JP2007074190A - 三角波発生回路ならびにそれを用いたパルス幅変調器およびスイッチングレギュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 三角波発生回路の出力電圧の波形を改善する。
【解決手段】 第１定電流源１０は、第１端子が接地された第１キャパシタＣ１の第２端子に充電電流を供給する。第２キャパシタＣ２の第１端子は接地され、第１キャパシタＣ１の第２端子および第２キャパシタＣ２の第２端子間には、第１スイッチＳＷ１が設けられる。第２定電流源１２は、第２キャパシタＣ２に電流を供給し、第２スイッチＳＷ２は、第２定電流源１２の電流経路上に設けられる。第３定電流源１４は、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２から電流を引き抜く。スイッチ制御部２０は、第１キャパシタＣ１の第２端子に現れる出力電圧Ｖｏｕｔが所定の上限電圧ＶＨに達すると、第１スイッチＳＷ１をオンするとともに、第２スイッチＳＷ２をオフし、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の下限電圧ＶＬまで低下すると、第１スイッチＳＷ１をオフするとともに、第２スイッチＳＷ２をオンする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定の周波数で三角波を発生させる三角波発生回路に関する。

スイッチングレギュレータをはじめとする電源装置や、モータを駆動するモータドライバ回路などにおいては、パルス幅変調方式が広く用いられる。パルス幅変調を行うためには、誤差増幅器によって、制御対象となる電圧と目標値となる電圧との誤差を増幅し、その結果得られる誤差電圧を、コンパレータを用いて一定の周波数を有する三角波状の周期電圧と比較することによりパルス幅変調を行っている。

こうした用途に用いられる三角波状の周期電圧の発生には、特許文献１や特許文献２に記載されるアナログの三角波発生回路が広く用いられている。図３は、特許文献１、２に記載される三角波発生回路の構成を一部簡略化して示す回路図である。従来の三角波発生回路５０は、キャパシタＣＴと、このキャパシタＣＴを充放電するための定電流源５２、５４と、出力電圧の上限値ＶＨおよび下限値ＶＬを設定する２つのコンパレータ５６、５８、フリップフロップ６０、スイッチＳＷを備える。

図３の三角波発生回路５０によれば、定電流源５２によりキャパシタＣＴを充電して、出力電圧Ｖｏｕｔが上限値ＶＨに達すると、スイッチＳＷをオンし、放電用の定電流源５４によって、キャパシタＣＴに蓄えられた電荷を放電し、出力電圧Ｖｏｕｔを一定の傾きで低下させる。出力電圧Ｖｏｕｔが下限値ＶＬに達すると、スイッチＳＷをオフし、充電用の定電流源５２によってキャパシタＣＴを充電し、出力電圧Ｖｏｕｔを一定の傾きで上昇させる。このようにして三角波発生回路５０からは、上限値ＶＨと下限値ＶＬの間を上昇、下降を繰り返す三角波状の出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。
特開２００４−７２６５７号公報 特開２００１−３４５６８２号公報

図４（ａ）、（ｂ）は、図３の三角波発生回路５０の電圧波形図である。図４（ａ）は、出力電圧Ｖｏｕｔを、図４（ｂ）は、定電流源５４とスイッチＳＷの接続点の電圧Ｖｘを示す。定電流源５２による充電期間中、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔが上昇する期間、スイッチＳＷがオフしているため、定電流源５４を構成するトランジスタのコレクタ、あるいはドレインはオープンとなり、その電圧Ｖｘは、接地電位まで低下している。

出力電圧Ｖｏｕｔが上限値ＶＨに達すると、スイッチＳＷがオンし、定電流源５４による放電が開始される。このとき、キャパシタＣＴに蓄えられた電荷が、急激に定電流源５４に向かって流れることになるため、出力電圧Ｖｏｕｔは、図４（ａ）に示すように急な傾きで低下し、その後、下限値ＶＬに向かって一定の傾きで低下していく。

このように、従来の三角波発生回路５０では、充電状態から放電状態の切り替わるタイミングにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔの波形が乱れるという問題があった。この問題は、キャパシタＣＴの容量値を大きくすることにより改善することも可能であるが、回路面積が大きくなるという問題があった。また容量値を大きくした場合には、充電、放電のための定電流を大きくする必要があるため、消費電流が大きくなるという問題があった。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力電圧の波形を改善した三角波発生回路の提供にある。

本発明のある態様の三角波発生回路は、第１端子の電位が固定された第１キャパシタと、第１キャパシタの第２端子に電流を供給する第１定電流源と、第１端子の電位が固定された第２キャパシタと、第２キャパシタの第２端子に電流を供給する第２定電流源と、第１キャパシタの第２端子および第２キャパシタの第２端子間に設けられた第１スイッチと、第２定電流源の電流経路上に設けられた第２スイッチと、第１、第２キャパシタから電流を引き抜く第３定電流源と、第１キャパシタの第１端子に現れる出力電圧が所定の上限電圧に達すると、第１スイッチをオンするとともに、第２スイッチをオフし、出力電圧が所定の下限電圧まで低下すると、第１スイッチをオフするとともに、第２スイッチをオンするスイッチ制御部と、を備える。

第１スイッチがオフ、第２スイッチがオンする充電期間には、第１キャパシタは第１定電流源によって充電される一方で、第２キャパシタは第２定電流源により放電されつつ、第３定電流源により充電される。また、第１スイッチがオン、第２スイッチがオフする放電期間には、第１キャパシタ、第２キャパシタはいずれも、第１定電流源により充電されつつ、第３定電流源により放電されることになる。その結果、第２キャパシタの第２端子の電圧は、出力電圧の上昇、下降にともなって変動することになる。

この態様によると、第３定電流源の一端は第２キャパシタに接続されているためオープンとならず、第２キャパシタに蓄えられた電荷量で定まる電位に固定される。その結果、第１スイッチがオンして、第１キャパシタと第２キャパシタの第２端子間同士が接続されるとき、出力電圧が急激に下降するのを防止し、波形の乱れの少ない三角波電圧を生成することができる。

第１キャパシタ、第２キャパシタの容量値を等しく設定するとともに、第１、第２、第３定電流源により生成される定電流の値を１：４：３に設定してもよい。
この場合、比の１に相当する電流をＩｃと書けば、充電期間において、第１キャパシタ、第２キャパシタはいずれも電流Ｉｃで充電される。また、放電期間において、第１キャパシタおよび第２キャパシタの合成容量が、２Ｉｃで放電されることになる。その結果、第１、第２キャパシタの第２端子の電圧の変動を整合性を高め、三角波の波形をさらに改善することができる。

スイッチ制御部は、出力電圧を下限電圧と比較する第１コンパレータと、出力電圧を上限電圧と比較する第２コンパレータと、第１、第２コンパレータの出力によってセット、リセットされるフリップフロップと、を含み、フリップフロップの出力にもとづき、第１、第２スイッチを相補的にオンオフしてもよい。

また、スイッチ制御部は、上限電圧および下限電圧をしきい値電圧として、出力電圧と比較するヒステリシスコンパレータを含み、当該ヒステリシスコンパレータの出力にもとづき、第１、第２スイッチを相補的にオンオフしてもよい。

上述の三角波発生回路は、半導体集積回路に一体集積化されていてもよい。

本発明の別の態様は、パルス幅変調器に関する。このパルス幅変調器は、上述の三角波発生回路と、制御対象の電圧と所定の基準電圧の誤差を増幅する誤差増幅器と、誤差増幅器から出力される誤差電圧と、三角波発生回路の出力電圧とを比較するコンパレータと、を備える。この態様によれば、精度の高い三角波信号にもとづき、パルス幅変調信号を生成することができる。

本発明のさらに別の態様は、スイッチングレギュレータに関する。このスイッチングレギュレータは、上述のパルス幅変調器を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、出力電圧である三角波の波形を改善することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る三角波発生回路１００の構成を示す回路図である。三角波発生回路１００は、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２、第１定電流源１０、第２定電流源１２、第３定電流源１４、スイッチ制御部２０、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を備える。

第１キャパシタＣ１は、第１端子が接地され、その電位が固定される。第１定電流源１０は、第１キャパシタＣ１の第２端子に接続され、第１キャパシタＣ１の第２端子に充電電流を供給する。第１定電流源１０により生成される電流を第１定電流Ｉｃ１とする。第２キャパシタＣ２は、第１キャパシタＣ１と並列に設けられており、第１端子が接地され、その電位が固定されている。第１スイッチＳＷ１は、第１キャパシタＣ１の第２端子および第２キャパシタＣ２の第２端子間に設けられる。本実施の形態において、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２の容量値は、等しく設定される。以下、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２の容量値を単位容量Ｃｕと記す。また、本明細書において、電圧信号、電流信号あるいは容量などに付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値あるいは容量値を表すものとして用いることとする。

第２キャパシタＣ２の第２端子には、第２スイッチＳＷ２を介して第２定電流源１２が接続される。第２定電流源１２により生成される電流を第２定電流Ｉｃ２とする。第２定電流源１２の電流経路上に設けられた第２スイッチＳＷ２がオンすると、第２定電流源１２により生成される第２定電流Ｉｃ２により、第２キャパシタＣ２が充電される。以下、第２キャパシタＣ２の第２端子の電圧を第２電圧Ｖｙという。

第３定電流源１４は、第２キャパシタＣ２の第２端子に直接接続されるとともに、第１キャパシタＣ１の第２端子に第１スイッチＳＷ１を介して接続される。第３定電流源１４は、第３定電流Ｉｃ３を生成し、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２から定電流Ｉｃ３を引き抜く。本実施の形態において、第１定電流Ｉｃ１、第２定電流Ｉｃ２、第３定電流Ｉｃ３の電流の比は、１：４：３に設定するものとする。

第１キャパシタＣ１の第２端子の電圧は、出力端子１０２から三角波発生回路１００から出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。また、この出力電圧Ｖｏｕｔは、スイッチ制御部２０へと入力される。

スイッチ制御部２０は、第１コンパレータ２２、第２コンパレータ２４、ＲＳフリップフロップ２６を含む。
第１コンパレータ２２の反転入力端子には、出力電圧Ｖｏｕｔが入力され、非反転入力端子には、三角波の下限値を設定する下限電圧ＶＬが入力される。第１コンパレータ２２は、出力電圧Ｖｏｕｔを下限電圧ＶＬと比較し、Ｖｏｕｔ＜ＶＬのときハイレベル、Ｖｏｕｔ＞ＶＬのときローレベルとなるセット信号Ｖｓを出力する。

第２コンパレータ２４の非反転入力端子には、出力電圧Ｖｏｕｔが入力され、反転入力端子には、三角波の上限値を設定する上限電圧ＶＨが入力される。第２コンパレータ２４は、出力電圧Ｖｏｕｔを上限電圧ＶＨと比較し、Ｖｏｕｔ＞ＶＨのときハイレベル、Ｖｏｕｔ＜ＶＨのときローレベルとなるリセット信号Ｖｒを出力する。

ＲＳフリップフロップ２６のセット端子には、第１コンパレータ２２から出力されるセット信号Ｖｓが入力され、リセット端子には、第２コンパレータ２４から出力されるリセット信号Ｖｒが入力される。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２は、ＲＳフリップフロップ２６の出力にもとづいて相補的にオン、オフが制御される。

ＲＳフリップフロップ２６の出力信号Ｖｑは、第２スイッチＳＷ２へと出力される。第２スイッチＳＷ２は、出力信号Ｖｑがハイレベルのときオン、ローレベルのときオフする。ＲＳフリップフロップ２６の反転出力信号＊Ｖｑは、第１スイッチＳＷ１へと出力される。第１スイッチＳＷ１は、反転出力信号＊Ｖｑがハイレベルのときオン、ローレベルのときオフする。

このように構成されたＲＳフリップフロップ２６は、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の上限電圧ＶＨに達すると、第１スイッチＳＷ１をオンするとともに、第２スイッチＳＷ２をオフする。その後、出力電圧Ｖｏｕｔが所定の下限電圧ＶＬまで低下すると、第１スイッチＳＷ１をオフするとともに、第２スイッチＳＷ２をオンする。

以上のように構成された三角波発生回路１００の動作について説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態に係る図１の三角波発生回路１００の電圧波形図である。図２（ａ）は、出力電圧Ｖｏｕｔを、図２（ｂ）は、第２電圧Ｖｙを、図２（ｃ）は、セット信号Ｖｓを、図２（ｄ）はリセット信号Ｖｒを、図２（ｅ）は、ＲＳフリップフロップ２６の出力信号Ｖｑを示す。

時刻Ｔ０からＴ１の充電期間において、ＲＳフリップフロップ２６の出力信号Ｖｑはハイレベルとなっており、第２スイッチＳＷ２がオン、第１スイッチＳＷ１がオフとなる。この間、第１キャパシタＣ１は、第１定電流源１０により生成される第１定電流Ｉｃ１によって充電され、出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｉｃ１／Ｃ１＝Ｉｃ／Ｃｕの傾きで上昇する。このとき、第２キャパシタＣ２は、第２定電流源１２により充電されつつ、第３定電流源１４により放電されることになるため、第２電圧Ｖｙは、（Ｉｃ２−Ｉｃ３）／Ｃ２＝（４Ｉｃ−３Ｉｃ）／Ｃｕ＝Ｉｃ／Ｃｕの傾きで上昇する。

時刻Ｔ１に出力電圧Ｖｏｕｔが上限電圧ＶＨに達すると、第２コンパレータ２４の出力Ｖｒがハイレベルとなり、ＲＳフリップフロップ２６がリセットされる。ＲＳフリップフロップ２６がリセットされ、その出力信号Ｖｑがローレベルとなると、第１スイッチＳＷ１がオンし、第２スイッチＳＷ２がオフする。

第１スイッチＳＷ１がオンすると、出力電圧Ｖｏｕｔと第２電圧Ｖｙが等しくなるように第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２間で電荷の転送が起こる。その後、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２は、第１定電流源１０により充電されつつ、第３定電流源１４により放電される放電期間となる。放電期間において、出力電圧Ｖｏｕｔおよび第２電圧Ｖｙは、いずれも、（Ｉｃ３−Ｉｃ１）／（Ｃ１＋Ｃ２）＝（３Ｉｃ−Ｉｃ）／２Ｃｕ＝Ｉｃ／Ｃｕで低下することになり、充電期間と等しい傾きで出力電圧Ｖｏｕｔを変化させることができる。

時刻Ｔ２に出力電圧Ｖｏｕｔが下限電圧ＶＬまで低下すると、第１コンパレータ２２の出力信号Ｖｓがハイレベルとなり、ＲＳフリップフロップ２６がセットされ、その出力信号Ｖｑは再びハイレベルとなって充電期間へと遷移する。本実施の形態に係る三角波発生回路１００は、時刻Ｔ０〜Ｔ１、Ｔ１〜Ｔ２に示す充電期間および放電期間を一周期として、これを繰り返すことにより三角波の出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。

図３に示す従来の三角波発生回路５０では、図４（ｂ）に示すように、充電期間において定電流源５４の一端の電圧Ｖｘが接地電位まで低下しており、その結果、充電期間から放電期間に遷移するとき、出力電圧Ｖｏｕｔが急激に減少し、その後一定の傾きで減少していた。これに対して、本実施の形態に係る三角波発生回路１００では、充電期間において第２キャパシタＣ２に電荷を蓄えることにより、放電用の第３定電流源１４の一端の電圧、すなわち第２電圧Ｖｙを、出力電圧Ｖｏｕｔと同期して変化させている。その結果、充電期間から放電期間に遷移するときの第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２間の電荷の転送を極力抑え、出力電圧Ｖｏｕｔが急激に変化するのを防止することができ、理想的な三角波に近い波形を生成することができる。

また、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２の容量値を等しく設定し、第１定電流源１０、第２定電流源１２、第３定電流源１４により生成される定電流の比を１：４：３に設定することにより、出力電圧Ｖｏｕｔと第２電圧Ｖｙの立ち上がりおよび立ち下がりを同じ傾きで変化させ、理想的な三角波を生成することができる。

図３の三角波発生回路５０では、充電期間から放電期間への遷移時の三角波電圧の波形乱れを低減するために、キャパシタＣＴの容量をある程度大きくする必要があった。これに対して、本実施の形態に係る三角波発生回路１００によれば、三角波の波形の乱れが回路構成によって低減されるため、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２の容量を小さく設定し、さらに定電流Ｉｃ１、Ｉｃ２、Ｉｃ３を小さく設定して、回路の消費電流を低減することができる。

本実施の形態に係る三角波発生回路１００は、スイッチングレギュレータなどパルス幅変調を行う回路に好適に用いることができる。図５は、図１の三角波発生回路１００を備えたスイッチングレギュレータ２００の構成を示す回路図である。スイッチングレギュレータ２００は、入力電圧Ｖｉを降圧して出力する降圧型のスイッチングレギュレータであって、パルス幅変調器２１０、ドライバ回路２２０、スイッチングトランジスタＴｒ１、同期整流用トランジスタＴｒ２、インダクタＬ、出力キャパシタＣｏを備える。スイッチングレギュレータの構成は一般的であるため、説明を省略する。

パルス幅変調器２１０は、図１の三角波発生回路１００と、誤差増幅器２１２と、コンパレータ２１４と、を備える。誤差増幅器２１２は、制御対象の出力電圧Ｖｏｕｔと所定の基準電圧Ｖｒｅｆの誤差を増幅する。コンパレータ２１４は、誤差増幅器２１２から出力される誤差電圧Ｖｅｒｒと、三角波発生回路１００の出力電圧Ｖｏｓｃとを比較する。このように構成されたパルス幅変調器２１０からは、出力電圧Ｖｏと基準電圧Ｖｒｅｆとの誤差に応じてパルス幅の変化するパルス幅変調信号Ｖｐｗｍが出力される。ドライバ回路２２０は、このパルス幅変調信号ＶｐｗｍにもとづいてスイッチングトランジスタＴｒ１、同期整流用トランジスタＴｒ２を相補的にオンオフし、出力電圧Ｖｏを基準電圧Ｖｒｅｆに安定化する。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図１のスイッチ制御部２０は、機能的には、上限電圧ＶＨおよび下限電圧ＶＬをしきい値電圧として、出力電圧Ｖｏｕｔと比較するヒステリシスコンパレータと等価である。したがって、スイッチ制御部２０は図１に示す構成に限られるものではなく、たとえば、演算増幅器に正帰還をかけて構成したヒステリシスコンパレータを用いてもよい。この場合、回路規模を小さくすることができる。

実施の形態では、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２の容量値を等しく設定するとともに、第１定電流Ｉｃ１、第２定電流Ｉｃ２、第３定電流Ｉｃ３の電流値を１：４：３に設定したが本発明はこれには限定されない。各容量値、電流値を、生成すべき三角波の波形に応じて適宜設定することにより、立ち上がりと立ち下がりを異なる傾きで変化させることが可能となる。

実施の形態で説明したハイレベル、ローレベルの論理値の設定は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。

実施の形態では、三角波発生回路１００を備えたパルス幅変調器２１０を降圧型のスイッチングレギュレータに使用する場合について説明したが、三角波発生回路１００の用途はこれに限定されるものではなく、昇圧型のスイッチングレギュレータであってもよい。さらに、その用途はスイッチングレギュレータには限定されず、モータ駆動回路など、パルス幅変調によって帰還制御を行う回路に広く用いることができる。

実施の形態に係る三角波発生回路の構成を示す回路図である。 図２（ａ）〜（ｅ）は、図１の三角波発生回路の電圧波形図である。 従来の三角波発生回路の構成を一部簡略化して示す回路図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、図３の三角波発生回路の電圧波形図である。 図１の三角波発生回路を備えたスイッチングレギュレータの構成を示す回路図である。

符号の説明

１００ 三角波発生回路、 １０２ 出力端子、 １０ 第１定電流源、 １２ 第２定電流源、 １４ 第３定電流源、 ２０ スイッチ制御部、 ２２ 第１コンパレータ、 ２４ 第２コンパレータ、 ２６ ＲＳフリップフロップ、 Ｃ１ 第１キャパシタ、 Ｃ２ 第２キャパシタ、 ＳＷ１ 第１スイッチ、 ＳＷ２ 第２スイッチ。

Claims (7)

1. 第１端子の電位が固定された第１キャパシタと、
   前記第１キャパシタの第２端子に電流を供給する第１定電流源と、
   第１端子の電位が固定された第２キャパシタと、
   前記第２キャパシタの第２端子に電流を供給する第２定電流源と、
   前記第１キャパシタの第２端子および前記第２キャパシタの第２端子間に設けられた第１スイッチと、
   前記第２定電流源の電流経路上に設けられた第２スイッチと、
   前記第１、第２キャパシタから電流を引き抜く第３定電流源と、
   前記第１キャパシタの第２端子に現れる出力電圧が所定の上限電圧に達すると、前記第１スイッチをオンするとともに、前記第２スイッチをオフし、前記出力電圧が所定の下限電圧まで低下すると、前記第１スイッチをオフするとともに、前記第２スイッチをオンするスイッチ制御部と、
   を備えることを特徴とする三角波発生回路。
2. 前記第１キャパシタ、第２キャパシタの容量値を等しく設定するとともに、
   前記第１、第２、第３定電流源により生成される定電流の値を１：４：３に設定したことを特徴とする請求項１に記載の三角波発生回路。
3. 前記スイッチ制御部は、
   前記出力電圧を前記下限電圧と比較する第１コンパレータと、
   前記出力電圧を前記上限電圧と比較する第２コンパレータと、
   前記第１、第２コンパレータの出力によってセット、リセットされるフリップフロップと、を含み、前記フリップフロップの出力にもとづき、前記第１、第２スイッチを相補的にオンオフすることを特徴とする請求項１または２に記載の三角波発生回路。
4. 前記スイッチ制御部は、
   前記上限電圧および前記下限電圧をしきい値電圧として、前記出力電圧と比較するヒステリシスコンパレータを含み、当該ヒステリシスコンパレータの出力にもとづき、前記第１、第２スイッチを相補的にオンオフすることを特徴とする請求項１または２に記載の三角波発生回路。
5. 請求項１または２に記載の三角波発生回路を備えたことを特徴とする半導体集積回路。
6. 請求項１または２に記載の三角波発生回路と、
   制御対象の電圧と所定の基準電圧の誤差を増幅する誤差増幅器と、
   前記誤差増幅器から出力される誤差電圧と、前記三角波発生回路の出力電圧とを比較するコンパレータと、
   を備えることを特徴とするパルス幅変調器。
7. 請求項６に記載のパルス幅変調器を備えたことを特徴とするスイッチングレギュレータ。

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