JP7231991B2 - クロック生成回路、スイッチング電源装置及び半導体装置 - Google Patents
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Description
グランドとは、0V(ゼロボルト)の基準電位を有する導電部を指す又は基準電位そのものを指す。各実施形態において、特に基準を設けずに示される電圧は、グランドから見た電位を表す。
ラインは配線と同義である。
レベルとは電位のレベルを指し、任意の信号又は電圧についてハイレベルはローレベルよりも高い電位を有する。
任意の信号又は電圧において、ローレベルからハイレベルへの切り替わりをアップエッジと称し、ローレベルからハイレベルへの切り替わりのタイミングをアップエッジタイミングと称する。同様に、任意の信号又は電圧において、ハイレベルからローレベルへの切り替わりをダウンエッジと称し、ハイレベルからローレベルへの切り替わりのタイミングをダウンエッジタイミングと称する。
後述の外部クロック、内部クロック及び出力クロックを含む任意のクロックは、ハイレベル及びローレベルの何れかを周期的にとる矩形波信号であり、任意のクロックの各周期において、1周期分の区間の長さに対する、クロックのレベルがハイレベルとなっている区間の長さの割合を、デューティと称する。
FET(電界効果トランジスタ)として構成された任意のトランジスタについて、オン状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が導通状態となっていることを指し、オフ状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が非導通状態(遮断状態)となっていることを指す。
任意のスイッチは1以上のFET(電界効果トランジスタ)にて構成され、或るスイッチがオン状態のときには当該スイッチの両端子間が導通する一方で或るスイッチがオフ状態のときには当該スイッチの両端子間が非導通となる。以下、任意のトランジスタ又はスイッチについて、オン状態、オフ状態を、単に、オン、オフと表現することもある。
任意のトランジスタ又はスイッチについて、オフ状態からオン状態への切り替わりをターンオンと表現し、オン状態からオフ状態への切り替わりをターンオフと表現する。
第1実施例を説明する。第1実施例では、図6に示す如く、外部クロックCK_EXが入力端子EXに入力されていて選択信号SELが“1”であることを想定する。また、コンデンサC1、C2及びC3の静電容量値が互いに等しく且つ定電流I2の値が定電流I1の値の1/2倍であることを想定する。この場合、固定デューティは50%に設定されることになる(その理由は後述の説明から明らかとなる)。
第2実施例を説明する。第2実施例では、図8に示す如く、外部クロックCK_EXが入力端子EXに入力されておらず選択信号SELが“0”であることを想定する。また、コンデンサC1、C2及びC3の静電容量値が互いに等しく且つ定電流I2の値が定電流I1の値の1/2倍であることを想定する。この場合、第1実施例と同様、固定デューティは50%に設定されることになる。
第3実施例を説明する。第3実施例では、図10に示す如く、外部クロックCK_EXが入力端子EXに入力されていて選択信号SELが“1”であることを想定する。また、コンデンサC1、C2及びC3の静電容量値が互いに等しく且つ定電流I2の値が定電流I1の値の1/3倍であることを想定する。この場合、固定デューティは1/3(約33%)に設定されることになる。
第4実施例を説明する。上述の第1実施例及び第3実施例間では定電流I1及びI2間の値の比が異なり、その比を変化させることで固定デューティを変化させることができる。同様に、第2実施例において、定電流I1及びI2間の比を調整することで、固定デューティを所望の値に設定することができる。
VALI1=kI×VALI2 ・・・(1)
VALC1=kC2×VALC2=kC3×VALC3 ・・・(2)
第5実施例を説明する。クロック生成回路1を用いて任意のスイッチング電源装置を構成することができる。即ち例えば、図12に示すようなスイッチング電源装置100を構成しても良い。スイッチング電源装置100は、入力電圧VINから2チャンネル分の出力電圧VOUT1及びVOUT2を生成するマルチチャネル出力型の電源装置である。入力電圧VIN並びに出力電圧VOUT1及びVOUT2は所定の正の直流電圧である(ここでは“VIN>VOUT1”且つ“VIN>VOUT2”)。出力電圧VOUT1及びVOUT2の値の一致、不一致は問わない。
第6実施例を説明する。本発明に係るクロック生成回路1を用いてマルチフェーズDC/DCコンバータを構成することもできる。図14に、マルチフェーズDC/DCコンバータとしてのスイッチング電源装置150の構成を示す。スイッチング電源装置150は、入力電圧VINを降圧することで出力電圧VOUTを生成する。入力電圧VIN及び出力電圧VOUTは所定の正の直流電圧である(但し“VIN>VOUT”)。
第7実施例を説明する。図4のクロック生成回路1には、図1の固定デューティ生成部4に相当する回路が内包されている。即ち、図15に示す如く、クロック生成回路1には、固定デューティ生成部4に相当する固定デューティ生成部40が内包されており、固定デューティ生成部40は、定電流回路12と、コンデンサC2及びC3と、スイッチSW2及びSW3と、比較器14と、1ショットパルス回路17と、を備えていると考えることができる。
第8実施例を説明する。図18(a)は、第8実施例に係るカーナビゲーション装置300の外観図であり、図18(b)は、カーナビゲーション装置300の概略構成ブロック図である。カーナビゲーション装置300は、スイッチング電源装置301と、DC/DCコンバータ302と、機能ブロック303と、を備える。スイッチング電源装置301として、図12及び図14のスイッチング電源装置100及び150を含む上述の任意のスイッチング電源装置を用いることができる。スイッチング電源装置301の入力電圧は、カーナビゲーション装置300が搭載される車両に設置されたバッテリから供給されて良い。DC/DCコンバータ302は、スイッチング電源装置301の出力電圧を所望の電圧値を有する1以上の直流電圧に変換し、得られた直流電圧を機能ブロック303に供給する。機能ブロック303は、DC/DCコンバータ302から供給される直流電圧に基づいて動作する。機能ブロック303は、カーナビゲーション装置300の各機能を実現する複数の構成要素を含み、表示装置、スピーカ、マイクロプロセッサ等を含む。尚、スイッチング電源装置301の出力電圧が、直接、機能ブロック303に供給されることもあり得る。
第9実施例を説明する。
上述の実施形態にて具体化された本発明の構成について考察する。本発明に係るクロック生成回路は、外部クロックが入力されているときには外部クロックを用いて且つ外部クロックが入力されていないときには内部クロックを用いて出力クロックを生成可能であると言える。外部クロック及び内部クロックの内、出力クロックの生成に用いられるクロックを、便宜上、対象クロックと称する。
第1ランプ電圧生成回路は、図4の構成では、定電流回路11及びコンデンサC1を含んで構成され、スイッチSW1を更に含み得る。
第2ランプ電圧生成回路は、図4の構成では、定電流回路12及びコンデンサC2を含んで構成され、スイッチSW2を更に含み得る。
比較用電圧保持回路は、図4の構成では、コンデンサC3を含んで構成され、スイッチSW3を更に含み得る。
“前記対象クロックの隣接する前記所定レベル変化間の区間”とは、対象クロックの1周期分の区間を指し、例えば、対象クロックにおけるアップエッジから次のアップエッジまでの区間に相当する(対象クロックにおけるダウンエッジから次のダウンエッジまでの区間に相当していても良い)。即ち、“前記対象クロックの隣接する前記所定レベル変化間の区間”の例は、図7ではタイミングTA1及びTA5間の区間である。
11、12 定電流回路
13、14 比較器
15 選択回路
16、17 1ショットパルス回路
18 RS型フリップフロップ
C1~C3 コンデンサ
SW1~SW3 スイッチ
100、150 スイッチング電源装置
Claims (12)
- 外部クロックが入力されているときに前記外部クロックを対象クロックとして用いて前記対象クロックから出力クロックを生成可能なクロック生成回路であって、
前記対象クロックの所定レベル変化に同期して前記出力クロックのレベルを第1レベルから第2レベルに変化させるクロック出力回路と、
前記対象クロックの隣接する前記所定レベル変化間の区間を周期にして、電圧値が変化する第1ランプ電圧を生成する第1ランプ電圧生成回路と、
前記区間を前記周期にして、電圧値が変化する第2ランプ電圧を生成する第2ランプ電圧生成回路と、
前記所定レベル変化が生じたときの前記第2ランプ電圧に応じた比較用電圧を保持する比較用電圧保持回路と、
前記第1ランプ電圧と前記比較用電圧を比較する比較器と、を備え、
前記クロック出力回路は、前記比較器の比較結果に基づき前記出力クロックのレベルを前記第2レベルから前記第1レベルに変化させ、
前記第1ランプ電圧生成回路は、第1コンデンサと第1定電流を前記第1コンデンサに供給する第1定電流回路とを有し、各周期において、前記第1定電流の供給を受けて前記第1コンデンサの端子電圧を所定の第1初期電圧から変化させることを通じ前記第1コンデンサの端子電圧より前記第1ランプ電圧を生成し、
前記第2ランプ電圧生成回路は、第2コンデンサと第2定電流を前記第2コンデンサに供給する第2定電流回路とを有し、各周期において、前記第2定電流の供給を受けて前記第2コンデンサの端子電圧を所定の第2初期電圧から変化させることを通じ前記第2コンデンサの端子電圧より前記第2ランプ電圧を生成し、
前記比較用電圧保持回路は、第3コンデンサを有し、各周期において前記第3コンデンサの端子電圧を前記比較用電圧として保持し、
前記第2コンデンサ及び前記第3コンデンサ間にスイッチが設けられ、
前記対象クロックの前記所定レベル変化に応答して前記第2コンデンサの蓄積電荷の一部が前記スイッチを介し前記第3コンデンサに供給されることで、前記第3コンデンサに前記比較用電圧が生じる
、クロック生成回路。 - 前記対象クロックの前記所定レベル変化の後、前記第1ランプ電圧と前記比較用電圧の高低関係が逆転したことを示す信号が前記比較器から出力されたことに応答して、前記クロック出力回路は、前記出力クロックのレベルを前記第2レベルから前記第1レベルに変化させる
、請求項1に記載のクロック生成回路。 - 前記対象クロックの前記所定レベル変化に応答して第1パルス信号を出力する第1パルス出力回路と、
前記対象クロックの前記所定レベル変化の後、前記第1ランプ電圧と前記比較用電圧の高低関係が逆転したことを示す信号を前記比較器から受けたときに、第2パルス信号を出力する第2パルス出力回路と、を更に備え、
前記第1ランプ電圧生成回路には、前記第1コンデンサを放電させることが可能な第1コンデンサ放電回路が設けられ、
前記比較用電圧保持回路には、前記第3コンデンサを放電させることが可能な第3コンデンサ放電回路が設けられ、
前記第1パルス信号の出力を受けて、前記第1コンデンサ放電回路により前記第1コンデンサが放電され、且つ、前記スイッチがオンとされることで前記第2コンデンサ及び前記第3コンデンサが前記スイッチを介して並列接続され、
前記第2パルス信号の出力を受けて、前記第3コンデンサ放電回路により前記第3コンデンサが放電される
、請求項1又は2に記載のクロック生成回路。 - 前記第1定電流及び前記第2定電流の電流値は、互いに比例関係にある
、請求項1~3の何れかに記載のクロック生成回路。 - 前記第1コンデンサ、前記第2コンデンサ及び前記第3コンデンサの静電容量値は、互いに比例関係にある
、請求項1~4の何れかに記載のクロック生成回路。 - 内部クロックを生成する内部クロック生成部と、
前記外部クロックを受けるための外部クロック入力端子と、
前記外部クロック入力端子に接続されるとともに前記内部クロック生成部からの前記内部クロックを受け、前記外部クロック入力端子に対して前記外部クロックが入力されているときには前記外部クロックを選択して出力する一方、前記外部クロック入力端子に対して前記外部クロックが非入力であるときには前記内部クロックを選択して出力する選択回路と、を更に備え、
前記選択回路から出力されるクロックを前記対象クロックとして用いて前記出力クロックを生成する
、請求項1~5の何れかに記載のクロック生成回路。 - 前記内部クロック生成部は、前記第1ランプ電圧を所定の基準電圧と比較し、比較結果を示す二値信号を前記内部クロックとして生成する
、請求項6に記載のクロック生成回路。 - 入力電圧から出力電圧を生成するスイッチング電源装置であって、
前記入力電圧が加わるノードとグランドとの間において互いに直列接続されたハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタを有する出力段回路と、
前記出力電圧に応じた帰還電圧に基づき前記出力電圧が目標電圧にて安定化するように前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン、オフ状態を指定するPWM信号を生成するPWM制御部と、
前記PWM信号に従って前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタの各ゲート電位を制御することを通じ前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタを交互にオン、オフし、これよって前記入力電圧をスイッチングするドライバと、を備え、
前記スイッチングにより前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタ間の接続ノードに現れるスイッチング電圧を、コイル及び出力コンデンサを有する整流平滑回路にて整流及び平滑化することにより前記出力電圧を生成し、
当該スイッチング電源装置には、請求項1~7の何れかに記載のクロック生成回路が設けられ、
前記PWM制御部は、前記クロック生成回路にて生成された前記出力クロックの供給を受け、前記出力クロックの周波数と同じ周波数を前記PWM信号に持たせ、
前記PWM制御部は、前記出力クロックのレベルが前記第1レベルから前記第2レベルに変化したときに前記ハイサイドトランジスタのオン区間が開始されるよう前記PWM信号を生成するか、
或いは、前記出力クロックのレベルが前記第2レベルから前記第1レベルに変化したときに前記ハイサイドトランジスタのオン区間が開始されるよう前記PWM信号を生成する
、スイッチング電源装置。 - 電源回路を複数備えたスイッチング電源装置であって、複数の電源回路は入力電圧から出力電圧を個別に生成し、これによって前記入力電圧から複数の出力電圧が生成され、各電源回路は、
前記入力電圧が加わるノードとグランドとの間において互いに直列接続されたハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタを有する出力段回路と、
対応する出力電圧に応じた帰還電圧に基づき対応する出力電圧が目標電圧にて安定化するように前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン、オフ状態を指定するPWM信号を生成するPWM制御部と、
前記PWM信号に従って前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタの各ゲート電位を制御することを通じ前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタを交互にオン、オフし、これよって前記入力電圧をスイッチングするドライバと、を備え、
前記スイッチングにより前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタ間の接続ノードに現れるスイッチング電圧を、コイル及び出力コンデンサを有する整流平滑回路にて整流及び平滑化することにより対応する出力電圧を生成し、
当該スイッチング電源装置には、請求項1~7の何れかに記載のクロック生成回路が設けられ、
各電源回路において、前記PWM制御部は、前記クロック生成回路にて生成された前記出力クロックの供給を受け、前記出力クロックの周波数と同じ周波数を前記PWM信号に持たせ、
前記複数の電源回路は第1電源回路及び第2電源回路を含み、
前記第1電源回路の前記PWM制御部にて生成される第1PWM信号と、前記第2電源回路の前記PWM制御部にて生成される第2PWM信号とは、互いに位相が異なり、
前記第1電源回路において、前記PWM制御部は、前記出力クロックのレベルが前記第1レベルから前記第2レベルに変化したときに前記ハイサイドトランジスタのオン区間が開始されるよう前記第1PWM信号を生成し、
前記第2電源回路において、前記PWM制御部は、前記出力クロックのレベルが前記第2レベルから前記第1レベルに変化したときに前記ハイサイドトランジスタのオン区間が開始されるよう前記第2PWM信号を生成する
、スイッチング電源装置。 - 入力電圧から出力電圧を生成するスイッチング電源装置であって、
前記入力電圧が加わるノードとグランドとの間において互いに直列接続された第1ハイサイドトランジスタ及び第1ローサイドトランジスタを有する第1出力段回路と、
前記入力電圧が加わるノードとグランドとの間において互いに直列接続された第2ハイサイドトランジスタ及び第2ローサイドトランジスタを有する第2出力段回路と、
前記出力電圧に応じた帰還電圧に基づき前記出力電圧が目標電圧にて安定化するように、前記第1ハイサイドトランジスタ及び前記第1ローサイドトランジスタのオン、オフ状態を指定する第1PWM信号及び前記第2ハイサイドトランジスタ及び前記第2ローサイドトランジスタのオン、オフ状態を指定する第2PWM信号を生成するPWM制御部と、
前記第1PWM信号に従って前記第1ハイサイドトランジスタ及び前記第1ローサイドトランジスタの各ゲート電位を制御することを通じ前記第1ハイサイドトランジスタ及び前記第1ローサイドトランジスタを交互にオン、オフし、これよって前記入力電圧をスイッチングする第1ドライバと、
前記第2PWM信号に従って前記第2ハイサイドトランジスタ及び前記第2ローサイドトランジスタの各ゲート電位を制御することを通じ前記第2ハイサイドトランジスタ及び前記第2ローサイドトランジスタを交互にオン、オフし、これよって前記入力電圧をスイッチングする第2ドライバと、を備え、
前記第1ドライバのスイッチングにより前記第1ハイサイドトランジスタ及び前記第1ローサイドトランジスタ間の接続ノードである第1接続ノードに第1スイッチング電圧が現れ、前記第2ドライバのスイッチングにより前記第2ハイサイドトランジスタ及び前記第2ローサイドトランジスタ間の接続ノードである第2接続ノードに第2スイッチング電圧が現れ、
前記第1接続ノードを第1コイルを介して前記出力電圧が加わるラインに接続するとともに前記第2接続ノードを第2コイルを介して前記ラインに接続し、且つ、出力コンデンサを介して前記ラインをグランドに接続することにより前記第1スイッチング電圧及び前記第2スイッチング電圧を整流及び平滑化し、これによって前記ラインに前記出力電圧を生じさせ、
当該スイッチング電源装置には、請求項1~7の何れかに記載のクロック生成回路が設けられ、
前記PWM制御部は、前記クロック生成回路にて生成された前記出力クロックの供給を受け、前記出力クロックの周波数と同じ周波数を前記第1PWM信号及び前記第2PWM信号に持たせ、且つ、前記第1PWM信号及び前記第2PWM信号の位相を互いにずらし、
前記PWM制御部は、
前記出力クロックのレベルが前記第1レベルから前記第2レベルに変化したときに前記第1出力段回路の前記第1ハイサイドトランジスタのオン区間が開始されるよう前記第1PWM信号を生成し、
前記出力クロックのレベルが前記第2レベルから前記第1レベルに変化したときに前記第2出力段回路の前記第2ハイサイドトランジスタのオン区間が開始されるよう前記第2PWM信号を生成する
、スイッチング電源装置。 - 第1直流電圧にパルス幅変調を施すことで前記第1直流電圧を第2直流電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
請求項1~7の何れかに記載のクロック生成回路を備え、前記クロック生成回路にて生成された前記出力クロックの周波数にて前記パルス幅変調を施す
、スイッチング電源装置。 - 請求項8~11の何れかに記載のスイッチング電源装置を形成する半導体装置であって、集積回路を用いて形成された
、半導体装置。
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