JPH02111255A - 安定化したループ利得を有するスイッチング電圧調整器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、電子的電圧１調整器に関するものであって、
更に詳細にはスイッチング電圧調整器に関するものであ
る。ボルテージレギュレータ即ち電圧調整器は、他の電
子回路へ固定され安定した出力電圧を供給するために電
子装置において広く使用されている。スイッチング電圧
調整器は、その他の従来の電圧調整器よりも一層効率的
に動作することが可能である。なぜならば、スイッチン
グ電圧調整器は、入力端子を継続的に散逸させたり引出
したりするのではなく、必要に応じてパワー即ち電力を
引出すためにスイッチオンされるに過ぎないからである
。本発明は、スイッチング電圧調整器の動作安定性を増
加させるものである。

従来技術 第１図は、従来公知のスイッチング電圧調整器のブロッ
ク図を示しでいる。スイッチング電圧調整器は、入力ビ
ン１０において入力電圧Ｖいか供給され、且つ出力ビン
１２において出力電圧Ｖ　ｏ　＊　ｌを供給する。バッ
ク（ｂ　ｕ　ｃ　ｋ）型スイッチングレギュレータにお
いて、フィルタ構成要素１４は、通常入力端子Ｖｌｎ未
満の固定した電圧を必要とするその他の電子回路である
負荷１５へ固定し安定した出力電圧を発生する場合の助
けとなる。

スイッチング電圧調整器は、エラー増幅器１６、オシレ
ータ１８、比較器２０、出力段２２を有している。

フィードバック信号Ｖ、は、出力電圧Ｖ　ｏ　ｕ　ｌの
割合的部分として発展される。このフィードバック信号
Ｖ、は、出力電圧Ｖ０゜１から接地へ接続されている抵
抗２６及び２８からなる分圧器の中心ノード２４におい
て発生させることが可能である。

このフィードバック信号Ｖ、は、フィードバック接続３
０に沿ってエラー増幅器１６へ供給される。

エラー増幅器１６は、フィードバック接続３０上でフィ
ードバック信号ＶＩを受取るための第一入力端３２を資
している。第二エラー増幅器入力端３４は、基準電圧発
生器３６から基′ｒ＄電圧■１．．を受取る。エラー増
幅器１６は、基準電圧Ｖ、。１を減算しＨつ増幅してエ
ラー増幅器出力端３８においてエラー電圧Ｖ、を発生ず
る。

オシレータ１８は、オシレータ出力端４０において、繰
返し即ち周期的なオシレータ信号Ｖ。、Ｃを発生する。

オシレータ信号Ｖ。、。は、通常、１０乃至は１００　
Ｋ　Ｈｚの間の周波数の鋸歯状波乃至は三角波である。

比較器２０は、エラー増幅器出力端３８からエラー信号
■やを受取るための第一入力端４２を白゛している。第
二比較器入力端４４は、オシレータ出力端４０からのオ
シレータ信号Ｖ　ａ　ａ　ｔを受取る。

比較器２０は、比較器出力端４６において制御信号Ｖ。

を発生する。

出力段２２は、その入力端４８において制御信号■。を
受取る。この出力段においては、入力端子Ｖ、。が入力
ピン１０へ供給され、４つこの出力段はスイッチオン及
びオフしてその出力ビン１２において出力電圧Ｖ。１．
を供給する。

動作について説明すると、出力電圧Ｖ。。１が所望の値
以下に降下すると、出力電圧Ｖ０゜、から発生するフィ
ードバック信号Ｖ「を減少させる。この減少されたフィ
ードバック信号ＶＬは、フィードバック接続３０によっ
てエラー増幅器１６へ帰還される。この減少されたフィ
ードバック信号Ｖｌは、減少されたエラー信号Ｖ、を発
生する。

この減少されたエラー信号Ｖ、は比較器２０へ印加され
る。

第２図は、比較器２０における信号を示している。オシ
レータ信号Ｖ　ａ　ａ　ｅは、例えば図示した三角形波
の如き周期的に上昇し降下する信号である。

エラー信号■、は、スレッシュホールドレベルを設定す
る。オシレータ信号■。、。がエラー信号■、を越える
と、比較器はトリガし１１つ制御信号Ｖ、を発生する。

オシレータ信号Ｖ。１、がエラー信号Ｖ、を越える限り
、制御信号ｖｃは発生される。

オシレータ信号■。、５か周期的に上昇し且つ降下する
信号であるので、制御信号Ｖ、は各オシレータサイクル
のある割合的周期部分に対して発生され、即ちオシレー
タ信号Ｖ　６１゜がエラー信号Ｖ、の上に上昇する点に
おいて開始し、且つオシレータ信号■。、Ｃがエラー信
号Ｖ、以下に降下する場合に終了する。エラー信号■、
のレベルが、各サイクルにおいてどれだけ長い量制御信
号ｖｅが発生されるかということを制御する。

従って、エラー信号Ｖやが降下すると、スレッシュホー
ルドは下方向へ移動し、且つオシレータ信号Ｖ　１１　
＃　ｅはサイクルの始めのほうにおいてエラー信号Ｖ、
を越え、月つそのサイクルにおいて長い間その上方に維
持される。従って、制御信号ｖｃパルスは一層広い。こ
れらの−層広い制御信号Ｖ１パルスは、出力段２２をよ
り長い期間の開店性化させる。このより長い期間は、よ
り大きな出力電圧ｖ０゜、を発生し、その際に出力電圧
Ｖ　ｏ　ｕ　＋における元の降下を補正する。

同様に、出力電圧Ｖ。。１が上昇すると、フィードバッ
ク信号Ｖ、及びエラー信号Ｖ、も上昇し、且つ制御信号
Ｖ、のパルスが一層狭くなる。出力段２２は、より短い
期間の開店性化され、且つ出力電圧ｖ０１．は所望のレ
ベルへ向かって降下する。

この技術は、パルス幅変調としても知られている。なぜ
ならば、比較器２０からのパルス出力の幅がエラー信号
のレベルによって制御されるからである。

第１図のスイッチング電圧調整器は、出力電圧■。、に
おける変化に対してのある程度の応答性を有している。

この応答性の程度は以下の如き幾つかのファクタによっ
て決定される。

ａ）エラー増幅器へフィードバックされる出力電圧ｖ６
．１の割合 ｂ）エラー増幅器１６の利得 Ｃ）オシレータ信号ｖ０．。のピーク電圧ｄ）入力端子
Ｖ、。のレベル これらのファクタによって確立される応答性の全体的な
程度は、その回路のループ利得Ａ、として特性付けるこ
とが可能である。これらのファクタが変化する場合のル
ープ利得における変動は、電圧調整器の安定動作にとっ
ては好ましからざる場合がある。特に、入力端子Ｖｌｎ
における変化に起因するループ利得変動は好ましいもの
ではない。

スイッチング電圧調整器において、回路が広範な入力端
子範囲Ｖｌｆｉ、例えば８Ｖ乃至４５Ｖの範囲で動作す
るものであることが望ましい。入力端子ｖ１゜は回路の
応答性に影響を与える主要なファクタの一つであるので
、Ｖ　ｔｎが増加すると、ループ利得Ａ、も増加し、典
型的には、他のファクタが一定である場合には、４５／
８の比、即ち１５ｄＢたけ増加する。

ループ利得Ａ、は次式で表わすことも可能である。

Ａｔ　　””　　（Ｖ　＋。／　Ｖ　ｏ＊ｃ　　）　　
×βＸＡ。

尚、Ａ、−電圧調整器回路のループ利得Ｖｌｆｌ−電圧
調整器への入力電圧 Ｖ　６　ｍ　！　−オシレータ波形のピーク電圧β−Ｖ
、／Ｖ。。１−エラー増幅器へフィードバックされる出
力電圧の割合 Ａ、−エラー増幅器の利得 上の方程式から、入力電圧ｖ１が増加すると、他のファ
クタが一定である場合には、ループ利得Ａ、が増加され
ることが理解される。入力端子が増加すると、ループ利
得Ａ、も増加する。

このループ利得における変動は、広範囲の入力端子に亘
って安定な電圧調整器を得ることを困難としている。低
入力端子において、出力電圧における変動に対して迅速
且つ正確に応答するために十分なループ利得が必要とさ
れる。この同一のループ利得＋増加した入力電圧に起因
する増加分は、このループ利得が過剰である場合高入力
端子において電圧調整器を不安定とさせる場合がある。

この大きなループ利得は、位＃ＩＪ特性がゼロ度を交差
する場合、ある高い周波数での利得が振動のために必要
とされるレベルを越えることを可能とする。

即ち、出力電圧変化に対する回路の応答は、必要とされ
る補正量にもはや比例せず、且つ出力電圧は、安定な出
力電圧として維持されるのではなく所望の値の周りで変
動し、又はシステムが制御不可能に振動する場合がある
。

電圧調整器のループ利得を広範囲の入力端子に亘って安
定化させ、且つ入力端子が増加する場合にループ利得に
おける増加を抑圧するために、幾つかの技術を使用する
ことが可能である。エラー増幅器１６の利得、エラー増
幅器の周波数補償、又はオシレータのスイング電圧を調
節することが可能である。しかしながら、これらのステ
ージ即ち段が集積回路として構築される場合、これらの
ステージにアクセスして部品値を変更することによりこ
れらのパラメータを変化させることは困難である。この
様な変化は、更に、電圧調整器の他の性能特性を劣化さ
せる場合がある。入力電圧が変化する場合に、電圧１調
整器を自動的に安定化するための方法乃至は装置が提供
されることか望ましい。

「１的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、入力端子の変化にも
かかわらず電圧調整器の性能を常に安定状態に維持する
ことを可能とする方法及びその様に安定化された電圧調
整器を提供することを目的とする。

構成 本発明によれば、スイッチング電圧調整器の安定性は、
オシレータ信号Ｖ。、Ｃの波形の形状によるループ利得
の制御によって改良されている。改良されたオシレータ
波形は、自動的に機能して、入力端子Ｖｉａにおける増
加に起因するループ利得における増加を抑圧し、従って
広範囲の入力電圧に亘って安定性を改善している。

改良したオシレータ波形は、それが上昇するに従い増加
する勾配を持っている。このことは、凹状の形状の波形
を発生する。この波形は、低い領域におけるよりもオシ
レータ波形の高い領域においてより大きな大きさの勾配
を有している。この波形の好適実施例を第３図及び第４
図に示しである。幅狭としたピークを有する修正した三
角形状の波形を使用している。この改良したオシレータ
波形の場合、比較器によって発生される制御信号は、エ
ラー電圧がオシレータ波形と交差する点が上昇すると増
々幅狭となる。従って、より高い入力電圧において、且
つそれと対応してより高いエラー電圧において、発生さ
れる制御信号パルスは、オシレータ波形としての従来の
三角形状波形と比較して、幅狭となる。これらのより幅
狭の信号は、出力段の活性状態を減少させ、従って入力
電圧が増加する場合のループ１１１得における増加を抑
圧するという目的を達成する。

波形のピークに向かって波形に対して増加する上昇割合
を有しＨつ波形ピークから離れるに従い波形に対し減少
する降下割合をＨする修正した三角形状波形を発生する
方法は、交互の電流の充電及び放電を形成し、且つ修正
した三角形状波形を発生するために積分を行なう。別の
方法は、直線状の波形と指数的な波形とを結合すること
である。

重要なことは、その波形かより高い入力端子において幅
狭となった制御信号を発生し、より高い入力端子におい
て電圧調整器の応答性を減少させることである。

本発明を組込んだパルス幅変調は、修正【またオシレー
タ信号を発生し、その修正したオシレーク信号をエラー
信号と比較し、且つ比較器をスイッチングして前記修正
したオシレータ信号か前記エラー信号を越える場合に制
御信号を発生させることによって達成される。

本発明を組込んだ改善した安定性を有する電圧調整器は
、調整器出力端からエラー増幅器の入力端へのフィード
バック制御ループを確立し、エラー信号を本発明を組込
んだ修正したオシレータ信号と比較して該エラー信号の
レベルに対応してパルス幅が変化する制御信号を発生し
、且つ出力段をこの制御信号でスイッチング動作するこ
とによって達成される。

実施例 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
について詳細に説明する。

本発明によれば、スイッチング電圧１週整器の安定性は
、オシレータ信号の波形の形状によるループ利得の制御
によって改善される。改良されたオシレータ波形は、自
動的に機能して、入力端子増加における増加に起因する
ループ利得における増加を抑圧し、広範囲の入力電圧に
亘っての安定性を改善する。

本発明の好適実施例においては、幅狭としたピークを有
する修正した三角形状波形をパルス幅変調器乃至はスイ
ッチング電圧調整器におけるオシレータ信号として使用
する。

第３図は、本発明に基づく修正したオシレータ信号を具
備する比較器における信号を示している。

第３図は、入力信号ｖ６及びＶａｓｅｓ及び出力信号Ｖ
ｃを示している。オシレータ信号Ｖ　Ｏｍ　ｅは本発明
を組込んでおり、且つ第３図は制御信号Ｖ、パルスの幅
を結果的に幅狭とすることを示している。

従来のシステムは、第２図に示した如く、オシレータ信
号Ｖ　ｏ　＊　ｃとして線形三角形状波形を使用する。

本発明においては、第３図に示した如く、オシレータ信
号Ｖ。、。三角形状波は、修正されて幅狭とされたピー
クを有している。この修正したオシレータ信号Ｖ。、ｅ
をエラー電圧Ｖ、と比較することの効果は、従来のシス
テムと比較して一層幅狭の制御信号ｖｃパルスを発生す
ることである。

このことは、全体的なループ利得を低下させる効果があ
る。

別の観点から説明すると、第４図に示した如く、修正し
たオシレータ波形は、エラー電圧Ｖ、がオシレータ波形
Ｖ０．．と交差する点に従１て、修正したオシレータ波
形上の種々の点において可変の実効的ピーク電圧を有し
ている。この交差点が低いと、修正したオシレータ波形
Ｖ　１１１５の実効的ピーク電圧はＶ、３のように低い
。従来の線形三角形状波は、より大きな実効的ピーク電
圧ｖｐＩを有するものである。交差点が高い場合、修正
したオシレータ波形Ｖ、１．の実効的なピーク電圧はＶ
ｐ２のように大きい。この大きな実効的ピーク電圧は、
修正したオシレータ波形■。、Ｃ上のその点において減
少したループ利得Ａ、を与える。従って、ループ利得が
変化し且つ高い実効的ピーク電圧点においてその増加は
抑圧される。

第５図及び第６図は、この修正したオシレータ波形がど
の様にして低い入力電圧及び高い入力電圧において機能
するかということを示している。

第５図は低い入力電圧における動作を示している。

オシレータ波形がエラー信号を越える長い期間の間入力
端子はスイ・スチオンされて、結果的に滑らかとされた
平均出力電圧を発生する。この動作点において、比較器
はオシレータ波形の基本的に線形の低い部分に関して動
作する。第６図は高い入力電圧における動作を示してい
る。同一の結果的に滑らかとされた平均出力電圧を発生
させるために、オシレータ波形のピークがより高いエラ
ー信号を越える場合、入力電圧は短い期間の間スイッチ
される。

第７図は、本発明の修正したオシレータ信号を発生する
ためのオシレータ回路のブロック図を示している。オシ
レータは、大きさ＋■の電流を発生する第一電流源５０
と、反対方向の−Ｉの大きさの電流を発生する第二電流
源５２とを有している。これらの電流源は、スイッチ５
３によって充電用電流又は放電用電流として交互に選択
されてノード５４上に表われる。該スイッチは、オシレ
ータ用に選択された動作周波数においてスイッチされる
方向制御によって制御される。

ノード５４に表われる電流は、積分コンデンサ５５の第
一プレートへ印加されると共に反転積分オペアンプ５８
の第一入力端５６へ印加される。

反転積分オペアンプ５８の第二入力端６０は接地乃至は
低基準電圧へ接続されている。反転積分オペアンプ５８
の出力端６２は、オシレータ信号Ｖ　、、ａ　ｃを供給
し、且つオシレータ出力点６４へ接続されると共に積分
コンデンサ５５の第二プレー１・へ接続されている。

帰還接続６６は、帰還信号■１．１を第一電流源５０及
び第二電流源５２へ帰還させる。帰還信号Ｉ１．１は、
オシレータ信号Ｖ０．．の割合的部分として発生される
。オシレータ信号Ｖ。１、が増加すると、帰還信号ｌ、
。１が増加する。オシレータ出力Ｖ　ｅ　ａ　ｔが減少
すると、帰還信号Ｉ　ｔ＊ｌが減少する。帰還接続６６
によって担持される帰還信号！１．が第一電流源５０に
対する補充的電流源６７として付加されており、１１つ
、反対方向において、第二電流源５２に対する補充的電
流源６８として付加されている。従って、ノード５４に
表われる電流は、＋■→−１ｖａｔ及び−１−１、、、
の間で交互に変化する。

第７図に示した反転積分器回路の場合、−ｉ電流の積分
は、三角形状波形の上昇部分を発生する。

＋Ｉｉ流の積分は、三角形状波形の下降部分を発生ずる
。−１，、、電流の積分は、オシレータ波形Ｖ　６　＠
　ｃの上昇部分に対し増加したピークを付加する。＋Ｉ
　ｌｅｔの積分は、オシレータ波形Ｖ　６１　ｅのピー
クからの減少する下降を発生する。

第８図は、本発明の修ｉＴニしたオシレータ信号を発生
するためのオシレータ回路の概略図を示している。可能
な限り同様の構成要素には第７図におけるのと同様の参
照番号をイ；１しである。

このオシレータは、大きさ＋！の第一電流源５０を有し
ている。この電流は、供給電圧からトランジスタ７０及
び電流シンクを介して低電位へ対して確立される。この
電流は、トランジスタ７０からトランジスタ７２へ対し
てミラー動作され、且つトランジスタ７２をトランジス
タ７０の寸法の２倍とすることにより２倍たけ乗算され
る。この乗算された電流は、供給電圧からトランジスタ
７２及び７４及び抵抗７６を介して流れる第二電流源を
構成する。方向制御からのパルス列によって制御される
スイッチは、トランジスタ７８及び抵抗８０によって形
成され、該スイッチはノード５４に対する第−又は第二
電流源の印加を制御する。

Ｍ　分コンデンサ５５及び反転積分オペアンプ５８は第
７図において前に説明したものと同じである。オシレー
タ出力端６４に接続して、トランジスタ７８から第一電
流源５０への帰還接続が設けられている。帰還信号Ｉ　
ｙｅｔは、トランジスタ７８、抵抗８２及び基準電圧８
０によってオシレータ出力６４から発生される。オシレ
ータ出力Ｖ　Ｏ＠　ｔが増加すると、帰還信号Ｉ　ｔｅ
ｌが増加する。

オシレータ出力Ｖ　ａ　ａ　ｃが減少すると、帰還信号
１　＋ｓｌが減少する。帰還信号！１．１は第一電流源
５０を補充する。この補充した電流は、トランジスタ７
０及び７２のベースの間の接続によってミラー動作され
、目、つそのｆｆ１ｆｆｌは、トランジスタ７２をトラ
ンジスタ７０の二」法の２倍とすることにより２の係数
により乗１γされる。この乗算されｆＪ。

つ補充された電流は、トランジスタ７２及び７４及び抵
抗７６によって確立される第二電流源内に表われる。従
って、ノード５４における電流は→−Ｈ＋　１　、、＋
　と−１−Ｉ、。、との間で交Ｇに変化する。

トランジスタ８４とバイアス電流源８６とで（１４成さ
れるバッファ増幅器段は、オシレータ出力端６４へ接続
されており、修正したオシレータ信号を使用して次続の
段を駆動する。

この回路は、第３図及び第４図においてＶ　６１　ｅと
して示した幅狭のピークを有する修ｉＥシた三角形状波
形を発生する。この波形は、前述した如く幅狭の制御信
号■、パルスの利点を与える。このオシレータは、改善
したループ利得安定性の利ム１を有する電圧発生器を得
るために、第１図に関して前述した如く電圧調整器内に
組込むことが可能である。本発明をこの様に組込むこと
により、入力端子が５Ｖから３０Ｖへ増加する場合に、
ループ利得における増加を半分に減少させることが可能
である。

部分的な又は湾曲した波形を発生するその他の方法を結
合させて、適宜の特性を有する波形を発生させることが
可能である。波形特性を計算することも可能であり、且
つ動作期間中に波形を発生するのではなく電圧調整器に
よる基準として格納することも可能である。

本発明のその他の実施例としては、他の）１３状のオシ
レータ波形を使用することが可能である。オシレータ波
形として鋸歯状波形を使用する電圧調整器は、鋸歯状部
分の上昇期間中に上昇の割合が増加する「ピーク状」乃
至は幅狭の鋸歯状波形を使用することによって改縛する
ことが可能である。

このことは、従来の直線的な鋸歯状波形と比較して、幅
狭の制御信号パルスとなる。この幅狭とすることは、入
力電圧が増加する場合にループ利得における増加を抑圧
することに貢献し、且つ電圧調整器の動作を安定化させ
ることに貢献する。

以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
ではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種
々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来公知のスイッチング電圧調整器を示したブ
ロック図、第２図は第１図の回路における比較器におけ
る信号を示した説明図、第３図は本発明に基づく修正し
たオシレータ信号を使用する比較器における信号を示し
た説明図、第４図は本発明に基づいて修正したオシレー
タ信号に関して種々の点における実効ピーク電圧を示し
た説明図、第５図は低い入力電圧における電圧調整器信
号を示した説明図、第６図は高い入力端子における電圧
調整器信号を示した説明図、第７図は本発明の修正した
オシレータ信号を発生するためのオシレータ回路を示し
たブロック図、第８図は本発明の修正したオシレータ信
号を発生するためのオシレータ回路を示した概略図、で
ある。 （符号の説明） １０：入力ピン １２：出力ピン １４：フィルタ要素 １５：負荷 １６：エラー増幅器 １８：オシレータ ２０：比較器 ２２：出力段 ２４：中央ノード ３０：フィードバック接続 ５０：第一電流源 ５２：第二電流源 ５３：スイッチ ５４：ノード ５５：積分コンデンサ ５６：第一入力端 ５８：反転積分オペアンプ ６０：第二入力端 ６６：帰還接続 ６７．６８：補充電流源

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入力電圧から出力電圧を発生するスイッチング電圧
   調整器において、増加した入力電圧を有する前記電圧調
   整器のループ利得の増加を減少させる方法において、低
   レベルにおける勾配の大きさと比較して高レベルにおけ
   る勾配の増加した大きさを持った繰返し波形を発生し、
   前記出力電圧の割合的部分としてエラー信号を発生し、
   前記繰返し波形が前記エラー信号を越える場合に出力段
   を活性化して出力を供給する、上記各ステップを有する
   ことを特徴とする方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記繰返し波形の
   形状が、前記繰返し波形の上昇部分の期間中に増加する
   割合の上昇を有しており、その際に高レベルにおいて狭
   い幅の波形ピークを有することを特徴とする方法。 ３、入力電圧から出力電圧を発生するスイッチング電圧
   調整器において、前記繰返し波形の上昇部分の期間中に
   増加する割合の上昇を持った繰返し凹状波形を発生する
   オシレータ、前記出力電圧からエラー信号を発生する手
   段、前記繰返し波形とエラー信号とを受取り且つ前記繰
   返し波形が前記エラー信号を越える場合に出力を発生す
   る比較器、前記比較器出力を受取り且つ前記出力電圧を
   発生する出力段、を有することを特徴とするスイッチン
   グ電圧調整器。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記オシレータが
   、更に、積分器へ結合されている交互の極性の電流源を
   有することを特徴とするスイッチング電圧調整器。 ５、特許請求の範囲第３項において、前記オシレータが
   、電流源と、入力端子及び出力端子を具備する積分器と
   、帰還信号接続と、を有しており、前記電流源が前記積
   分器入力端へ結合しており、前記積分器出力端が前記帰
   還信号接続へ結合されており、且つ前記帰還信号接続が
   前記電流源の大きさを修正すべく結合されていることを
   特徴とするスイッチング電圧調整器。