JPH08172322A - High frequency pwm control circuit - Google Patents

High frequency pwm control circuit

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JPH08172322A
JPH08172322A JP6333405A JP33340594A JPH08172322A JP H08172322 A JPH08172322 A JP H08172322A JP 6333405 A JP6333405 A JP 6333405A JP 33340594 A JP33340594 A JP 33340594A JP H08172322 A JPH08172322 A JP H08172322A
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pwm
voltage
input
frequency
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JP6333405A
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Inventor
Susumu Kimura
進 木村
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Abstract

PURPOSE: To make it possible to apply a PWM up to a high frequency area which can not be applied in a conventional circuit and to improve the energy efficiency of many power control equipments. CONSTITUTION: The high frequency PWM control circuit consists of an oscillator 1 for outputting a square wave corresponding to a PWM carrier, a voltage controlled oscillator 2 for outputting a signal with frequency corresponding to input voltage, a phase comparator 3 for outputting a square wave with duty corresponding to a phase difference between an output from the oscillator 2 and an output from the oscillator 1, and an adder 4 for generating voltage obtained by adding an output from the comparator 3 to the input Vi of the PWM and outputting the voltage output to the oscillator 2. The output of the comparator 3 is set up to an output V0 from the PWM.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は各種インバータ、スイッ
チング電源等に加えて、オーディオ出力等のより高い周
波数応答が要求される分野にも適用が容易となる高周波
PWM制御回路に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-frequency PWM control circuit which can be easily applied to various inverters, switching power supplies and the like, as well as to fields requiring a higher frequency response such as audio output.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、PWMによる電力制御はエネ
ルギー効率の良さから広く使われているが、その制御さ
れた電力の応答周波数は数KHZが上限である。このた
め20KHZ以上の周波数応答が要求されるオーディオ
用電力増幅器等ではPWMよりエネルギー効率の低いリ
ニアな電力制御回路が現在でも一般的である。
Heretofore, the power control by the PWM is widely used from the good energy efficiency, response frequency of the controlled power number KH Z is the upper limit. Therefore 20 kHz Z or more audio power amplifier such as a low linear power control circuit energy efficient than PWM in the frequency response is required it is common today.

【0003】このPWM(Pulse Width Mo
dulation)とはパルス幅変調のことであり、出
力がある周期でON、OFFを繰り返し、その一サイク
ルの平均値すなわちデューティー(ON時間/周期)が
入力に対応、例えば比例する制御を行う回路をいう。
This PWM (Pulse Width Mo
(duration) is pulse width modulation, in which the output is repeatedly turned on and off in a certain cycle, and the average value of one cycle, that is, the duty (ON time / cycle) corresponds to the input, for example, a circuit for performing proportional control. Say.

【0004】現在広く用いられているPWM制御回路
は、三角波発振器と電圧コンパレータを組み合わせたも
のである。なお電圧コンパレータは通常単にコンパレー
タ、又は比較器と称されるが、この場合位相比較器の用
語との区別を明確にするために電圧コンパレータという
呼称を用いることにする。
The PWM control circuit widely used at present is a combination of a triangular wave oscillator and a voltage comparator. The voltage comparator is usually simply referred to as a comparator or a comparator, but in this case, the term "voltage comparator" will be used to clarify the distinction from the term "phase comparator".

【0005】これら従来のPWM制御回路の構成例を図
6を用いて説明すると、101は三角波発振器であり、
その出力V2は電圧コンパレータ102の(−)入力に
接続され、一方、電圧コンパレータ102の(+)入力
にはPWMへの入力としての入力電圧V1が接続され、
電圧コンパレータ102の出力V3には三角波と同じ周
期をもち入力に比例してON時間の割合すなわちデュー
ティーが変化する信号が得られ、この出力がPWM制御
信号である。通常、このPWM制御信号を電力スイッチ
ング素子の駆動信号として用いその出力電力を制御する
ことになる。
An example of the configuration of these conventional PWM control circuits will be described with reference to FIG. 6. Reference numeral 101 is a triangular wave oscillator,
Its output V 2 is connected to the (−) input of the voltage comparator 102, while the (+) input of the voltage comparator 102 is connected to the input voltage V 1 as input to the PWM,
At the output V 3 of the voltage comparator 102, a signal which has the same period as the triangular wave and whose ON time ratio, that is, the duty, changes in proportion to the input is obtained, and this output is the PWM control signal. Normally, this PWM control signal is used as a drive signal for the power switching element to control its output power.

【0006】しかして、図7を参照してその動作を説明
すると、横方向は時間を、縦方向は電圧を示しており、
112は三角波発振器の出力であって、時間と共に一定
の勾配で上昇し最大値に達すると今度は一定の勾配で下
降し、最小値に達すると再び上昇に転じ、以後この動作
を繰り返す。又、111は入力電圧であって、その瞬時
値は三角波の最小値最大値の間に含まれること、またそ
の変化する速さは三角波よりも十分遅いこと、言い換え
れば三角波の周波数よりも入力の周波数が十分に低いこ
とが要求され、この条件が満たされている状態におい
て、113は電圧コンパレータの出力であって、図のよ
うに入力電圧が三角波の瞬時値よりも高ければ高電圧す
なわちON、低ければ低電圧すなわちOFFとなる。三
角波の一サイクルでこの出力を平均したものは入力電圧
に比例する。これでPWMが実現されたわけである。出
力がON、OFFされる周波数はPWMのキャリア周波
数又はスイッチング周波数と呼ばれ、この例では三角波
の周波数がキャリア周波数となる。またこの周波数成分
を単にキャリアと呼ぶ。
The operation will be described with reference to FIG. 7. The horizontal direction indicates time, and the vertical direction indicates voltage.
Reference numeral 112 denotes an output of the triangular wave oscillator, which rises with a constant gradient with time and then descends with a constant gradient when the maximum value is reached, then rises again when the minimum value is reached, and this operation is repeated thereafter. Further, 111 is an input voltage, and its instantaneous value is included between the minimum and maximum values of the triangular wave, and its changing speed is sufficiently slower than the triangular wave, in other words, the input voltage is higher than the triangular wave frequency. When the frequency is required to be sufficiently low and this condition is satisfied, 113 is the output of the voltage comparator. As shown in the figure, if the input voltage is higher than the instantaneous value of the triangular wave, a high voltage, that is, ON, If it is low, the voltage is low, that is, OFF. The average of this output in one cycle of the triangular wave is proportional to the input voltage. With this, PWM is realized. The frequency at which the output is turned on and off is called the PWM carrier frequency or switching frequency. In this example, the triangular wave frequency is the carrier frequency. Moreover, this frequency component is simply called a carrier.

【0007】また、従来PWMと関連付けられてこなか
ったが、広く用いられている技術にPLL(Phase
Locked Loop)が知られている。ここで一
旦、PWMからは離れてPLLについて説明すると、こ
のPLLは信号の位相を他の基準となる信号にロックす
なわち固定する手法である。
Although not conventionally associated with PWM, a widely used technique is PLL (Phase).
Locked Loop) is known. Here, once describing the PLL apart from the PWM, this PLL is a method of locking or fixing the phase of the signal to another reference signal.

【0008】図8はその基本構成を示し、201は上述
した基準となる信号源であり、この出力の位相をθi
し、202は位相比較器であり、基準信号と電圧制御発
振器204(以下「VCO」とも称する。)の出力を二
つの入力として、その位相差に比例した電圧を発生し、
この出力をVφとする。又、203はループフィルタで
あって、位相比較器202の出力のうち、必要な周波数
成分を取り出して、次のVCO204に入力し、この出
力をVvとする。又、電圧制御発振器204は、入力電
圧に比例した周波数の信号を出力する発振器である。こ
の出力の位相をθ0とし、この出力は前述の位相比較器
の一方の入力に接続され、ループを形成する。
FIG. 8 shows its basic configuration. 201 is the above-mentioned reference signal source, the phase of this output is θ i , 202 is a phase comparator, and the reference signal and voltage controlled oscillator 204 (hereinafter The output of "VCO" is also used as two inputs to generate a voltage proportional to the phase difference,
This output is V φ . Reference numeral 203 denotes a loop filter, which takes out a necessary frequency component from the output of the phase comparator 202, inputs it to the next VCO 204, and sets this output as V v . The voltage controlled oscillator 204 is an oscillator that outputs a signal having a frequency proportional to the input voltage. The phase of this output is θ 0, and this output is connected to one input of the aforementioned phase comparator to form a loop.

【0009】次にその動作について、入力信号及びVC
Oの出力は正弦波の場合も方形波の場合もあるが、ここ
では方形波の場合で述べると、入力信号とVCOの出力
の周波数が一致した状態がPLLがロックした状態であ
る。この時θiとθ0には一定の位相差がある。位相比較
器202はこの位相差に比例した電圧を発生する。位相
比較器202の実現方法も幾つかあるが、ここでは汎用
デジタル素子である、EX−ORゲートを使用した場合
について述べる。
Next, regarding the operation, the input signal and VC
The output of O may be a sine wave or a square wave. Here, in the case of a square wave, the state where the input signal and the output frequency of the VCO match is the state where the PLL is locked. At this time, there is a constant phase difference between θ i and θ 0 . The phase comparator 202 generates a voltage proportional to this phase difference. There are several methods for implementing the phase comparator 202, but here, the case where an EX-OR gate, which is a general-purpose digital element, is used will be described.

【0010】図9はEX−ORゲートを位相比較器20
2に使った場合の動作を示し、横方向は時間を、縦方向
は電圧を示している。211は基準信号θiであり、2
12はVCOの出力θ0であり、213は位相比較器の
出力Vφである。これら二つの入力θi、θ0のどちらか
が高電圧すなわちONの時、出力もON、それ以外の
時、出力は低電圧すなわちOFFとなる。図の如く二つ
の入力の位相差が1/4サイクルすなわちラジアンで表
わしてπ/2である時には、出力の平均値は高電圧の1
/2となる。一般に二つの入力の位相差を横軸に出力の
平均値を縦軸にとってグラフに示すと図10のようにな
る。
FIG. 9 shows an EX-OR gate with a phase comparator 20.
2 shows the operation when used, where the horizontal direction indicates time and the vertical direction indicates voltage. 211 is the reference signal θ i , and 2
Reference numeral 12 is the output θ 0 of the VCO, and reference numeral 213 is the output V φ of the phase comparator. When either of these two inputs θ i and θ 0 is high voltage, that is, ON, the output is ON, and when it is other than that, the output is low voltage, that is, OFF. As shown in the figure, when the phase difference between the two inputs is 1/4 cycle, that is, π / 2 expressed in radians, the average value of the outputs is 1 of the high voltage.
/ 2. In general, the phase difference between two inputs is plotted on the horizontal axis, and the average value of the outputs is plotted on the vertical axis.

【0011】又、ループフィルタ203は、この出力の
平均値を取り出すためのものであって、通常ローパスフ
ィルタが使われる。EX−ORゲートに限らずどのよう
な種類の位相比較器を使ってもその出力には位相差に比
例した電圧だけではなく、キャリア周波数などの高周波
成分が含まれている。この高周波成分を取り除くために
ループフィルタ203が使われており、またPLL全体
の応答を決める作用もある。ループフィルタ203の出
力VvはVCO204に入力されて、その電圧によって
決まる或る周波数の信号を発振する。これら各部の信号
がつりあっている状態がロックしている状態である。
The loop filter 203 is for extracting the average value of this output, and a low pass filter is usually used. Not only the EX-OR gate but any type of phase comparator uses not only the voltage proportional to the phase difference but also a high frequency component such as a carrier frequency in its output. The loop filter 203 is used to remove this high frequency component, and also has the function of determining the response of the entire PLL. The output V v of the loop filter 203 is input to the VCO 204 and oscillates a signal having a certain frequency determined by its voltage. The state in which the signals of these parts are balanced is the locked state.

【0012】ここで、何らかの原因でθiが変化したと
すると、位相比較器202はその位相差に応じて出力を
変化させ、この変化はループフィルタ203を通過した
後にVCO204に入力されてθ0の変化を引き起こ
す。このθ0の変化がθiの変化と同じになれば再び両者
の位相差(θi−θ0)は元と同じ状態になる。このよう
にθiとθ0の位相差が一定になるように動作するのがP
LLである。
If θ i changes for some reason, the phase comparator 202 changes the output according to the phase difference, and this change is input to the VCO 204 after passing through the loop filter 203 and θ 0 Cause changes. If this change in θ 0 becomes the same as the change in θ i , the phase difference (θ i −θ 0 ) between them again becomes the same as the original state. In this way, it is P that operates so that the phase difference between θ i and θ 0 becomes constant.
It is LL.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】ここに、PWMのキャ
リア周波数と、出力の応答周波数の間には、キャリア周
波数/応答周波数=100程度以上、なる関係があるべ
きだと考えられ、これは出力に対して、(a).入力信
号の再現性が良いこと、(b).キャリアが十分抑圧さ
れていることが要求されるからである。
It is considered that there should be a relationship of carrier frequency / response frequency = about 100 or more between the PWM carrier frequency and the output response frequency. (A). Good reproducibility of the input signal, (b). This is because the carrier is required to be sufficiently suppressed.

【0014】上記(a)に対しては、キャリアの1サイ
クルの平均値で入力に対する近似が行われるから一サイ
クルの時間が出力の変化時間より短いほど良く近似でき
るため、上記(b)に対しては周波数比が大きいほど、
出力のローパスフィルタによる減衰率が大きくとれるた
めである。つまり20KHzの応答周波数を得るために
は2MHz程度以上のキャリア周波数が必要であること
になる。
For (a) above, since the input is approximated by the average value of one cycle of the carrier, the closer the cycle time is to the output change time, the better the approximation. The larger the frequency ratio,
This is because a large attenuation factor of the output low-pass filter can be obtained. That would be to obtain the response frequency of 20 kHz z are required carrier frequencies above about 2 MH z.

【0015】前項で示した従来の方法ではキャリア周波
数を1MHz以上にすることは容易でない。その理由
は、三角波は高周波では扱いが難しく、これは回路の位
相ずれにより波形が崩れるからであり、又、電圧コンパ
レータの高速化が難しく、これはアナログ電圧の比較で
は広帯域化するほど雑音に弱くなるからである。現在市
販されているPWM制御用ICでもキャリア周波数1M
z以上で動作するものは少ない。また高周波化のため
には制御回路のみならず、出力段に使用する電力制御素
子自体の高速化も、もちろん必要である。
[0015] In the conventional method shown in the previous section is not easy to a carrier frequency above 1 MH z. The reason is that the triangular wave is difficult to handle at high frequencies, because the waveform is broken due to the phase shift of the circuit, and it is difficult to increase the speed of the voltage comparator. Because it will be. Even the currently available PWM control IC has a carrier frequency of 1M.
Few operate above H z . Further, in order to increase the frequency, not only the control circuit but also the power control element itself used in the output stage must be speeded up.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明は三角波も電圧コ
ンパレータも使用せずに、このような課題を解決するこ
とを目的とするもので、請求項1記載の発明のPWM制
御回路は、PWMキャリアに対応する方形波を出力する
発振器と、入力電圧に対応した周波数の信号を出力する
電圧制御発振器と、この電圧制御発振器からの出力と上
記発振器からの出力との位相差に対応したデューテイの
方形波を出力する位相比較器と、この位相比較器からの
出力とPWMへの入力とを加算した電圧を発生し、この
出力を前記電圧制御発振器に出力する加算器とからな
り、上記位相比較器の出力をPWMからの出力とするこ
とを特徴とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve such a problem without using a triangular wave or a voltage comparator. The PWM control circuit of the invention according to claim 1 is a PWM controller. An oscillator that outputs a square wave corresponding to the carrier, a voltage-controlled oscillator that outputs a signal of a frequency corresponding to the input voltage, and a duty ratio corresponding to the phase difference between the output from this voltage-controlled oscillator and the output from the oscillator. The phase comparator includes a phase comparator that outputs a square wave, and an adder that generates a voltage obtained by adding the output from the phase comparator and the input to the PWM and outputs the output to the voltage controlled oscillator. The output of the device is the output from the PWM.

【0017】又、請求項2記載の発明のPWM制御回路
は、請求項1記載の発明において、上記加算器からの出
力をループフィルタを通して上記電圧制御発振器に出力
することを特徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided the PWM control circuit according to the first aspect of the present invention, wherein the output from the adder is output to the voltage controlled oscillator through a loop filter. .

【0018】又、請求項3記載の発明のPWM制御回路
は、請求項1記載の発明において、上記PWMへの入力
を一方のループフィルタを通して上記加算器に出力する
と共に上記位相比較器からの出力を他方のループフィル
タを通して加算器に出力することを特徴とするものであ
る。
According to a third aspect of the present invention, in the PWM control circuit of the first aspect, the input to the PWM is output to the adder through one loop filter and the output from the phase comparator. Is output to the adder through the other loop filter.

【0019】[0019]

【作用】前記の如く、方形波で動作するPLLにおいて
は、位相比較器の出力に二つの入力の位相差に比例した
デューティの方形波が得られている。従来PLLにおい
て、位相比較器の出力はその直流と低周波成分すなわち
発振周波数よりも十分低い周波数の成分のみが利用さ
れ、発振周波数の成分は捨てられてきた。
As described above, in the PLL operating with a square wave, a square wave having a duty proportional to the phase difference between the two inputs is obtained at the output of the phase comparator. In the conventional PLL, the output of the phase comparator uses only its direct current and low frequency components, that is, components having a frequency sufficiently lower than the oscillation frequency, and the components of the oscillation frequency have been discarded.

【0020】しかし、このデューティーを制御された方
形波とはPWMに他ならないわけである。すなわちPL
Lの位相比較器の出力をそのままの形で使用する構成の
PWM制御回路が考えられ、PLLでは100MHz
度までの応用が容易であるからPWMの高周波化が十分
可能であると考えられる。ただし入力電圧に比例した位
相差を持つ二つの信号を発生させなければならない。こ
れは位相比較器の出力に入力電圧を加算することによっ
て実現できる。
However, this duty-controlled square wave is nothing but PWM. That is PL
L PWM control circuit configuration and used in that form the output of the phase comparator is considered of, PWM of high frequency is considered to be sufficient possible because applications up to about 100 MHz z in the PLL is easy. However, two signals with a phase difference proportional to the input voltage must be generated. This can be achieved by adding the input voltage to the output of the phase comparator.

【0021】一定の周波数の信号にPLLがロックした
状態ではVCOの入力電圧は一定である。これはロック
した元の信号とVCOの出力信号の位相差によらない。
なぜならばVCOの発振周波数はその入力電圧の現在値
と一対一の関係にあるが、その位相は入力電圧の現在値
と一意的な関係にないからである。
The input voltage of the VCO is constant when the PLL is locked to a signal of a constant frequency. This does not depend on the phase difference between the locked original signal and the VCO output signal.
This is because the VCO oscillation frequency has a one-to-one relationship with the current value of the input voltage, but its phase has no unique relationship with the current value of the input voltage.

【0022】したがってこの状態でVCOへの入力電圧
に位相比較器の出力以外の電圧を加えれば、位相比較器
の出力はそれを打ち消すように変化することになる。位
相比較器の出力が変化することは、その出力である方形
波のデューティーが変化することであるから、これで前
記のことが実現できたことになる。すなわちVCOの入
力に加える位相比較器の出力以外の電圧をPWMの入力
と考えれば、位相比較器の出力はPWMの出力となって
いるのである。以上が本発明のPWM制御回路の原理で
ある。
Therefore, if a voltage other than the output of the phase comparator is applied to the input voltage to the VCO in this state, the output of the phase comparator changes so as to cancel it. The fact that the output of the phase comparator changes means that the duty of the square wave, which is its output, changes, so the above can be realized. That is, if the voltage other than the output of the phase comparator applied to the input of the VCO is considered as the input of PWM, the output of the phase comparator is the output of PWM. The above is the principle of the PWM control circuit of the present invention.

【0023】[0023]

【実施例】図1は請求項1記載の発明の一実施例のブロ
ック図であって、1はPWMキャリアに対応する方形波
を出力する発振器である。この周波数はPWMのキャリ
ア周波数に等しいか、または位相比較器の種類によって
はその1/2の周波数になることもある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the invention described in claim 1, and 1 is an oscillator for outputting a square wave corresponding to a PWM carrier. This frequency may be equal to the PWM carrier frequency, or may be half the frequency depending on the type of phase comparator.

【0024】2は電圧制御発振器(以下同様に「VC
O」とも称する。)であり、入力電圧Vvに対応、この
場合比例した周波数の方形波の信号を出力する。
Reference numeral 2 is a voltage-controlled oscillator (hereinafter referred to as "VC
Also referred to as "O". ) Corresponding to the input voltage V v , in this case, a square wave signal having a proportional frequency is output.

【0025】3は位相比較器であって、上記発振器1か
らの出力θiと上記電圧制御発振器2からの出力θ0との
位相差(θi−θ0)に比例したデューティーの方形波V
φを発生する。
Reference numeral 3 denotes a phase comparator, which is a square wave V having a duty proportional to the phase difference (θ i −θ 0 ) between the output θ i from the oscillator 1 and the output θ 0 from the voltage controlled oscillator 2.
Generate φ .

【0026】4は加算器であり、上記位相比較器3から
の出力とこのPWM回路への入力としての入力電圧Vi
とを加算した電圧Vvを発生し、この出力を前記電圧制
御発振器2に入力する。
Reference numeral 4 denotes an adder, which outputs the output from the phase comparator 3 and the input voltage V i as an input to the PWM circuit.
A voltage V v obtained by adding and is generated, and this output is input to the voltage controlled oscillator 2.

【0027】そして、上記位相比較器3からの出力Vφ
をそのままPWM回路からの出力V0として外部に取り
出すこととし、しかして、この発明のPWM回路への入
力としての前記入力電圧Viに対して、この発明のPW
M回路からの出力として、出力電圧をV0とするPWM
信号を発生させている。
Then, the output V φ from the phase comparator 3
Is taken out as the output V 0 from the PWM circuit as it is, and the PW of the present invention is applied to the input voltage V i as the input to the PWM circuit of the present invention.
PWM with output voltage V 0 as output from M circuit
Is generating a signal.

【0028】次に、定性的な説明は前記のとおりである
から、ここでは式を使いその動作を定量的に説明する
と、図1において、 θi=入力位相 [rad] θ0=出力位相 [rad] Kφ=位相比較器の利得定数 [V/rad] KV=VCOの変換利得 [rad/Vs] Vi=入力電圧 [V] Vφ=位相比較器の出力電圧 [V] Vo=PWM出力電圧 [V] Vv=VCO入力電圧 [V] とする。
Since the qualitative explanation has been given above, the operation will be quantitatively explained here using the equation. In FIG. 1, θ i = input phase [rad] θ 0 = output phase [ rad] K φ = gain constant of phase comparator [V / rad] K V = conversion gain of VCO [rad / Vs] V i = input voltage [V] V φ = output voltage of phase comparator [V] V o = the PWM output voltage [V] V v = VCO input voltage [V].

【0029】この図1においては、入力電圧Vi、加算
器4が無く、位相比較器3の出力が直接VCO2に接続
されていれば、ループフィルタの無いPLLの基本回路
である。この場合θiに対するθoの応答は、 Vφ=(θi−θo)Kφ (1) Vv=Vφ (2) dθo/dt=VvV (3) ∴ dθo/dt=(θi−θo)KφV (4) 式(4)をラプラス変換すると、 sθo(s)=(θi(s)−θo(s))KφV (5) ∴ θo(s)/θi(s)=KφV/(s+KφV) (6) となる。これはよく知られたPLLの応答の基本式にお
いてループフィルタの特性を1としたものである。ここ
でθiは一定とし、替わりに Vi=θi’Kφ (7) なる電圧が位相比較器3の出力に加えられたとすれば、
それは位相比較器3の入力にθi’の位相が加えられた
のと等価である。これを実現するのが位相比較器3の後
段に設けられた加算器4である。Viに対するθoの応答
は式(7)より θi’=Vi/Kφ (8) を式(6)のθiに代入して、 θo(s)/Vi(s)=KV/(s+KφV) (9) となる。
In FIG. 1, if the input voltage V i and the adder 4 are not provided and the output of the phase comparator 3 is directly connected to the VCO 2, it is a basic circuit of a PLL without a loop filter. In this case, the response of θ o to θ i is V φ = (θ i −θ o ) K φ (1) V v = V φ (2) dθ o / dt = V v K V (3) ∴dθ o / dt = (θ i −θ o ) K φ K V (4) When the equation (4) is Laplace transformed, sθ o (s) = (θ i (s) −θ o (s)) K φ K V (5 ) ∴ θ o (s) / θ i (s) = K φ K V / (s + K φ K V ) (6) This is one in which the characteristic of the loop filter is set to 1 in the well-known basic equation of the response of the PLL. Here, if θ i is constant and, instead, a voltage V i = θ i 'K φ (7) is added to the output of the phase comparator 3,
It is equivalent to the phase of θ i 'added to the input of the phase comparator 3. This is realized by the adder 4 provided after the phase comparator 3. The response of the theta o for V i by substituting from θ i '= V i / K φ Equation (7) (8) to theta i of formula (6), θ o (s ) / V i (s) = K V / (s + K φ K V ) (9)

【0030】PWMからの出力Voは位相比較器の出力
φと等しく、またθiを一定としているので式(1)
より Vo=Vφ=−θoφ (10) すなわち θo=−V0/Kφ (11) これを式(9)に代入して Vo(s)/Vi(s)=−KφV/(s+KφV) (12) となる。
Since the output V o from the PWM is equal to the output V φ of the phase comparator and θ i is constant, the equation (1)
Therefore, V o = V φ = −θ o K φ (10), that is, θ o = −V 0 / K φ (11) Substituting this into equation (9), V o (s) / V i (s) = −K φ K V / (s + K φ K V ) (12)

【0031】これがこのPWMの応答の基本式である。
これは式(6)と符合が異なるだけで同一の特性であ
る。すなわちPWMへの入力としての入力電圧に対する
PWMからの出力の応答は、使用するPLLの特性と同
じになる。
This is the basic formula of this PWM response.
This is the same characteristic as the expression (6) except that the sign is different. That is, the response of the output from the PWM to the input voltage as the input to the PWM is the same as the characteristic of the PLL used.

【0032】図1においては、通常PLLにおいて位相
比較器の後段に設けられるループフィルタが存在しな
い。これは上述の通り原理的にはループフィルタが無く
ても動作可能と考えられるからである。PLLにおける
ループフィルタの役割は既に述べた通りであり、本発明
においても同様の目的でループフィルタを使用すること
ができる。
In FIG. 1, there is usually no loop filter provided after the phase comparator in the PLL. This is because it is possible to operate without the loop filter in principle as described above. The role of the loop filter in the PLL is as described above, and the loop filter can be used for the same purpose in the present invention.

【0033】図2は請求項2記載の発明の一実施例のブ
ロック図であって、上記請求項1記載の発明の一実施例
としての上記図1において、その加算器4の後段にルー
プフィルタ5を設け、加算器4からの出力をループフィ
ルタ5を通して上記電圧制御発振器2に出力するもの
で、それ以外の構成は図1の実施例と同一である。
FIG. 2 is a block diagram of an embodiment of the invention described in claim 2. In FIG. 1 as an embodiment of the invention described in claim 1, a loop filter is provided after the adder 4 in FIG. 5 is provided and the output from the adder 4 is output to the voltage controlled oscillator 2 through the loop filter 5, and the other configuration is the same as that of the embodiment of FIG.

【0034】この場合の動作は、 KF=フィルタ利得 無次元 として図1の場合と同様に計算すると、式(2)が Vv=VφF (13) と変わり、式(12)は Vo(s)/Vi(s)=−KφFV/(s+KφFV) (14) となる。In the operation in this case, if K F = filter gain is dimensionless and the same calculation as in the case of FIG. 1, equation (2) is changed to V v = V φ K F (13), and equation (12) becomes V o (s) / V i (s) = - a K φ K F K V / ( s + K φ K F K V) (14).

【0035】図3は請求項3記載の発明の一実施例のブ
ロック図であって、上記請求項1記載の発明の一実施例
としての上記図1において、二つの同一特性を持つルー
プフィルタ6・7を用い、上記PWMへの入力を一方の
ループフィルタ6を通して加算器4に出力すると共に位
相比較器3からの出力を他方のループフィルタ7を通し
て加算器4に出力し、しかして入力電圧Viがループフ
ィルタ6を通過した電圧と、位相比較器3の出力V
φが、ループフィルタ7を通過した電圧とを加算器4で
加算するものであり、それ以外の構成は図1の実施例と
同一である。
FIG. 3 is a block diagram of an embodiment of the invention according to claim 3, and in FIG. 1 as an embodiment of the invention according to claim 1, there are two loop filters 6 having the same characteristics. 7 is used to output the input to the PWM to the adder 4 through one loop filter 6 and the output from the phase comparator 3 to the adder 4 through the other loop filter 7, and thus the input voltage V The voltage at which i has passed through the loop filter 6 and the output V of the phase comparator 3
φ is for adding with the voltage passed through the loop filter 7 by the adder 4, and the other configuration is the same as the embodiment of FIG.

【0036】この場合加算器4の入力において考えると
iは、 ViF=θi’KφF (15) なるθi’が位相比較器に入力されたのと等価である。
すなわち Vi=θi’Kφ (16) となり、これは式(7)と等しいので図2の場合と同一
の結果を得る。
In this case, considering at the input of the adder 4, V i is equivalent to the input of V i K F = θ i 'K φ K F (15) θ i ' to the phase comparator.
That is, V i = θ i 'K φ (16), which is the same as the equation (7), and thus the same result as in the case of FIG.

【0037】図3の実施例を図2の実施例と比べた場合
のメリットは、回路を実現する上で加算器に振幅の大き
な高周波の方形波が入力されないで済み、加算器の入力
条件が易しくなるという点である。
The merit of the embodiment of FIG. 3 compared with the embodiment of FIG. 2 is that in implementing the circuit, it is not necessary to input a high-frequency square wave having a large amplitude to the adder, and the input condition of the adder is The point is that it will be easier.

【0038】図4は上記図3で示した実施例を電力増幅
器に応用した試作品の回路図であり、この場合PWMキ
ャリア周波数を4MHzとして出力応答周波数20KHz
を目標とした。又、負荷抵抗は8Ωとした。
FIG. 4 is a circuit diagram of a prototype in which the embodiment shown in FIG. 3 is applied to a power amplifier. In this case, the PWM carrier frequency is 4 MHz and the output response frequency is 20 kHz.
Was the goal. The load resistance was 8Ω.

【0039】この図4の回路の構成を説明すると、Vi
はPWMへの入力としての入力電圧であり、PWMから
の出力としての出力電力はP0に得られる。又、電源は
iから直流電力を供給する。この例では入力電圧Vi
コンデンサC1によってその直流成分をカットされてい
るが、直流まで応答するように設計することも可能であ
る。
Explaining the configuration of the circuit of FIG. 4, V i
Is the input voltage as the input to the PWM and the output power as the output from the PWM is available at P 0 . The power supply also supplies DC power from P i . In this example, the DC voltage component of the input voltage V i is cut by the capacitor C 1 , but it is possible to design the input voltage V i so that it responds to DC.

【0040】ブロックAは入力電圧の増幅器であり、こ
れは微小入力電圧をキャリア信号と同程度の大きさに増
幅するためのものであり、ブロックBはループフィルタ
であって、図3のループフィルタ6に対応しており、
又、ブロックCはループフィルタであって、図3のルー
プフィルタ7に対応し、ブロックDは加算器であって、
図3の加算器4に対応している。この加算器には二つの
ループフィルタからの出力の他にポテンショメータVR
1からの一定の電圧が加えられている。これは入力が0
の時の出力のデューティーを決めるためのもので、加算
器の出力はこれらすべての和であってPWMからの出力
もこれらすべての和に従って変化する。
Block A is an amplifier for input voltage, which is for amplifying a minute input voltage to the same level as a carrier signal, and block B is a loop filter, which is the loop filter of FIG. It corresponds to 6,
Further, the block C is a loop filter and corresponds to the loop filter 7 of FIG. 3, and the block D is an adder,
This corresponds to the adder 4 in FIG. This adder has potentiometer VR in addition to the outputs from the two loop filters.
A constant voltage from 1 is applied. This is input 0
The output of the adder is the sum of all of these, and the output from the PWM also changes in accordance with the sum of all of these.

【0041】ブロックEは図3の発振器1に対応するP
WMキャリア信号の発振器であり、この例では位相比較
器にEX−ORゲートを使用したため実際のキャリア周
波数である4MHzの1/2の2MHzの方形波発振器を
使っている。尚、例えばRS−フリップフロップ型等の
位相比較器を使用することもできる。
The block E is P corresponding to the oscillator 1 of FIG.
WM is an oscillator of the carrier signal, and uses a square wave oscillator 1/2 of 2 MH z of 4 mH z is the actual carrier frequency for using the EX-OR gate to the phase comparator in this example. An RS-flip-flop type phase comparator or the like can also be used.

【0042】ブロックFはPLLの大部分の機能を含
み、図3の位相比較器3、電圧制御発振器2に対応する
ものである。
The block F includes most of the functions of the PLL, and corresponds to the phase comparator 3 and the voltage controlled oscillator 2 shown in FIG.

【0043】ブロックGは電力スイッチング回路で、ブ
ロックFからのPWMからの出力としてのPWM信号V
φを受けて供給電力Piをスイッチングする。L2、C6
から成るのはキャリア信号を抑圧するローパスフィルタ
であって、出力P0に入力電圧Viと相似形の波形が得ら
れるようにしている。
A block G is a power switching circuit, and a PWM signal V as an output from the PWM from the block F
Upon receiving φ , the supplied power P i is switched. L 2 , C 6
Consists of a low-pass filter that suppresses the carrier signal so that a waveform similar to the input voltage V i can be obtained at the output P 0 .

【0044】本試作品の動作は既に説明した通りである
ことを確認するため、測定したところ、図5に示す本試
作品の周波数特性を得た。負荷抵抗8Ωを接続した状態
で測定したものである。
In order to confirm that the operation of this prototype is as described above, the frequency characteristics of this prototype shown in FIG. 5 were obtained by measurement. It is measured with a load resistance of 8Ω connected.

【0045】この図で11は振幅の周波数特性である。
横軸は周波数を示し、縦軸は出力振幅/入力振幅すなわ
ち利得を示し、目盛りは左側のものを使う。
In this figure, 11 is a frequency characteristic of amplitude.
The horizontal axis represents frequency, the vertical axis represents output amplitude / input amplitude, that is, gain, and the scale on the left is used.

【0046】12は位相の周波数特性であり、横軸は1
1と共通で周波数を示し、縦軸は入力の位相に対する出
力の位相差を度で示したもので、目盛りは右側のものを
使っている。
12 is the frequency characteristic of the phase, the horizontal axis is 1
1 shows the frequency in common, and the vertical axis shows the phase difference of the output with respect to the phase of the input in degrees, and the scale on the right side is used.

【0047】この図から、所期の目標は達成されたとい
える。
From this figure, it can be said that the intended goal has been achieved.

【0048】[0048]

【発明の効果】請求項1記載の発明は上述の如く、PW
Mキャリアに対応する方形波を出力する発振器と、入力
電圧に対応した周波数の信号を出力する電圧制御発振器
と、この電圧制御発振器からの出力と上記発振器からの
出力との位相差に対応したデューテイの方形波を出力す
る位相比較器と、この位相比較器からの出力とPWMへ
の入力とを加算した電圧を発生し、この出力を前記電圧
制御発振器に出力する加算器とを備えてなり、上記位相
比較器の出力をPWMからの出力とすることにより、従
来適用できなかった高周波領域までのPWMの適用が可
能となり、多くの電力制御機器のエネルギー効率改善に
役立つものとなる。
As described above, the invention according to claim 1 is the PW.
An oscillator that outputs a square wave corresponding to the M carrier, a voltage-controlled oscillator that outputs a signal of a frequency corresponding to the input voltage, and a duty corresponding to the phase difference between the output from this voltage-controlled oscillator and the output from the oscillator. A phase comparator that outputs a square wave, and an adder that generates a voltage that is the sum of the output from this phase comparator and the input to the PWM, and that outputs this output to the voltage controlled oscillator, By setting the output of the phase comparator to the output from the PWM, it becomes possible to apply the PWM up to the high frequency region, which cannot be applied conventionally, and it is useful for improving the energy efficiency of many power control devices.

【0049】また請求項2記載の発明は、加算器からの
出力をループフィルタを通して電圧制御発振器に出力す
ることにより、請求項1記載の発明の効果に加えて、出
力の平均値を取り出すことができ、キャリア周波数など
の高周波成分を取り除くことができるので電圧制御発振
器の動作が安定すると共に回路全体の応答を任意に決め
ることもできる。
According to the second aspect of the present invention, the output from the adder is output to the voltage controlled oscillator through the loop filter, and in addition to the effect of the first aspect of the invention, the average value of the outputs can be taken out. Since the high frequency component such as the carrier frequency can be removed, the operation of the voltage controlled oscillator is stabilized and the response of the entire circuit can be arbitrarily determined.

【0050】また請求項3記載の発明は、上記PWMへ
の入力を一方のループフィルタを通して上記加算器に出
力すると共に上記位相比較器からの出力を他方のループ
フィルタを通して加算器に出力することにより、請求項
1記載の発明の効果に加えて、回路を実現する上で加算
器に振幅の大きな高周波の方形波が入力されないで済
み、加算器の入力条件を易しくすることができる。
According to a third aspect of the present invention, the input to the PWM is output to the adder through one loop filter, and the output from the phase comparator is output to the adder through the other loop filter. In addition to the effects of the first aspect of the present invention, in implementing the circuit, it is not necessary to input a high-frequency square wave having a large amplitude to the adder, and the input condition of the adder can be simplified.

【0051】以上、所期の目的が充分達成されたことに
なる。
As described above, the intended purpose is sufficiently achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は請求項1記載の発明の実施例の回路ブロ
ック図である。
FIG. 1 is a circuit block diagram of an embodiment of the invention described in claim 1.

【図2】図2は請求項2記載の発明の実施例の回路ブロ
ック図である。
FIG. 2 is a circuit block diagram of an embodiment of the invention described in claim 2.

【図3】図3は請求項3記載の発明の実施例の回路ブロ
ック図である。
FIG. 3 is a circuit block diagram of an embodiment of the invention described in claim 3.

【図4】図4は請求項3記載の発明を応用した試作品の
回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram of a prototype to which the invention according to claim 3 is applied.

【図5】図5は図4の試作品の回路の周波数特性図であ
る。
FIG. 5 is a frequency characteristic diagram of the circuit of the prototype of FIG.

【図6】従来から使われているPWM制御回路の構成系
統図である。
FIG. 6 is a configuration system diagram of a PWM control circuit which has been conventionally used.

【図7】図6に示すPWM制御回路の動作説明波形図で
ある。
7 is a waveform diagram for explaining the operation of the PWM control circuit shown in FIG.

【図8】従来から使われているPLLの構成系統図であ
る。
FIG. 8 is a configuration system diagram of a conventionally used PLL.

【図9】図8に示すPLLの説明波形図である。9 is an explanatory waveform diagram of the PLL shown in FIG.

【図10】図8に示すPLLの説明波形図である。10 is an explanatory waveform diagram of the PLL shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 発振器 2 電圧制御発振器 3 位相比較器 4 加算器 5 ループフィルタ 6 ループフィルタ 7 ループフィルタ 1 oscillator 2 voltage controlled oscillator 3 phase comparator 4 adder 5 loop filter 6 loop filter 7 loop filter

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 PWMキャリアに対応する方形波を出力
する発振器と、入力電圧に対応した周波数の信号を出力
する電圧制御発振器と、この電圧制御発振器からの出力
と上記発振器からの出力との位相差に対応したデューテ
イの方形波を出力する位相比較器と、この位相比較器か
らの出力とPWMへの入力とを加算した電圧を発生し、
この出力を前記電圧制御発振器に出力する加算器とから
なり、上記位相比較器の出力をPWMからの出力とする
ことを特徴とするPWM制御回路。
1. An oscillator which outputs a square wave corresponding to a PWM carrier, a voltage controlled oscillator which outputs a signal having a frequency corresponding to an input voltage, and a position between an output from the voltage controlled oscillator and an output from the oscillator. A phase comparator that outputs a square wave with a duty corresponding to the phase difference, and a voltage that is the sum of the output from this phase comparator and the input to the PWM are generated,
A PWM control circuit comprising an adder for outputting this output to the voltage controlled oscillator, wherein the output of the phase comparator is an output from PWM.
【請求項2】 上記加算器からの出力をループフィルタ
を通して上記電圧制御発振器に出力することを特徴とす
る請求項1記載のPWM制御回路。
2. The PWM control circuit according to claim 1, wherein the output from the adder is output to the voltage controlled oscillator through a loop filter.
【請求項3】 上記PWMへの入力を一方のループフィ
ルタを通して上記加算器に出力すると共に上記位相比較
器からの出力を他方のループフィルタを通して加算器に
出力することを特徴とする請求項1記載のPWM制御回
路。
3. The input to the PWM is output to the adder through one loop filter, and the output from the phase comparator is output to the adder through the other loop filter. PWM control circuit.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005260834A (en) * 2004-03-15 2005-09-22 Mitsubishi Electric Corp Pll circuit

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