ｖｔｏｐに達する手前で再び接地電源電圧０Ｖにリセットされる鋸波信号となる。一方で、パルス変調矩形波信号ＰＷＭｐのパルス幅が太いとき、すなわち太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＨｉのとき、高直線性鋸波信号Ｓａｗは、その電位が底部電位Ｖｂｔｍから一定速度で上昇し、鋸波トップ電位Ｖｔｏｐに達すると再び底部電位Ｖｂｔｍにリセットされる鋸波信号となる。ただし、いずれの場合も、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位が底部電位Ｖｂｔｍを上回るタイミングは鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミングと一致する。つまり、□印の周期は一定である。

次段にＰＷＭリセット信号Ｒｎを示す。ＰＷＭリセット信号Ｒｎは、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位より下回ったときに、×印のタイミングでＨｉとなり、それ以外のときに、●印のタイミングでＬｏｗになる。ここで、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＬｏｗのとき、高直線性鋸波信号Ｓａｗに底部電位Ｖｂｔｍ以下の信号成分が含まれるため、デューティ指示電圧信号Ｖｄが底部電位Ｖｂｔｍ近傍、または、それ以下の電位であっても、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位を上回るタイミングを安定して検出することが可能で、ＰＷＭリセット信号Ｒｎが必ず生成される。一方、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＨｉのとき、高直線性鋸波信号Ｓａｗの最高電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐになる。したがって、デューティ指示電圧信号Ｖｄが鋸波トップ電位Ｖｔｏｐを若干下回ると、非常に細いＬｏｗパルスのＰＷＭリセット信号Ｒｎが生成され、逆に、デューティ指示電圧信号Ｖｄが鋸波トップ電位Ｖｔｏｐを上回ると、Ｌｏｗパルスが消滅し、ＰＷＭリセット信号ＲｎはＨｉに保持される。

次段にパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを示す。パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐは、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉになるタイミングでＨｉにセットされ、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗのときＬｏｗにリセットされる。ここで、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移する周期は一定に保たれるので、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐがＨｉに遷移する周期も一定に保たれる。一方、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗに遷移するタイミングは、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位に応じて変化する。つまり、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位に応じてパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのパルス幅が変化する。

また、図１１の動作波形図の左端に示されるように、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が底部電位Ｖｂｔｍを下回ると、□印と●印のタイミングが逆転して、●印が先に現れる。つまり、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗ状態のときに鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移する。このとき、パルス生成用フリップフロップ１２はクロック入力端子ＣＫの遷移により、リセット端子Ｒの入力を優先するので、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐはＬｏｗに保持される。しかし、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が底部電位Ｖｂｔｍより僅かに高くなり、一瞬でも●印より先に□印が現れると、その期間に対応する非常に短いＨｉパルス幅のパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐが出力される。

このように、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＬｏｗのとき、高直線性鋸波信号Ｓａｗに底部電位Ｖｂｔｍ以下の信号成分が含まれるため、非常に細いパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを生成することができ、高い降圧比の出力電源電圧Ｖｏｕｔを安定して出力することができる。また、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波ボトム信号Ｖｂｔｍの電位以下である場合には、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐをＬｏｗに保持することも可能であり、出力電源電圧Ｖｏｕｔを０Ｖに保持することも可能である。

逆に、図１１の動作波形図の右端に示されるように、入力電源電圧Ｖｉｎと出力電源電圧Ｖｏｕｔがほぼ等しくなるような条件では、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＨｉとなり、高直線性鋸波信号Ｓａｗの最高電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐになる。これにより、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐに近づくと、Ｌｏｗになる時間が非常に短いパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐが生成される。

また、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐを上回ると●印が消滅すし、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗにならなくなる。そのため、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐはＨｉに保持され、そのデューティは１００％になる。

最下段に、太いパルス幅判定信号Ｗｉｄｅｐを示す。太いパルス幅判定用フリップフロップ９１８は、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移してから太いパルス幅判定用遅延回路９１７により付加される遅延の後の△印のタイミングで、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐの状態をラッチして太いパルス幅判定信号Ｗｉｄｅｐを生成する。すなわち、△印のタイミングでパルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐがＨｉに留まっている場合、パルス幅が太い状態と判定して、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐはＨｉとなる。一方で、△印のタイミングでパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐが既にＬｏｗにリセットされる場合、パルス幅が細い状態と判定して、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐはＬｏｗとなる。

以上説明したように、本実施形態に係るスイッチング電源１００は、太いパルス幅判定用フリップフロップ９１８が判定するパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐの幅に応じて、高直線性鋸波信号Ｓａｗの振幅を切り替えることとした。これにより、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＬｏｗのとき、高直線性鋸波信号Ｓａｗは底部電位Ｖｂｔｍ以下の信号成分を有する。これにより、パルス幅指示電圧信号Ｖｄが鋸波ボトム信号Ｖｂｔｍの電位とほぼ同じ低い電位のとき、非常に細いパルス幅のパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを安定して生成することができる。さらに、パルス幅指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波ボトム信号Ｖｂｔｍの電位以下である場合には、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのデューティは０％になる。

一方で、太いパルス幅判定信号ＷｉｄｅｐがＨｉのとき、高直線性鋸波信号Ｓａｗの最高電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐとなるように、高直線性鋸波信号Ｓａｗを切り出す範囲を変更する。これにより、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより僅かに低いとき、非常に細いＬｏｗパルス幅のＰＷＭリセット信号Ｒｎが生成される。パルス生成用フリップフロップ１２はこの非常に細いＬｏｗパルス幅のＰＷＭリセット信号Ｒｎに反応して、パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｐをＬｏｗにし、僅かな時間後に次の鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するのを受けて、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを再びＨｉにセットする。ここで、クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミングと高直線性鋸波信号Ｓａｗを鋸波トップ電位Ｖｔｏｐから鋸波ボトム電位Ｖｂｔｍへリセットするタイミングは、遅延回路９１１により一致するように調整されている。したがって、１００％デューティに近い太いパルス幅のパルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを安定して生成することができる。さらに、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐを上回ると、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのデューティは１００％になる。

このように、本実施例によれば、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐのデューティは０％から１００％に至るまでの連続的な制御が可能となる。したがって、出力電源電圧に対して、ほぼ等しい電圧から１０倍を超えるような高い電圧までの広い範囲の入力電源において、安定に動作する降圧スイッチング電源を提供することができる。または、０Ｖから入力電源電圧とほぼ等しい電圧までの広い範囲の電圧の出力電源を安定して出力する降圧スイッチング電源を提供することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態に係るスイッチング電源１００は、鋸波電圧検出器９０ｃに鋸波トップ電圧調整機能と、第１鋸波信号Ｓａｗ０の波形と第２鋸波信号Ｓａｗ１の波形を一致させる自動調整機能とが追加される点で、第３実施形態に係るスイッチング電源１００と相違する。以下では、第３実施形態に係るスイッチング電源１００と相違する点に関して説明する。

図１２は、第４実施形態に係る高直線性鋸波発生器９とＰＷＭ１の詳細な構成例を示す図である。

図１２に示すように、鋸波電圧検出器９０ｃの構成が図１０で示す第３実施形態に係る鋸波電圧検出器９０ｂと相違する。より具体的には、鋸波電圧検出器９０ｃは、鋸波トップ電位検出用鋸波選択器９２０と、鋸波トップ電位検出コンパレータ９２１と、鋸波トップ電位参照電圧源９２２と、鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２３と、第１鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２４０と、第２鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２４１と、を更に備える。図１０には更に、第１鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ０、第２鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ１、鋸波トップ電位Ｖｔｏｐ、鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ、第１電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎ、第２電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎが図示されている。なお、本実施形態に係る第１鋸波発生器９２ａと、第２鋸波発生器９２ｂと、が調整部に対応する。

また、本実施形態に係る第１鋸波発生器９２ａは、第１鋸波電位上昇速度抑制Ｐ型ＭＯＳトランジスタ９２５０と、第１鋸波電位上昇速度向上Ｎ型ＭＯＳトランジスタ９２６０と、第１鋸波電位上昇速度変更抵抗９２７０と、第１鋸波電位上昇速度保持容量９２８０とを、更に備える。
本実施形態に係る第２鋸波発生器９２ｂは、第２鋸波電位上昇速度抑制Ｐ型ＭＯＳトランジスタ９２５１と、第２鋸波電位上昇速度向上Ｎ型ＭＯＳトランジスタ９２６１と、第２鋸波電位上昇速度変更抵抗９２７１と、第２鋸波電位上昇速度保持容量９２８１とを、更に備える。

まず、鋸波電圧検出器９０ｃの詳細な構成を説明する。
鋸波トップ電位検出用鋸波選択器９２０は、選択信号端子に鋸波位相信号Ｐｈｉｐが入力される。鋸波トップ電位検出用鋸波選択器９２０は、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＨｉのとき、第１鋸波信号Ｓａｗ１を選択し、逆にＬｏｗのとき第２鋸波信号鵜Ｓａｗ０を選択して、出力する。

鋸波トップ電位検出コンパレータ９２１は、その非反転入力端子に鋸波トップ電位検出用鋸波選択器９２０により選択された第１鋸波信号Ｓａｗ０または第２鋸波信号Ｓａｗ１が入力され、反転入力端子に鋸波トップ電位参照電圧源９２２が生成する鋸波トップ電位Ｖｔｏｐが入力される。鋸波トップ電位検出コンパレータ９２１は、選択された第１鋸波信号Ｓａｗ０、または第２鋸波信号Ｓａｗ１が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高いときに、鋸波トップ電位検出信号ＴｐをＨｉとして出力し、それ以外のとき鋸波トップ電位検出信号ＴｐをＬｏｗとして出力する。

鋸波底部電位検出コンパレータ９８は、その非反転入力端子に鋸波底部電位検出用鋸波選択器９９により選択された第１鋸波信号Ｓａｗ０、または第２鋸波信号Ｓａｗ１が入力され、反転入力端子に鋸波底部電位参照電圧源９７が生成する底部電位Ｖｂｔｍが入力される。鋸波底部電位検出コンパレータ９８は、選択された第１鋸波信号Ｓａｗ０または第２鋸波信号Ｓａｗ１が底部電位Ｖｂｔｍより高いときに、鋸波トップ電位検出信号ＢｐをＨｉとして出力し、それ以外のとき鋸波底部電位検出信号ＢｐをＬｏｗとして出力する。

鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２３は、鋸波トップ電位検出信号ＴｐのＨｉ遷移を受けて、鋸波電位上昇速度抑制パルス信号ＤｃｈｐをＨｉとして出力し、鋸波底部電位検出信号ＢｐのＨｉ遷移を受けて、鋸波電位上昇速度抑制パルス信号ＤｃｈｐをＬｏｗとして出力する。鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２３は二つのフリップフロップ９２３ａ、ｂにより構成される。

フリップフロップ９２３ａのクロック入力端子ＣＫには、鋸波トップ電位検出信号Ｔｐが入力され、信号端子Ｄには、常にＨｉ状態の信号が入力され、リセット端子ＲＮにはフリップフロップ９２３ｂの出力信号が入力される。一方のフリップフロップ９２３ｂのクロック入力端子ＣＫには、鋸波底部電位検出コンパレータ９８が出力する鋸波底部電位検出信号Ｂｐが入力され、信号端子Ｄには、常にＨｉ状態の信号が入力され、リセット端子ＲＮには鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈｐが反転入力される。

これにより、鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２３は、入力信号のＨｉ遷移を受けて動作する高速ＲＳラッチとなる。すなわち、鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２３は、鋸波トップ電位検出信号ＴｐのＨｉ遷移から鋸波底部電位検出信号ＢｐのＨｉ遷移までの僅かなタイミングの差を検出して、非常に細いＨｉパルス幅の鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈｐを生成することが可能となる。

第１鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２４０には、鋸波位相信号Ｐｈｉｐと、鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈｐとが入力される。第１鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２４０は、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＨｉのとき鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈｐを反転して、第１電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎを出力し、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＬｏｗのとき第１電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎをＨｉに保持する。

第２鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２４１は、鋸波位相信号Ｐｈｉｐが反転入力され、鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈｐが入力される。第２鋸波電位上昇速度抑制パルス生成器９２４１は、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＬｏｗのとき鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈｐを反転して、第２電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎを出力し、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＨｉのとき第２電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎをＨｉに保持する。

第１鋸波電位上昇速度抑制Ｐ型ＭＯＳトランジスタ９２５０は、そのゲート端子に第１電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎが反転入力される。第１鋸波電位上昇速度抑制Ｐ型ＭＯＳトランジスタ９２５０は、第１電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎがＬｏｗのときに導通状態となり、ドレイン端子に接続される第１鋸波電位上昇速度変更抵抗９２７０を介して、第１鋸波電位上昇速度保持容量９２８０の電荷をソース端子に接続される電源電位に放電する。

一方で、第１鋸波電位上昇速度向上Ｎ型ＭＯＳトランジスタ９２６０は、そのゲート端子に第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０が入力される。第１鋸波電位上昇速度向上Ｎ型ＭＯＳトランジスタ９２６０は、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０がＨｉのときに導通状態となり、ドレイン端子に接続される第１鋸波上昇速度変更抵抗９２７０を介して、第１鋸波電位上昇速度保持容量９２８０の電荷をソース端子に接続される接地電源電位０Ｖから充電する。

第１電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎのＬｏｗ期間と第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０のＨｉ期間はそれぞれが非常に短く構成される。その短いパルス期間に応じて、第１鋸波電位上昇速度保持容量９２８０に蓄えられる電荷量を調整し、第１鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ０の電位を制御する。

同様に、第２鋸波電位上昇速度抑制Ｐ型ＭＯＳトランジスタ９２５１は、そのゲート端子に第２電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎが反転入力される。第２鋸波電位上昇速度抑制Ｐ型ＭＯＳトランジスタ９２５１は、第２電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎがＬｏｗのときに導通状態となり、ドレイン端子に接続される第２鋸波電位上昇速度変更抵抗９２７１を介して、第２鋸波電位上昇速度保持容量９２８１の電荷をソース端子に接続される電源電位に放電する。

一方で、第２鋸波電位上昇速度向上Ｎ型ＭＯＳトランジスタ９２６１は、そのゲート端子に第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１が入力される。第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１がＨｉのときに導通状態となり、ドレイン端子に接続される第２鋸波上昇速度変更抵抗９２７２を介して、第２鋸波電位上昇速度保持容量９２８１の電荷をソース端子に接続される接地電源電位０Ｖから充電する。

第２電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎのＬｏｗ期間と第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１のＨｉ期間はそれぞれが非常に短く構成される。その短いパルス期間に応じて、第２鋸波電位上昇速度保持容量９２８１に蓄えられる電荷量を調整して、第２鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ１の電位を制御する。

第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０と第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１はクロック信号ＣｌｋがＨｉに遷移するタイミングで交互にＨｉになるパルス信号である。そのＨｉパルス幅は非常に短く、互いに等しい。一方で、第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎは、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高くなったときにＬｏｗにセットされ、第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が底部電位Ｖｂｔｍより高くなったときにＨｉにリセットされる反転パルス信号である。同様に、第２鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎは、第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高くなったときにＬｏｗにセットされ、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が底部電位Ｖｂｔｍより高くなったときにＨｉにリセットされる反転パルス信号である。

したがって、第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎと第２鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎは、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移する直前のタイミングで交互にＬｏｗになるパルス信号であり、そのパルス幅は第１鋸波信号Ｓａｗ０の最高電位および第２鋸波信号Ｓａｗ１の最高電位に応じて独立に変化する。

例えば、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度が遅く、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミングで第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐに達していない場合、第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎはＨｉに保持され、Ｌｏｗ期間が現れない。逆に、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度が速く、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミングで第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐに既に達している場合には、第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎは第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐに達したタイミングでＬｏｗにセットされ、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミングでＨｉにリセットされるパルス信号となる。

第１鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ０の電位と第２鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ１の電位は、それぞれ第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０と第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１を受けて、徐々に降下する。その制御を受けて、第１鋸波信号Ｓａｗ０の鋸波電位上昇速度と第２鋸波信号Ｓａｗ１の鋸波電位上昇速度は互いに同じ割合で増加する。

一方で、第１鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ０の電位と第２鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ１の電位は、それぞれ第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎまたは第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎを受けて、徐々に上昇する。その制御を受けて、第１鋸波信号Ｓａｗ０の鋸波電位上昇速度と第２鋸波信号Ｓａｗ１の鋸波電位上昇速度は減少するが、それぞれの鋸波上昇速度が速いほど大きく減速する。この動作により、第１鋸波電位上昇速度と第２鋸波上昇速度は互いに同じ速さに自動的に調整される。このように、第１鋸波発生器９２ａと、第２鋸波発生器９２ｂとは、鋸波選択器９１２が出力する鋸波信号Ｓａｗが所定のトップ電圧Ｖｔｏｐに達するタイミングと最大値に達するタイミングとの差が一定値になるように、第１鋸波信号Ｓａｗ０および第２鋸波信号Ｓａｗ１の上昇速度を調整する機能を有する。

図１３は、第４実施形態に係るスイッチング電源１００の動作波形図である。縦軸の上から順に、クロック信号Ｃｌｋ、鋸波位相信号Ｐｈｉｐ、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１，トップ電圧Ｖｔｏｐ、第２鋸波信号Ｓａｗ１、第１鋸波信号Ｓａｗ０、底部電位Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、第１電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎ、第２電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎ、鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘ、鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘ、トップ電圧Ｖｔｏｐ、デューティ指示電圧信号Ｖｄ、高直線性鋸波信号Ｓａｗ、底部電位Ｖｂｔｍ、ＰＷＭリセット信号Ｒｎ、パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐを示す。横軸は時間である。

すなわち、最上段にクロック信号Ｃｌｋを示す。クロック信号Ｃｌｋは一定周期の矩形波信号であり、そのＨｉ遷移タイミングに同期して以下の信号が動作する。

次段に鋸波位相信号Ｐｈｉｐを示す。鋸波位相信号Ｐｈｉｐはクロック信号ＣｌｋがＨｉになる瞬間にその状態が遷移する分周信号である。

次段に実線で第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０を示し、破線で第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１を示す。第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０および第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１はクロック信号ＣｌｋのＨｉ遷移タイミングで交互にＨｉに遷移する。

次段に実線で第１鋸波信号Ｓａｗ０を示し、破線で第２鋸波信号Ｓａｗ１を示し、点線で鋸波ボトム電圧信号を示す。また、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位または第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が鋸波底部電位Ｖｂｔｍを下回る交点を×印で示し、上回る交点を□印で示す。

第１鋸波信号Ｓａｗ０は、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０がＨｉのときに接地電源電位にリセットされる。同様に、第２鋸波信号Ｓａｗ１は、第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１がＨｉのときに接地電源電位にリセットされる。この第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０および第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１はそれぞれ第１鋸波信号Ｓａｗ０および第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が鋸波ボトム電圧信号Ｖｂｔｍの電位以下になったことを検出して、自動的にＬｏｗになる。

このとき、鋸波底部電位検出コンパレータ９８および鋸波同期クロック遅延回路９１１により生じる遅延により、鋸波信号の電位はほぼ接地電源電位０Ｖとなる。第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０および第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１がＬｏｗの期間、第１鋸波信号Ｓａｗ０および第２鋸波信号Ｓａｗ１それぞれの電位は一定速度で上昇する。

次段に、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを示す。鋸波位相信号ＰｈｉｐがＬｏｗのとき、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が鋸波ボトム電圧信号Ｖｂｔｍの電位より高くなったときに（□印のタイミングで）Ｈｉとなり、それ以外のときに（×印のタイミングで）Ｌｏｗになる。同様に、鋸波位相信号ＰｈｉｐがＨｉのとき、第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が鋸波ボトム電圧信号Ｖｂｔｍの電位より高くなったときに（□印のタイミングで）Ｈｉとなり、それ以外のときに（×印のタイミングで）Ｌｏｗになる。

ここで、図１３の左側、動作の初期段階を見ると、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度が想定より遅く、逆に、第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位上昇速度が想定より速くなっている。図中、第１鋸波信号Ｓａｗ０および第２鋸波信号Ｓａｗ１が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高くなる交点に○印を付ける。すると、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度は想定より遅いため、鋸波トップ電位Ｖｔｏｐに達する前に接地電位０Ｖにリセットされ、しばらく○印が現れない。逆に、第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位上昇速度が想定より速いため、想定より早いタイミングで○印が現れ、その後も第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が上昇し、鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高くなる。

次段に第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎを示し、更に次段に第２鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎを示す。第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎは、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高くなる○印のタイミングで、Ｌｏｗにセットされ、第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が底部電位Ｖｂｔｍより高くなる□印のタイミングで、Ｈｉにリセットされる。同様に、第２鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎは、第２鋸波信号Ｓａｗ１の電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高くなる○印のタイミングで、Ｌｏｗにセットされ、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位が底部電位Ｖｂｔｍより高くなる□印のタイミングで、Ｈｉにリセットされる。

ここで、図１３の左側、動作の初期段階では、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度が遅く、鋸波トップ電位Ｖｔｏｐに達しない、もしくは、高くなったとしても、その○印のタイミングが□印より遅れて現れるため、第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎが生成されない。逆に、第２鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度が早く、想定より早く鋸波トップ電位Ｖｔｏｐに達するため、太いＬｏｗパルス幅の第２鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎが生成される。

第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎが生成されないので、第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０の作用だけを受けるため、第１鋸波電位上昇速度が上がる。この動作を繰り返して、やがて、第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎのパルス幅が第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０のパルス幅と同じになり、第１鋸波上昇速度が安定する。逆に、太い第２鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎの作用が第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１の作用を上回るため、第２鋸波電位上昇速度が下がる。この動作を繰り返して、やがて、第２鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎのパルス幅が第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１のパルス幅と同じになり、第２鋸波上昇速度が安定する。第１鋸波上昇速度と第２鋸波上昇速度は共通の回路を交互に使用して調整される。したがって、第１鋸波信号Ｓａｗ０と第２鋸波信号Ｓａｗ１の波形は完全に一致するように、自動的に調整される。

次段に鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘと鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘを示す。鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘは、鋸波同期クロック信号がＨｉに遷移するタイミングで、鋸波位相信号Ｐｈｉｐの状態を鋸波選択信号フリップフロップ９１０の内部に取り込み、その状態を保持して、その状態を出力することにより生成される。鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｐｘｘは同じタイミングで動作するため、鋸波選択信号Ｐｈｉｐｘと波形が重なっている。

次段に高直線性鋸波信号Ｓａｗを実線で示し、デューティ指示電圧信号Ｖｄを破線で示す。また、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位より高くなる交点を●印で示す。高直線性鋸波信号Ｓａｗは、鋸波選択切り出し信号ＰｈｉｐｘｘがＬｏｗのとき第１鋸波信号Ｓａｗ０を選択し、鋸波選択切り出し信号ＰｈｉｐｘｘがＨｉのとき第２鋸波信号Ｓａｗ１を選択して生成される。

次段にＰＷＭリセット信号Ｒｎを示す。ＰＷＭリセット信号Ｒｎは、高直線性鋸波信号Ｓａｗの電位がデューティ指示電圧信号Ｖｄの電位より高いとき、つまり、●印のタイミングでＬｏｗになり、それ以外のとき、つまり、高直線性鋸波信号ＳａｗがリセットされるタイミングでＨｉになる。

最下段にパルス幅変調信号ＰＷＭｐを示す。パルス幅変調信号ＰＷＭｐは、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉになるタイミングでＨｉになり、ＰＷＭリセット信号ＲｎがＬｏｗのときＬｏｗとなる。ここで、図１３の左側の初期状態では、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度と第２鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度が一致していない。その影響により、パルス幅変調信号ＰＷＭｐがクロック信号Ｃｌｋの半分の周波数で動作する、もしくは、太いパルス幅と細いパルス幅が交互に出現するという不具合が発生している。しかし、スイッチング動作を繰り返す内に、やがて、第１鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度と第２鋸波信号Ｓａｗ０の電位上昇速度は完全に一致するように自動的に調整され、安定したパルス幅のパルス幅変調信号ＰＷＭｐが生成されるようになる。

以上説明したように、本実施形態に係るスイッチング電源１００は、第１鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ０の電位と第２鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ１の電位とを、それぞれ第１鋸波リセット信号Ｒｓｔ０と第２鋸波リセット信号Ｒｓｔ１により所定の割合で降下させ、第１鋸波信号Ｓａｗ０の鋸波電位上昇速度と第２鋸波信号Ｓａｗ１の鋸波電位上昇速度とを同じ割合で増加させることとした。一方で、第１鋸波信号Ｓａｗ０の鋸波電位上昇速度が想定より速すぎる場合、第１鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ０ｎを生成して、第１鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ０の電位を上げて、第１鋸波信号Ｓａｗ０の鋸波電位上昇速度を減速する。同様に、第２鋸波信号Ｓａｗ１の鋸波電位上昇速度が想定より速すぎる場合、第２鋸波電位上昇速度抑制パルス信号Ｄｃｈ１ｎを生成して、第２鋸波電位上昇速度制御信号Ｓｉｓａｗ１の電位を上げて、第２鋸波信号Ｓａｗ１の鋸波電位上昇速度を減速する。

これらの動作により、第１鋸波電位上昇速度と第２鋸波上昇速度は互いに同じ速さに自動的に調整される。これにより、クロック信号Ｃｌｋの周期と一致し、且つ振幅が所望の電圧範囲となる高直線性の鋸波信号を生成することができる。本実施形態のスイッチング電源によれば、例えば第３実施形態のスイッチング電源に比べて、より安定して動作するスイッチング電源を提供することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態に係るスイッチング電源１００は、入力電源電圧に対して、より低い電圧の出力電源を、逆に、より高い電圧の出力電源をも生成可能な昇降圧スイッチング電源に関するものである。その構成は、パルス変調器１、鋸波選択器９１２、およびスイッチングドライバ２が昇圧用と降圧用の二系統用意される点で第４実施形態に係るスイッチング電源１００と相違する。以下では、第４実施形態に係るスイッチング電源１００と相違する点に関して説明する。

図１４は、第５実施形態に係るスイッチング電源１００の構成例を示す図である。
降圧系統は、降圧ＰＷＭ（ＰＷＭ）１ｂｋと、降圧スイッチングプレドライバ２１と、降圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２２と、降圧非同期パワーダイオード２３と鋸波選択器９１２ａを備える。

一方、昇圧系統は、昇圧ＰＷＭ（ＰＷＭ）１ｂｔと、昇圧スイッチングプレドライバ２４と、昇圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２５と、昇圧非同期パワーダイオード２６とを備える。また、図１５には、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐ、昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐ、昇圧スイッチングゲート信号Ｇｂｋｐ、昇圧スイッチングゲート信号Ｇｂｔｐ、昇圧デューティ指示電圧信号Ｖｄｂｔ、昇圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｔ、および降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋが更に図示されている。なお、本実施形態に係る昇圧デューティ指示電圧信号Ｖｄｂｔが、第２パルス幅指示電圧信号に対応し、昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐが第２パルス幅変調矩形波信号に対応する。なお、本実施形態に係る降圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２２が第１スイッチング素子に対応し、昇圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２５が第２スイッチング素子に対応する。

また、降圧系統と昇圧系統の間には新たに昇降圧デューティ指示ギャップ電圧源１０ａが設けられる。降圧ＰＷＭ１ｂｋは、降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄに従って、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘに同期した降圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｋｐのＨｉパルス幅を変調して出力する。

同様に、降圧ＰＷＭ１ｂｔは、昇圧デューティ指示電圧信号Ｖｄｂｔに従って、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘに同期した昇圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｔｐのＨｉパルス幅を変調して出力する。

昇降圧デューティ指示ギャップ電圧源１０ａは、降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄに対して昇降圧ギャップ電圧Ｖｇａｐ（不図示）分の電圧を下降させた昇圧デューティ指示電圧信号Ｖｄｂｔを生成する。なお、昇降圧デューティ指示ギャップ電圧源１０ａは理想電圧源を用いて図示されるが、昇降圧ギャップ電圧Ｖｇａｐの電位差を与えられるのであれば、どのような構成の回路であっても良い。

降圧スイッチングプレドライバ２１は、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐを受け、降圧スイッチングゲート信号Ｇｂｋｐを出力する。
降圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２２のゲート端子に降圧スイッチングゲート信号Ｇｂｋｐが入力され、ソース端子に降圧スイッチングノードＳＷＢＫが接続され、ドレイン端子に入力電源が接続される。降圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２２は、そのゲート端子の電位がそのソース端子の電位より高いとときにソース端子とドレイン端子の間の抵抗が非常に低いオン状態となり、それ以外のときにソース端子とドレイン端子の間の抵抗が非常に高いオフ状態となる。

降圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｋｐがＬｏｗのとき降圧スイッチングゲート信号Ｇｂｋｐの電位は降圧スイッチングノードＳｗｂｋの電位と等しくなる。一方で、降圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｋｐがＨｉのとき降圧スイッチングゲート信号Ｇｂｋｐの電位は降圧スイッチングノードＳｗｂｋの電位より高くなる。すなわち、降圧スイッチングノードＳｗｂｋは、降圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｋｐがＨｉのときに入力電源に電気的に接続され、それ以外のときに開放される。

昇圧スイッチングプレドライバ２４は、昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐが入力され、昇圧スイッチングゲート信号Ｇｂｔｐを出力する。
昇圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２５のゲート端子に昇圧スイッチングゲート信号Ｇｂｔｐが入力され、ソース端子に接地電源が接続され、ドレイン端子に昇圧スイッチングノードＳＷＢＴが接続される。
昇圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２５は、ゲート端子の電位がそのソース端子の電位より高いとときにソース端子とドレイン端子の間の抵抗が非常に低いオン状態となり、それ以外のときにソース端子とドレイン端子の間の抵抗が非常に高いオフ状態となる。

昇圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｔｐがＬｏｗのとき昇圧スイッチングゲート信号Ｇｂｋｐの電位は０Ｖとなり、昇圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｔｐがＨｉのとき昇圧スイッチングゲート信号Ｇｂｔｐの電位はＨｉとなる。すなわち、昇圧スイッチングノードＳＷＢＴは、昇圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｔｐがＨｉのときに接地電源０Ｖに電気的に接続され、それ以外のときに開放される。降圧スイッチングノードＳＷＢＫと昇圧スイッチングノードＳＷＢＴは電流チョークインダクタ３１を介して接続される。

降圧非同期パワーダイオード２３のカソード端子に降圧スイッチングノードＳＷＢＫが接続され、アノード端子に接地電源が接続される。また、昇圧非同期パワーダイオード２６のカソード端子に出力電源電圧Ｖｏｕｔが接続され、アノード端子に昇圧スイッチングノードＳＷＢＴが接続される。

電流チョークインダクタ３１に流れる電流は前述の降圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２２と昇圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタのオンオフ動作により整えられ、入力電源から出力電源電圧Ｖｏｕｔが出力される。
出力電源電圧Ｖｏｕｔには平滑キャパシタ３２が接続されており、その電圧はフィードバック制御ループの働きにより、基準電圧源５基準電圧源５の電位Ｖｒｅｆにより設定される所定の値に保たれる。

降圧ＰＷＭ１ｂｋには、高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋ、Ｓａｗｂｔと、これら高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋ、Ｓａｗｂｔに同期する鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘが入力される。同様に、昇圧ＰＷＭ１ｂｔには、高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋ、Ｓａｗｂｔと、これら高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋ、Ｓａｗｂｔに同期する鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘが入力される。

鋸波選択器９１２ａには、降圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｋｐｘｘが入力される。鋸波選択器９１２ａは、降圧鋸波選択切り出し信号ＰｈｉｂｋｐｘｘがＬｏｗのとき第１鋸波信号Ｓａｗ０を切り出して降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋとして出力し、降圧鋸波選択切り出し信号ＰｈｉｂｋｐｘｘがＨｉのとき第２鋸波信号Ｓａｗ１を切り出して降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋとして出力する。

同様に、昇圧鋸波選択器９１２ｂには、昇圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｔｐｘｘが入力される。昇圧鋸波選択切り出し信号ＰｈｉｂｔｐｘｘがＬｏｗのとき第１鋸波信号Ｓａｗ０を切り出して昇圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｔとして出力し、昇圧鋸波選択切り出し信号ＰｈｉｂｔｐｘｘがＨｉのとき第２鋸波信号Ｓａｗ１を切り出して昇圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｔとして出力する。

鋸波電圧検出器９０ｄは、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐおよび昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐの状態を監視して、降圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｋｐｘｘおよび昇圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｔｐｘｘを出力する。

図１５は、第５実施形態に係るスイッチング電源１００の動作波形図である。縦軸の上から順に、入力電源電圧Ｖｉｎ、出力電源電圧Ｖｏｕｔ、入力電源電圧Ｖｉｎ、出力電源電圧Ｖｏｕｔ、クロック信号Ｃｌｋ、降圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｋｐｘｘ、昇圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｔｐｘｘ、トップ電圧Ｖｔｏｐ、降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋ、底部電位Ｖｂｔｍ、トップ電圧Ｖｔｏｐ、昇圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｔ、底部電位Ｖｂｔｍ、鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘ、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐ、昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐを示す。横軸は時間である。

すなわち、最上段の実線で入力電源の入力電源電圧Ｖｉｎの変化の様子を示し、破線で出力電源電圧Ｖｏｕｔの電圧を示す。このように、入力電源の入力電源電圧Ｖｉｎが、出力電源電圧Ｖｏｕｔの電圧に対して、十倍を超えるような高い状態から、半分を下回るほど低い状態に変化する。または、次段の実線で示すように一定電圧Ｖｉｎの入力電源に対して、出力電源電圧Ｖｏｕｔを０Ｖから二倍を超えるような高い電圧まで変化させて出力する。

次段に、クロック信号Ｃｌｋを示す。実線で示すようにクロック信号Ｃｌｋは一定周期の矩形波信号である。

次段に、降圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｋｐｘｘを示す。降圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｋｐｘｘは、後述する降圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｋｐのＨｉデューティがある値より小さいときには、クロック信号ＣｌｋがＨｉ遷移タイミングで状態が変化する二分周矩形波信号である。また、降圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｋｐｘｘは、降圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｋｐのＨｉデューティがある値より大きいときには、後述する降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋがリセットされるタイミングで状態が変化する二分周矩形波信号である。

次段に、昇圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｔｐｘｘを示す。昇圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｔｐｘｘは、後述する昇圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｔｐのＨｉデューティがある値より小さいときには、クロック信号ＣｌｋｐがＨｉ遷移タイミングで状態が変化する二分周矩形波信号である。また、昇圧鋸波選択切り出し信号Ｐｗｍｂｔｐは、昇圧パルス幅変調矩形波信号ＰｗｍｂｔｐのＨｉデューティがある値より大きいときには、後述する昇圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｔがリセットされるタイミングで状態が変化する二分周矩形波信号である。

次段に実線で降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋを示し、破線で降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄを示し、降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋが降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄに対して高電位になる交点に●印をつけ、鋸波底部電位Ｖｂｔｍとの交点もしくはそのリセットタイミングに□印を付ける。降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋは、図示されない二つの鋸波信号Ｓａｗ０またはＳａｗ１を降圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｋｐｘｘにより選択的に切り出して生成される。

次段に実線で降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋを示し、破線で降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄを示し、降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋが降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄに対して高電位になる交点に●印をつけ、鋸波底部電位Ｖｂｔｍとの交点もしくはそのリセットタイミングに□印を付ける。昇圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｔは、図示されない二つの鋸波信号Ｓａｗ０またはＳａｗ１を昇圧鋸波選択切り出し信号Ｐｈｉｂｔｐｘｘにより選択的に切り出して生成される。

次段に鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘを示す。鋸波同期クロック信号Ｃｌｋｘは、前出の□印のタイミングでＨｉに遷移し、クロック信号ＣｌｋのＨｉ遷移タイミングでＬｏｗに遷移する矩形波信号である。

次段に降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐを示す。降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐは、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミング（図中の□印のタイミング）でＨｉに遷移し、降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位より降圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｋの電位が高くなるタイミング（図中の●印のタイミング）でＬｏｗに遷移する。ここで、図中左端の状態のように、デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が底部電位Ｖｂｔｍより低い場合には、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐは生成されず、Ｌｏｗ保持となる。そして、降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が底部電位Ｖｂｔｍを僅かに上回ると、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐは非常に細いＨｉパルス幅の矩形波信号となる。

逆に、図中右端の状態のように、降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより高い場合には、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐは１００％デューティの矩形波信号、つまり、Ｈｉ保持となる。また、降圧デューティ指示電圧信号Ｖｄの電位が鋸波トップ電位Ｖｔｏｐより僅かに低いときには、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｐは一瞬だけＬｏｗとなるデューティが１００％に近い矩形波信号となる。

同様に、最下段に次段に昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐを示す。昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐは、鋸波同期クロック信号ＣｌｋｘがＨｉに遷移するタイミング（図中の□印のタイミング）でＨｉに遷移し、昇圧デューティ指示電圧信号Ｖｄｂｔの電位より昇圧高直線性鋸波信号Ｓａｗｂｔの電位が高くなるタイミング（図中の●印のタイミング）でＬｏｗに遷移する。ここで、図中左端の状態のように、昇圧デューティ指示電圧信号Ｖｄｂｔの電位が底部電位Ｖｂｔｍより低い場合には、昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐは生成されず、Ｌｏｗ保持となる。そして、昇圧デューティ指示電圧信号Ｖｄｂｔの電位が底部電位Ｖｂｔｍを僅かに上回ると、昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐは非常に細いＨｉパルス幅の矩形波信号となる。

さらに、昇圧デューティ指示電圧信号Ｖｄｂｔの電位が上昇すると、それに従って昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐは１００％のデューティは増大するする。

図１６は、第５実施形態に係る高直線性鋸波発生器９と、降圧ＰＷＭ１ｂｋと、昇圧ＰＷＭ１ｂｔとの詳細な構成例を示す図である。図１６には、太い降圧パルス幅判定信号Ｗｉｄｅｂｋｐ、太い昇圧パルス幅判定信号Ｗｉｄｅｂｋｔ、昇圧デューティ指示電圧信号Ｖｄｂｔ、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐ、昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐが更に図示されている。

降圧ＰＷＭ１ｂｋは、降圧ＰＷＭコンパレータ１１ｂｋと降圧パルス生成用フリップフロップ１２ｂｋにより構成される。
同様に、昇圧ＰＷＭ１ｂｔは昇圧ＰＷＭコンパレータ１１ｂｔと昇圧パルス生成用フリップフロップ１２ｂｔにより構成される。両者の構成と動作は第４実施形態のＰＷＭ１と同様なので、説明を省略する。本実施形態に係る昇圧ＰＷＭコンパレータ１１ｂｔが第３検出器に対応し、昇圧パルス生成用フリップフロップ１２ｂｔが第２パルス幅変調矩形波信号生成回路に対応する。

高直線性鋸波発生器９には、降圧鋸波発生系と昇圧鋸波発生系の二系統の回路が搭載される。降圧鋸波発生系は、降圧太いパルス幅判定用フリップフロップ９１８ｂｋと降圧鋸波選択タイミング切り替えスイッチ９１９ｂｋと鋸波選択器９１２ａから構成される。
同様に、昇圧鋸波発生系は、昇圧太いパルス幅判定用フリップフロップ９１８ｂｔと昇圧鋸波選択タイミング切り替えスイッチ９１９ｂｔと昇圧鋸波選択器９１２ｂｔから構成される。両者の構成と動作は第４実施形態の太いパルス幅判定用フリップフロップ９１８、鋸波選択タイミング切り替えスイッチ９１９、鋸波選択器９１２と同様なので、説明を省略する

昇降圧スイッチング電源の場合、入出力電源の電位関係が変動すると、降圧スイッチングパルス幅と昇圧スイッチングパルス幅が０％から１００％の間で変化する。パルスが消える間際、または、フル稼働になる間際の変化がスムーズであることが重要である。

パルス幅が急激に変化するようでは、出力電源電圧が急激に変化したり、周期的に変動したり、などという不具合が発生する。その対策として、パルス幅の変化量を例えば１０％から９０％までの間に制限するなどという手段があるが、入出力電源の電圧比率が大きい場合、不要なスイッチング動作を伴うことになり、変換電力効率が悪化する。

以上のように本実施形態によれば、高直線性鋸波信号Ｓａｗの振幅を切り替え、降圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２２を制御する降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐと、昇圧スイッチングドライバＮ型ＭＯＳトランジスタ２５を制御する昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐとを生成することとした。これにより、降圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｋｐと昇圧パルス幅変調矩形波信号Ｐｗｍｂｔｐとをそれぞれ独立に、デューティを０％から１００％に至るまでの広い範囲で連続的に制御することが可能となる。このため、昇圧動作、昇降圧動作、降圧動作をスムーズに切り替えることが可能となる。このように、入出力電源の電位関係が変動する場合にも、変換電力効率が高く、安定して動作する昇降圧スイッチング電源を提供することができる。

１：ＰＷＭ、２：スイッチングドライバ、３：ＬＣローパスフィルタ、４：分圧器、５：基準電圧源、６：エラーアンプ、７：位相補償器、８：クロック発振器、９：鋸波生成回路、９ａ：ローパスフィルタ、１１，１１ｂｋ：降圧ＰＷＭコンパレータ（第２検出器）、１１ｂｔ：昇圧ＰＷＭコンパレータ（第２検出器）、鋸波パルス幅指示電圧コンパレータ（第２検出器）、９８：鋸波底部電位検出コンパレータ（第１検出器）、１２：パルス生成用フリップフロップ（第１パルス幅変調矩形波信号生成回路）、１２ｂｋ：降圧パルス生成用フリップフロップ（第１パルス幅変調矩形波信号生成回路）、１２ｂｔ：昇圧パルス生成用フリップフロップ（第２パルス幅変調矩形波信号生成回路）、１００：スイッチング電源、２００：矩形波信号生成回路。

Claims (7)

1. クロック信号に同期した鋸波信号を生成する鋸波生成回路と、
   前記鋸波信号の電位が底部電位を越える第１タイミングを検出する第１検出器と、
   前記鋸波信号の電位が第１パルス幅指示電圧信号の電位を超える第２タイミングを検出する第２検出器と、
   前記第１タイミングと、前記第２タイミングとの時間差に基づく第１パルス幅変調矩形波信号を生成する第１パルス幅変調矩形波信号生成回路と、
   を備える、矩形波信号生成回路。
2. 前記底部電位は、前記鋸波信号の線形特性に基づき設けられており、前記底部電位を超える前記鋸波信号の電位の上昇速度は所定範囲である、請求項１に記載の矩形波信号生成回路。
3. 前記第１検出器と前記第２検出器とは信号応答時間が同等な回路であり、
   パルス幅変調矩形波信号の有限の最小パルス幅は、前記第１パルス幅変調矩形波信号生成回路の信号応答時間に基づく、請求項１に記載の矩形波信号生成回路。
4. 前記第１パルス幅変調矩形波信号生成回路は、前記第１パルス幅指示電圧信号の電位が前記底部電位より低い場合に、パルス幅変調矩形波信号の最小パルス幅を０とする、請求項１に記載の矩形波信号生成回路。
5. 鋸波生成回路は、
   前記クロック信号の倍周期の第１鋸波信号を生成する第１鋸波生成回路と、第１鋸波信号と線形の範囲が重なり且つ位相が１８０度異なる第２鋸波信号を生成する第２鋸波生成回路と、を有し
   前記第１検出器は、前記第１鋸波信号または前記第２鋸波信号に基づき、前記第１タイミングを検出し、
   前記第２検出器は、前記第１タイミングを検出した前記第１鋸波信号または前記第２鋸波信号に基づき、前記第２タイミングを検出する、請求項１に記載の矩形波信号生成回路。
6. 前記鋸波信号の電位と第２パルス幅指示電圧信号の電位とが一致するタイミングに応じた第３タイミングを検出する第３検出器と、
   前記第１タイミングと、前記第３タイミングとの時間差に応じた第２パルス幅変調矩形波信号を生成する第２パルス幅変調矩形波信号生成回路と、
   を更に備え、
   前記鋸波生成回路は、
   前記クロック信号の倍周期の第１鋸波信号を生成する第１鋸波生成回路と、第１鋸波信号と線形の範囲が重なり且つ位相が１８０度異なる第２鋸波信号を生成する第２鋸波生成回路と、
   を有し
   前記第１検出器は、前記第１鋸波信号または前記第２鋸波信号に基づき、前記第１タイミングを検出し、
   前記第２検出器は、前記第１タイミングを検出した前記第１鋸波信号または前記第２鋸波信号に基づき、前記第２タイミングを検出し、
   前記第３検出器は、前記第１タイミングを検出した前記第１鋸波信号または前記第２鋸波信号に基づき、前記第３タイミングを検出する、請求項１に記載の矩形波信号生成回路。
7. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の矩形波信号生成回路と、
   入力電圧に接続され、前記第１パルス幅変調矩形波信号に応じてスイッチングしてパルス状波形の電圧を出力するスイッチング回路部と、
   前記パルス状波形の電圧を直流に変換して出力電圧を出力する平滑回路部と、
   前記出力電圧と基準電位との電位差に基づく前記第１パルス幅指示電圧信号を出力する誤差増幅回路、を備えるスイッチング電源。

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