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JP7728381B6 - 電源回路 - Google Patents

電源回路

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Description

本実施形態は、電源回路に関する。
従来、出力トランジスタのオンデューティを制御ループにより調整し、平滑コンデンサへの充電を制御して出力電圧を調整する電源回路の技術が開示されている。平滑コンデンサの容量値によって負荷応答が変化する。平滑コンデンサの容量値が大きい場合には、回路動作は安定するが負荷応答が遅い。一方、平滑コンデンサの容量値が小さい場合には、負荷応答は早いが発振の問題が生じる為、発振を回避する構成が必要になる。平滑コンデンサの容量値に依存せず、安定した動作を行う電源回路が望まれる。
特開2005-184962号公報
一つの実施形態は、平滑コンデンサの容量値に依存せず、安定した動作を行う電源回路を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、電源回路は、出力トランジスタからの充電電流で充電され、前記充電により生じた電圧を出力電圧として出力する平滑コンデンサと、前記出力電圧と参照電圧の差分値に応じて前記出力トランジスタの導通状態を制御する制御ループと、を具備し、前記制御ループは、前記出力電圧と前記参照電圧の差分値をデジタル信号である誤差値に変換するAD変換回路と、オンデューティ比を調整するための信号を生成するデューティ調整回路と、前記デューティ調整回路によりデューティが調整された時の前記誤差値の変動量に基づいて、前記平滑コンデンサの容量値を算出して算出信号として出力する容量算出回路と、前記算出信号に基づいて前記制御ループの利得を調整する利得調整回路と、前記誤差値に応じて前記出力電圧と前記参照電圧とが等しくなるように制御値を生成するデジタル補償回路と、前記デジタル補償回路の出力である前記制御値と前記デューティ調整回路の出力信号とを加算する加算回路と、前記加算回路の出力信号に応じてPWM信号を生成するPWM信号生成回路と、前記PWM信号生成回路との出力信号に基づいて駆動信号を生成し、前記駆動信号を前記出力トランジスタに供給する駆動回路と、を備え、前記利得調整回路は、前記算出信号に基づいて前記デジタル補償回路の補償係数を調整する。
図1は、第1の実施形態の電源回路の構成を示す図。 図2は、制御ループの利得調整方法を説明する為の図。 図3は、制御ループの利得調整を行う一つの構成例を示す図。 図4は、制御ループの利得調整の効果を説明する為の図。 図5は、制御ループの利得調整を行う他の構成例を示す図。 図6は、制御ループの利得調整の他の方法を説明する為の図。 図7は、第2の実施形態の電源回路の構成を示す図。 図8は、第3の実施形態の電源回路の構成を示す図。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる電源回路を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の電源回路の構成を示す図である。本実施形態は、直流電圧源10を有する。直流電圧源10は、入力電圧Vinを入力端子1に供給する。本実施形態は、出力トランジスタQ1、Q2を有する。出力トランジスタQ1のソースは入力端子1に接続され、ドレインはインダクタLの一端に接続される。出力トランジスタQ2のドレインは出力トランジスタQ1のドレインとインダクタLの一端に接続され、ソースは接地される。出力トランジスタQ1、Q2は、駆動回路70からの駆動信号に応答して交互にオン/オフし、導通状態が制御される。第1の実施形態は、スイッチング電源回路のDC/DCコンバータを構成する。
インダクタLの他端は、平滑コンデンサCの一端に接続される。平滑コンデンサCの他端は、接地される。平滑コンデンサCはインダクタLから供給される電流によって充電される。平滑コンデンサCの充電電圧、すなわち、平滑コンデンサCの一端の電圧は、出力電圧Voutとして出力端子2に供給される。負荷12には、出力電圧Voutが印加される。
本実施形態は、出力電圧Voutを参照電圧Vrefに等しくする制御を行う制御ループを有する。制御ループは、エラーアンプ40、比較回路60を有する。エラーアンプ40は、出力電圧Voutと参照電圧Vrefを比較して、その差分値に応じた制御信号controlを出力する。出力電圧Voutが参照電圧Vrefよりも高くなると制御信号controlのレベルが高くなり、出力電圧Voutが参照電圧Vrefより低くなると制御信号controlのレベルが低くなる。
比較回路60は、制御信号controlと三角波生成回路50からの三角波を比較して、制御信号controlのレベルに応じてオンデューティが変化するPWM(Pulse Width Modulation)信号PWMを生成し、駆動回路70に供給する。駆動回路70は、PWM信号PWMに応答して出力トランジスタQ1、Q2に駆動信号を供給する。駆動回路70は、出力トランジスタQ1、Q2が同時にオン状態になることで生じる貫通電流を回避する為、駆動信号にデッドタイムを設けて出力トランジスタQ1、Q2のゲートに供給する。
本実施形態は、電流センサ11、電流検出回路20、及び利得調整回路30を有する。電流センサ11は、出力トランジスタQ1が出力する入力電流Iinをセンスして、入力電流Iinに応じた信号を電流検出回路20に供給する。以降、便宜的に、電流センサ11が検出した入力電流Iinの値がそのまま電流検出回路20に供給されるものとして説明する。また、便宜的に、入力電流Iinを、平滑コンデンサCの充電電流と呼ぶ場合がある。
電流検出回路20は、入力電流Iinに応じた検出信号Detを利得調整回路30に供給する。利得調整回路30は、電流検出回路20からの検出信号Detに応じてエラーアンプ40の利得を調整する利得調整信号Gnを生成して、エラーアンプ40に供給する。例えば、利得調整回路30は、入力電流Iinに応じた利得調整信号Gnをデータテーブル(図示せず)から選択して出力する。エラーアンプ40の利得は、利得調整信号Gnに応じて調整される。
制御ループの利得調整の方法を、図2を用いて説明する。図2の横軸は時間、縦軸は入力電流Iinを示す。電源回路の起動時においては、平滑コンデンサCの充電電圧、従って、出力電圧Voutは、ゼロである。電源回路を起動し、出力トランジスタQ1がオンすると、平滑コンデンサCへの充電が開始する。この時の入力電流Iinは、入力電圧Vinと平滑コンデンサCの充電電圧である出力電圧Voutとの差電圧に応じた値となる。
平滑コンデンサCの値が大きい場合は、平滑コンデンサCの充電に時間を要する為、出力電圧Voutの立上りが遅くなる。この為、起動時においては平滑コンデンサCの容量値が大きい程、入力電流Iinが大きくなる。従って、平滑コンデンサCの容量値が小さい値から大きい値になるに従い、図2の実線111から実線112、113に示す様に増加する。すなわち、平滑コンデンサCの容量値が大きい程、検出時間Tにおける入力電流Iinは大きい値となる。検出時間Tにおける入力電流Iinの値を検出することで、平滑コンデンサCの容量値の大小関係を検出することができる。
本実施形態では、平滑コンデンサCの容量値の違いに起因する入力電流Iinの変化を検出して、制御ループの利得を調整する。しきい値Ith1、Ith2と入力電流Iinを比較し、その比較結果に応じた利得調整信号Gnをエラーアンプ40に供給してエラーアンプ40の利得を調整する。入力電流Iinがしきい値Ith1よりも小さい場合にはゲインG1に設定し、ゲインG1に応答した利得調整信号Gnをエラーアンプ40に供給する。同様に、入力電流Iinがしきい値Ith1以上でしきい値Ith2より小さい場合にはゲインG2に設定し、入力電流Iinがしきい値Ith2以上の場合にはゲインG3に設定する。利得は、ゲインG1からG3の順に、小さい値から大きい値に設定する。尚、しきい値Ithnの数、及び、対応する利得調整信号Gnの数を増やすことで、平滑コンデンサCの容量値の検出の精度を高め、きめの細い制御ループの利得調整が可能となる。
図3を用いて、エラーアンプ40の利得調整の一つの構成例を説明する。既述した実施形態に対応する構成には、同一符号を付し、重複した記載は必要な場合にのみ行う。以降、同様である。本構成例においては、エラーアンプ40にバイアス電流を供給する電流源41の電流値を利得調整回路30からの利得調整信号Gnによって調整する。エラーアンプ40のバイアス電流を大きくすることで、エラーアンプ40の利得を上げることができる。エラーアンプ40の利得を上げることで制御ループの利得を上げ、制御ループの帯域を広げることができる。
図4を用いて、本実施形態の効果について説明する。図4の上段は、利得調整を行う前の制御ループの帯域を示す。一点鎖線100は、利得0を示す。破線101は、平滑コンデンサCの容量値が最も小さい値の場合を示す。破線102は、平滑コンデンサCの容量値が次に小さい場合を示し、実線103は、平滑コンデンサCの容量値が最も大きい場合を示す。平滑コンデンサCの容量値が最も小さい場合には負荷応答が早く、利得が0となる周波数F1は最も高く制御ループの帯域は最も広い。平滑コンデンサCの容量値が大きくなるに従って、利得が0になる周波数は、F2からF3へと低下し、制御ループの帯域が狭まる。
下段は、本実施形態の制御ループの利得調整による効果を示す。平滑コンデンサCの容量値に応じてエラーアンプ40の利得を調整する。破線101Aは、上段の破線101に対応し、平滑コンデンサCの容量値が最も小さい場合である。この場合には、エラーアンプ40の利得が最も高くなる様に、利得調整信号Gnによって調整する。係る調整により、制御ループの負荷応答が早くなり、利得が0になる周波数をF0まで高めることが出来る。すなわち、制御ループの帯域を広げることができる。
同様に、平滑コンデンサCの容量値に応じてエラーアンプ40の利得を調整して、制御ループの帯域を調整する。係る調整により、例えば、平滑コンデンサCの容量値に拘らず、全ての平滑コンデンサCの容量値に対して帯域を示す周波数をF0まで広げる調整を行うことができる。起動時の入力電流Iinを検出して制御ループの利得を自動で調整することにより、平滑コンデンサCの容量値に拘らず制御ループの帯域を同じにする調整を行うことができる。係る調整により、電源回路の平滑コンデンサCの容量値に依存しない、安定した動作を行う電源回路を提供することができる。例えば、ユーザの要求に応じて平滑コンデンサCの容量値を変更する場合、あるいは、経時変化による平滑コンデンサCの容量値の変動に対して、安定した動作を行う電源回路を提供することができる。
図5は、制御ループの利得調整を行う他の構成例を示す図である。本構成の電流検出回路20は、比較回路21を有する。比較回路21は、入力電流Iinと参照電流Iaを比較する。比較回路21は、入力電流Iinが参照電流Iaより大きくなるとHレベルの検出信号Detを出力する。
本構成の利得調整回路30は、カウンタ31、フリップフロップ32、及び設定回路33を有する。カウンタ31は、クロック信号CKをカウントする。フリップフロップ32は、カウンタ31の出力と検出信号Detに応答する。フリップフロップ32は、検出信号DetがHレベルになった時のカウンタ31のカウント値を設定回路33に供給する。すなわち、フリップフロップ32の出力は、入力電流Iinが参照電流Iaに達するまでの時間を示す信号となる。設定回路33は、フリップフロップ32の出力としきい値Tthnを比較する。設定回路33は、フリップフロップ32の出力としきい値Tthnとの比較結果に応じた利得調整信号Gnを出力する。
図6を用いて、本構成例の利得調整回路30による調整方法を説明する。図6の横軸は時間を示し、縦軸は入力電流Iinを示す。入力電流Iinが参照電流Iaに達するタイミングが比較回路21によって検出される。入力電流Iinが参照電流Iaに達するまでの時間に応じた信号がフリップフロップ32から出力され、設定回路33においてしきい値Tthnと比較される。平滑コンデンサCの容量値が大きい場合には、起動時の入力電流Iinが大きくなる為、実線123に示す様に、入力電流Iinが参照電流Iaに達するまでの時間T1は短い。
平滑コンデンサCの容量値が小さくなる程、実線122、121に示す様に、入力電流Iinが参照電流Iaに達するまでの時間T2、T3は長くなる。従って、電源回路の起動時の入力電流Iinを検出し、入力電流Iinが参照電流Iaに達するまでの時間T1、T2、T3を検出することによって、平滑コンデンサCの値の大小関係を検知することができる。
入力電流Iinが参照電流Iaに達するまでの時間T3が、しきい値Tth2以上の場合には、利得が最も小さいゲインG1が選択される。入力電流Iinが参照電流Iaに達するまでの時間T2がしきい値Tth2よりも短く、しきい値Tth1以上の場合には、ゲインG2が選択され、入力電流Iinが参照電流Iaに達するまでの時間T1がしきい値Tth1よりも短い場合には、利得が最も大きいゲインG3が選択される。ゲインG1からG3に応じてエラーアンプ40の利得が調整される。
係る調整により、平滑コンデンサCの容量値が大きい時には、エラーアンプ40の利得を高くする調整が行われる為、エラーアンプ40を含む制御ループの利得が高くなり負荷応答が早まる。これにより、制御ループの帯域を広げることができる。平滑コンデンサCの容量値の大きさに応じて自動的に制御ループの利得が調整され、制御ループの帯域が自動的に調整される電源回路が構成される。
(第2の実施形態)
図7は、第2の実施形態の電源回路の構成を示す図である。本実施形態の制御ループは、減算回路71を有する。減算回路71は、出力電圧Voutと参照電圧Vrefの差分値に応じた出力信号を出力する。減算回路71は、例えば差動増幅回路で構成される。減算回路71の出力信号は、A/Dコンバータ72に供給される。A/Dコンバータ72としては、逐次比較型A/Dコンバータ、フラッシュ型A/Dコンバータ等、種々のA/Dコンバータを用いることができる。
A/Dコンバータ72は、減算回路71の出力信号に応じて、デジタル信号の誤差値ER[n]を出力する。誤差値ER[n]は、デジタル補償回路73に供給される。
デジタル補償回路73は、A/Dコンバータ72が出力する誤差値ER[n]を受け、出力電圧Voutが参照電圧Vrefに等しくなるようにPID(Proportional Integral Derivative)制御を行う為の制御値CT[n]を、PID演算によって算出して出力する。
デジタル補償回路73が出力する制御値CT[n]は、例えば、次の式(1)で示される。
CT[n]=CT[n-1]+K1×ER[n]+K2×ER[n-1]
+K3×[n-2]+K4×ER[n-3] ・・・ (1)
ここで、ERは誤差値、K1、K2、K3及びK4は補償係数を示す。また、[n]は、現在の値、[n-1]は、一つ前のスイッチングサイクルにおける値、[n-2]は、2つ前のスイッチングサイクルにおける値、[n-3]は3つ前のスイッチングサイクルにおける値であることを示している。デジタル補償回路73の制御値CT[n]は、加算回路77に供給される。
本実施形態は、容量算出回路74、利得調整回路75、デューティ調整回路76を有する。デューティ調整回路76は、PWM信号のデューティを変える調整信号DTを生成して、加算回路77に供給する。
容量算出回路74は、誤差値ER[n]の変動量に基づいて、平滑コンデンサCの容量値に応じた算出信号VCを生成する。平滑コンデンサCの容量値が大きい場合には、デューティ指示信号dutyの変化に対する出力電圧Voutの変化量が小さい。容量算出回路74は、デューティ指示信号dutyを変化させた時の出力電圧Voutの変化の程度を算出し、その大小に応じて平滑コンデンサCの容量値に応じた算出信号VCを生成して出力する。デューティが調整されたことを示す情報は、デューティ調整回路76から容量算出回路74に供給される。
加算回路77において、制御値CT[n]と調整信号DTが加算されたデューティ指示信号dutyがデジタルPWM回路78に供給される。デジタルPWM回路78は、デューティ指示信号dutyに応答してPWM信号PWMを生成し、駆動回路70に供給する。
デューティ調整回路76からの調整信号DTにより、PWM信号PWMのオンデューティが変化して、出力トランジスタQ1、Q2のオン時間が変化する。出力トランジスタQ1、Q2のオン時間の変化により、出力電圧Voutが変化する。この為、出力電圧Voutと参照電圧Vrefの差分値が変化し、A/Dコンバータ72から容量算出回路74に供給される誤差値ER[n]が変化する。
利得調整回路75は、容量算出回路74からの算出信号VCを、予め設定したしきい値(図示せず)と比較し、その比較結果に応じた利得調整信号Gnをデータテーブル(図示せず)から選択してデジタル補償回路73に供給する。利得調整信号Gnにより、デジタル補償回路73の補償係数K1、K2、K3、及びK4が調整される。
平滑コンデンサCの容量値が小さいことを検出した時には、補償係数K1、K2、K3、及びK4を小さくする調整を行い、容量値が大きいことを検出した場合には、補償係数K1、K2、K3、及びK4を大きくする調整を行う。補償係数K1、K2、K3、及びK4の調整によりデジタル補償回路73の利得が調整され、制御ループの利得が調整される。すなわち、平滑コンデンサCの容量値に応じて制御ループの利得を調整することができる為、例えば、平滑コンデンサCの容量値に拘らず、制御ループの帯域を一定にする調整を行うことができる。尚、デジタル補償回路73の補償係数の調整は全ての補償係数K1からK4についてではなく、例えば、補償係数K1のみを調整しても良い。
本実施形態によれば、出力トランジスタQ1、Q2のオンデューティを意図的に変化させ、その変化によって生じる出力電圧Voutの変化量を検出することで平滑コンデンサCの容量値の大小を算出し、その算出結果に基づいてデジタル補償回路73を含む制御ループの利得を調整する。平滑コンデンサCの容量値に応じて制御ループの利得が調整される為、平滑コンデンサCの容量値に拘らず安定した動作を行う電源回路が提供される。また、デジタル補償回路73の利得をデジタル的に調整する為、本実施形態における制御ループの利得調整はノイズ等の影響を受けにくい。また、本実施形態は、出力電圧Voutの変化量に基づく制御である為、既述した実施形態の電流センサ11、電流検出回路20を省くことができる。尚、デューティ調整回路76によるオンデューティの調整は、電源回路の起動後の安定した動作状態の時に行うことができる。
(第3の実施形態)
図8は、第3の実施形態の電源回路の構成を示す図である。本実施形態は、第1の実施形態と同様、出力電圧Voutと参照電圧Vrefを比較して、その差分出力に応じて制御信号controlを出力するエラーアンプ40を有する。エラーアンプ40は、出力電圧Voutが参照電圧Vrefに等しくなる様に、出力トランジスタQ1の導通状態を調整する制御ループを構成する。出力電圧Voutが参照電圧Vrefよりも高くなるとエラーアンプ40が出力する制御信号controlのレベルが高くなり、出力電圧Voutが参照電圧Vrefより低くなると制御信号controlのレベルは低くなる。制御信号controlのレベルに応じてPチャンネル型の出力トランジスタQ1のゲート電圧が変化することで出力トランジスタQ1の導通状態が制御され、出力電圧Voutを参照電圧Vrefに等しくする制御が行われる。
エラーアンプ40の利得は、利得調整回路30からの利得調整信号Gnによって調整される。起動時における入力電流Iinをしきい値Ith1、Ith2と比較して、その結果に応じて利得調整信号Gnを生成する構成は、第1の実施形態と同様の構成とすることができる。
本実施形態は、出力トランジスタQ1の導通状態を制御して出力電圧Voutを参照電圧Vrefに等しくする、所謂、リニアレギュレータを構成する。制御ループを構成するエラーアンプ40の利得を平滑コンデンサCの容量値に応じて自動的に調整することで、制御ループの帯域を自動的に調整することができる。この為、平滑コンデンサCの容量値に依存しない、安定した動作を行う電源回路を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 入力端子、2 出力端子、Q1、Q2 出力トランジスタ、C 平滑コンデンサ、10 直流電圧源、12 負荷、20 電流検出回路、30 利得調整回路、40 エラーアンプ、50 三角波生成回路、60 比較回路、70 駆動回路、73 デジタル補償回路、74 容量算出回路、75 利得調整回路、76 デューティ調整回路。

Claims (2)

  1. 出力トランジスタからの充電電流で充電され、前記充電により生じた電圧を出力電圧として出力する平滑コンデンサと、
    前記出力電圧と参照電圧の差分値に応じて前記出力トランジスタの導通状態を制御する制御ループと、
    を具備し、
    前記制御ループは、
    前記出力電圧と前記参照電圧の差分値をデジタル信号である誤差値に変換するAD変換回路と、
    オンデューティ比を調整するための信号を生成するデューティ調整回路と、
    前記デューティ調整回路によりデューティが調整された時の前記誤差値の変動量に基づいて、前記平滑コンデンサの容量値を算出して算出信号として出力する容量算出回路と、
    前記算出信号に基づいて前記制御ループの利得を調整する利得調整回路と、
    前記誤差値に応じて前記出力電圧と前記参照電圧とが等しくなるように制御値を生成するデジタル補償回路と、
    前記デジタル補償回路の出力である前記制御値と前記デューティ調整回路の出力信号とを加算する加算回路と、
    前記加算回路の出力信号に応じてPWM信号を生成するPWM信号生成回路と、
    前記PWM信号生成回路との出力信号に基づいて駆動信号を生成し、前記駆動信号を前記出力トランジスタに供給する駆動回路と、
    を備え、
    前記利得調整回路は、前記算出信号に基づいて前記デジタル補償回路の補償係数を調整する、
    ことを特徴とする電源回路。
  2. 前記利得調整回路は、前記算出信号に基づいて前記出力電圧の変化量が小さくなった場合に前記デジタル補償回路の補償係数を増加させる調整を行う、
    請求項1に記載の電源回路。
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