JP4850915B2 - Pfcコントローラ、スイッチングレギュレータ及び電源回路 - Google Patents

Pfcコントローラ、スイッチングレギュレータ及び電源回路 Download PDF

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Description

本発明は、インタリーブ方式のスイッチングレギュレータ(昇圧コンバータ)に適用されるPFC(Power Factor Correction)コントローラに関し、スイッチングレギュレータ及び電源回路に適用して有効な技術に関する。
昇圧コンバータのようなスイッチングレギュレータはインダクタとダイオードの直列ノードにスイッチ素子を接続した昇圧チョッパー回路を有し、スイッチ素子のオン状態において整流回路から供給される電流によってインダクタにエネルギーを蓄積し、スイッチ素子のオフ状態においてインダクタに蓄積されたエネルギーによってダイオードを介して平滑容量を充電する。この動作サイクルを繰り返すことによって昇圧動作が行われる。このとき、PFCコントローラは例えば平滑容量に得られる電圧の分圧電圧と整流回路により整流されたAC入力電圧の量との相関値を内部発振回路で形成される三角波と比較することによってスイッチ素子のオン・デューティを制御し、昇圧電圧を一定に保つと共に、AC入力電流を正弦波に近づける制御を行う。
特許文献1及び2には複数の昇圧チョッパー回路を備え、夫々の昇圧チョッパー回路のスイッチ素子を位相をづらしてスイッチ制御する、インタリーブ方式のスイッチングレギュレータ技術について記載される。特許文献1では位相をずらすタイミング生成に相補的に充放電動作される容量素子のペアを用いている。特許文献2では位相をずらすタイミング生成に三角波信号とそれに対する閾値を利用する。
特開平10−146049号公報 特開2001−178122号公報
しかしながら特許文献1の技術は複雑で回路規模も大きく、動作精度が容量素子のプロセスばらつきの影響を受け易い。特許文献2の技術も複雑で回路規模が大きく、その上、スイッチ素子のオン・デューティの制御はできるがスイッチ素子のオン・オフ動作周波数を変化させる制御には適用することができない。
本発明の目的は、回路規模が小さく且つ動作精度がプロセスばらつきの影響を大きく受け難いPFCコントローラ、並びに当該PFCコントローラを用いたスイッチングレギュレータ及び電源回路を提供することにある。
本発明の別の目的は、スイッチ素子のオン・オフ動作周波数を変化させる制御にも対応することができるPFCコントローラ、並びに当該PFCコントローラを用いたスイッチングレギュレータ及び電源回路を提供することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものについて簡単に説明すれば下記のとおりである。
〔1〕《PFCコントローラ》
本発明に係るPFCコントローラ(PFC_CONT、PFC_CONT_2(PFC_CONT_1))は、入力端子(Ni)と出力端子(Vout)との間に複数並列配置された各々の昇圧チョッパー回路のスイッチ素子(M1、M2(M2、M3、M4))をスイッチ制御する半導体集積回路である。このPFCコントローラは、一の前記昇圧チョッパー回路における一の前記スイッチ素子(M1)のための一のスイッチ制御信号(GD_M)を生成する第1回路(CONT1)と、他の前記昇圧チョッパー回路における他の前記スイッチ素子(M2(M2、M3、M4))のために前記一のスイッチ制御信号に対して位相をずらした他のスイッチ制御信号(GD_S(GD_S_1〜GD_S_3)を生成する第2回路(CONT2(CONT2_1))とを有する。前記第2回路は、前記一のスイッチ制御信号の周期単位でクロック信号を計数する第1カウンタ(COUNTM)と、前記一のスイッチ制御信号に対して所定の位相差を持つ周期単位でクロック信号を計数する第2カウンタ(COUNTS)と、前記一のスイッチ制御信号の第1レベル状態の期間に対応する前記第1カウンタの計数値を保持する第1レジスタ(REG1)とを有する。前記他のスイッチ制御信号は、前記第2カウンタによる計数開始で他のスイッチ素子をターンオンさせ、前記第2カウンタによる計数値が前記第1レジスタの保持値に一致するタイミングで前記他のスイッチ素子をターンオフさせる。
前記入力端子と前記出力端子との間には昇圧チョッパー回路が複数並列され、並列された昇圧チョッパー回路のスイッチ素子を異なる位相でスイッチングするから、スイッチ素子1個当たりに流れる電流が小さくなり、各々の昇圧チョッパー回路に流れる電流ピークが小さくなり、スイッチ素子のスイッチ動作によって生ずる高調波成分を小さくすることができる。更にスイッチ素子1個当たりの定格電流も小さくて済むので、安価なスイッチ素子を採用することが可能になり、合成電流リップルは小さくなり入力フィルタ回路が小型化でき、コスト低減に寄与する。更に、前記一のスイッチ素子に対する前記他のスイッチ素子のオン動作タイミングの位相差と、前記他のスイッチ素子のオン・デューティの制御との双方に、カウンタによるクロック計数値を用いた制御を行うから、一のスイッチ制御信号のオン・デューティと周波数が可変であれば、それに応じて他のスイッチ制御信号についてもオン・デューティと周波数が可変になる。また、カウンタによるクロック計数値を用いた制御は回路構成を簡単化し、また、それらによる動作精度はプロセスばらつきによって大きく変動しないから高い信頼性を実現することができる。
《デューティ・周波数の可変制御》
本発明の一つの具体的な形態として、前記第1回路は、前記出力端子に得られる昇圧電圧の状態に応じて前記一のスイッチ素子のオン期間とターンオンタイミングを決定するように前記一のスイッチ制御信号を生成する。要するに、第1回路は、一のスイッチ制御信号のオン・デューティと周波数を可変に制御する。
《臨界モード》
本発明の更に具体的な形態として、前記第1回路は、前記出力端子に得られる昇圧電圧が目的レベルに近づくほど一のスイッチ素子のオン期間を短縮し、前記一のスイッチ素子に対応する昇圧チョッパー回路におけるインダクタのゼロ電流の検出に応答して前記一のスイッチ素子のターンオンタイミングを決定するように前記一のスイッチ制御信号を生成する。所謂臨界モードで一のスイッチ素子をスイッチ動作させることができ、当該スイッチ素子のスイッチ制御信号に対するオン・デューティと周波数の可変制御を行うことができる。
《他のスイッチ素子側における臨界モードの保証》
本発明の更に具体的な形態として、前記第2回路は、前記他のスイッチ素子に対応する昇圧チョッパー回路におけるインダクタのゼロ電流の検出を条件に加えて前記他のスイッチ素子のターンオン制御を行う。この条件を加えない場合には、他のスイッチ素子側のインダクタに流れる電流がゼロになっていなくても当該他のスイッチ素子はオン動作される。そうすると、他のスイッチ素子側の動作は臨界モードの動作から逸脱することになり、インダクタに蓄積されたエネルギーによる電流の全てが昇圧動作に用いられずに一部の電流がスイッチ素子を介して無駄に放電されてしまい、昇圧効率が低下される。
《リスタート》
本発明の更に具体的な形態として、前記第1回路は前記第2回路における前記第1カウンタのカウントアップに応答して前記一のスイッチ素子を強制的にターンオンする。上記臨界モードによる昇圧動作を開始するとき、内部ノードがフローティングのような不定レベルになっていてインダクタの電流が容易にゼロにならない場合であっても、前記一のスイッチ素子のスイッチ動作を起動することができない事態の発生を抑制することができる。
《第2回路の構成》
本発明の別の具体的な形態として、第2回路は前記第1カウンタ、第2カウンタ及び第1レジスタの他に更に、前記一のスイッチ制御信号に対して所定の位相差に応ずる前記第1カウンタの計数動作による値を保持する第2レジスタ(REG2)と、前記第1カウンタの計数値と前記第2レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第1検出回路(DTC1)と、前記第2カウンタの計数値と前記第1レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第2検出回路(DTC2)とを有する。前記第2カウンタは前記第1検出回路による検出タイミング毎に初期値から前記クロック信号を計数する。前記第2回路は前記第1検出回路による一致するタイミングで他のスイッチ素子をターンオンさせ、第2検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオフさせる。
本発明の更に別の具体的な形態として、並列された2個の昇圧チョッパー回路のスイッチ制御に用いられるPFCコントローラの場合、前記第2回路は前記第1カウンタと前記第1レジスタを1組備えると共に前記第2カウンタを1組備える。
本発明の更に別の具体的な形態として、並列された4個の昇圧チョッパー回路のスイッチ制御に用いられる場合、前記一のスイッチ素子は1個のスイッチ素子(M1)であり、前記他のスイッチ素子は3個のスイッチ素子(M2、M3、M4)である。前記第2回路は、前記第1カウンタと前記第1レジスタを1組備えると共に第2カウンタを3組備え、夫々の前記第2カウンタは、前記一のスイッチ制御信号に対して夫々異なる所定の位相差を持つ周期単位でクロック信号を計数し、第2カウンタによる計数開始で対応する他のスイッチ素子をターンオンさせ、第2カウンタによる計数値が第1レジスタの保持値に一致するタイミングで対応する他のスイッチ素子をターンオフさせる。
〔2〕《スイッチングレギュレータ》
本発明に係るスイッチングレギュレータは、整流回路の出力を受ける入力端子と出力端子との間に、インダクタとダイオードとの直列回路が複数並列され、夫々のインダクタとダイオードとの接続ノードに接続された複数のスイッチ素子を異なる位相で駆動することにより前記入力端子の電圧を昇圧して前記出力端子に出力し、前記複数のスイッチ素子のスイッチング制御を行うPFCコントローラを有する。前記PFCコントローラには上記同様のPFCコントローラを採用する。これによれば、上記同様に、スイッチ素子のスイッチ動作によって生ずる高調波成分を小さくすることができる。合成された電流リップルは小さくなり入力フィルタ回路も小型化できる。また、コスト低減に寄与する。更に、一のスイッチ制御信号のオン・デューティと周波数が可変であれば、それに応じて他のスイッチ制御信号についてもオン・デューティと周波数が可変になる。その上、回路構成が簡単であり、動作に高い信頼性を実現することができる。
PFCコントローラにおける第2回路には、前記第1カウンタ、第1カウンタ及び第1レジスタの他に更に、前記一のスイッチ制御信号に対して所定の位相差に応ずる前記第1カウンタの計数動作による値を保持する第2レジスタと、前記第1カウンタの計数値と前記第2レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第1検出回路と、前記第2カウンタの計数値と前記第1レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第2検出回路とを用いる。前記第2カウンタは前記第1検出回路による検出タイミング毎に初期値から前記クロックを計数する。前記第2回路は前記第1検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオンさせ、第2検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオフさせる。
例えば、インダクタとダイオードとの直列回路が2個並列され、夫々のインダクタとダイオードとの接続ノードに接続されたスイッチ素子を2個有し、2個のスイッチ素子を異なる位相で駆動することにより前記入力端子の電圧を昇圧して出力端子に出力するスイッチングレギュレータの場合、前記第2回路は、前記第1カウンタ及び前記第1レジスタを1組備えると共に、前記第2カウンタ、第2レジスタ第1検出回路及び第2検出回路を1組備える。
また、インダクタとダイオードとの直列回路が4個並列され、夫々のインダクタとダイオードとの接続ノードに接続されたスイッチ素子を4個有し、4個のスイッチ素子を異なる位相で駆動することにより前記入力端子の電圧を昇圧して出力端子に出力するスイッチングレギュレータの場合、前記一のスイッチ素子は1個のスイッチ素子であり、前記他のスイッチ素子は3個のスイッチ素子であり、前記第2回路は、前記第1カウンタと前記第1レジスタを1組備えると共に、前記第2カウンタ、第2レジスタ第1検出回路及び第2検出回路を3組備え、夫々の前記第2カウンタは、前記一のスイッチ制御信号に対して夫々異なる所定の位相差を持つ周期単位でクロック信号を計数する。
〔3〕《電源回路》
本発明に係る電源回路は、交流電源を受けて整流を行う整流回路と、前記整流回路の出力を受ける入力端子と、出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間に複数並列接続されたインダクタとダイオードとの直列回路と、夫々のインダクタとダイオードとの接続ノードに接続された複数のスイッチ素子と、前記夫々のスイッチ素子を異なる位相でスイッチ制御することにより前記入力端子の電圧を昇圧して前記出力端子に出力させるコントローラとを有する。前記コントローラは、前記第1のスイッチ素子のための第1のスイッチ制御信号を生成する第1回路と、前記複数の内の他のスイッチ素子のために前記第1回路で生成されたスイッチ制御信号に対して位相をずらした他のスイッチ制御信号を生成する第2回路と、を有する。第2回路は、前記第1のスイッチ制御信号の周期単位でクロック信号を計数する第1カウンタと、前記一のスイッチ制御信号の第1レベル状態の期間に対応する前記第1カウンタの計数値を保持する第1レジスタと、前記一のスイッチ制御信号に対して所定の位相差に応ずる前記第1カウンタの計数動作による値を保持する第2レジスタと、前記第1カウンタの計数値と第2レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第1検出回路と、第1検出回路による検出タイミング毎に初期値から前記クロックを計数する第2カウンタと、第2カウンタの計数値と第1レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第2検出回路と、を有し、第1検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオンさせ、第2検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオフさせる。これによれば、上記同様に、スイッチ素子のスイッチ動作によって生ずる高調波成分を小さくすることができる。また、コスト低減に寄与する。更に、一のスイッチ制御信号のオン・デューティと周波数が可変であれば、それに応じて他のスイッチ制御信号についてもオン・デューティと周波数が可変になる。その上、回路構成が簡単であり、動作に高い信頼性を実現することができる。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、回路規模が小さく且つ動作精度がプロセスばらつきの影響を大きく受け難いPFCコントローラ、並びに当該PFCコントローラを用いたスイッチングレギュレータ及び電源回路を得ることができる。
また、スイッチ素子のオン・オフ動作周波数を変化させる制御にも対応することができるPFCコントローラ、並びに当該PFCコントローラを用いたスイッチングレギュレータ及び電源回路を得ることができる。
図1は本発明に係る電源回路の一例を示す回路図である。 図2は図1の電源回路に採用したPFCコントローラの概略を例示する回路図である。 図3は図2のPFCコントローラに採用したスレーブロジックのブロック図である。 図4は図2のPFCコントローラによる動作波形を示す波形図である。 図5はマスタ周期カウンタに対するマスタオン時間レジスタREG1及びマスタ半周期レジスタREG2の接続形態を具体的に例示する論理回路図である。 図6は図5の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図7は4個のチョッパー回路を並列したスイッチングレギュレータを採用した別の電源回路の回路図である。 図8は図7のスイッチングレギュレータのPFCコントローラに採用するスレーブロジックのブロック図である。 図9は連続モードで動作される電源回路を例示する回路図である。 図10は図9の電源回路に採用するPFCコントローラの概略を示す回路図である。
符号の説明
1 電源回路
RECT 全波整流回路
SWRG、SWRG_1、SWRG_2 スイッチングレギュレータ
AC 交流電源
Nin スイッチングレギュレータSWRGの入力端子
Vout スイッチングレギュレータSWRGの出力端子
L1、L2 インダクタ
D1、D2 ダイオード
GND グランド
M1、M2 スイッチMOSトランジスタ
Cout 平滑容量
PFC_CONT、PFD_CONT_1、PFC_CONT_2 PFCコントローラ
GD_M、GD_S、GD_S_1〜GD_S_3 スイッチ制御信号
Rf1,Rf2 帰還抵抗
Tr1、Tr2 トランス
ZCDC1 コンパレータ
ZCDM 誘導電圧
Vzcd リファレンス電圧
ZCDOUT1 検出信号
FF1〜FF6 フリップフロップ
Vfb 帰還電圧
ERAMP エラーアンプ
CONT1、CONT1_1 第1回路
CONT2、CONT2_1 第2回路
SLOG スレーブロジック
SLOG_1〜SLOG_3 ロジック
COUNTM 第1カウンタ(マスタ周期カウンタ)
COUNTS 第2カウンタ(スレーブオン時間カウンタ)
REG1 第1レジスタ(マスタオン時間レジスタ)
REG2 第2レジスタ(マスタ半周期レジスタ)
DTC1 第1検出回路
DTC2 第2検出回路
CLK カウントクロック信号
DEL 遅延回路
INV インバータ
図1には本発明に係る電源回路の一例が示される。同図に示される電源回路はPFCコントロールによる昇圧コンバータである。電源回路1は商用電源のような交流電源ACに接続される全波整流回路RECTとスイッチングレギュレータSWRGを有する。全波整流回路RECTは4個のダイオードを用いたブリッジ回路によって構成される。全波整流回路RECTにおいて交流電源ACをアノードに受ける2個のダイオードのコモン・カソードはスイッチングレギュレータSWRGの入力端子Ninに接続される。全波整流回路RECTにおいて交流電源ACをカソードに受ける2個のダイオードのコモン・アノードはスイッチングレギュレータSWRGのグランドGNDとされる。
スイッチングレギュレータSWRGは、入力端子Ninと出力端子Voutの間に並列配置されたマスタ昇圧チョッパー回路とスレーブ昇圧チョッパー回路を有する。マスタ昇圧チョッパー回路は、入力端子Ninと出力端子Voutの間に配置されたインダクタL1とダイオードD1の直列回路を有し、その直列接続ノードとグランドGNDの間にnチャンネル型MOSトランジスタM1が配置されて構成される。スレーブ昇圧チョッパー回路は、入力端子Ninと出力端子Voutの間に配置されたインダクタL2とダイオードD2の直列回路を有し、その直列接続ノードとグランドGNDの間にnチャンネル型MOSトランジスタM2が配置されて構成される。出力端子VoutとグランドGNDの間には平滑容量Coutが設けられ、前記MOSトランジスタM1,M2はPFCコントローラPFC_CONTから出力されるスイッチ制御信号GD_M,GD_Sによりスイッチ制御される。前記MOSトランジスタM1(M2)のオン状態において全波整流回路RECTから供給される電流によってインダクタL1(L2)はエネルギーを蓄積し、MOSトランジスタM1(M2)のオフ状態においてインダクタL1(L2)に蓄積されたエネルギーによりダイオードD1(D2)を介して流れる電流IL1(IL2)によって平滑容量Coutが充電される。この動作サイクルを繰り返すことによって昇圧動作が行われ、出力端子Voutに平滑化された出力電圧を得る。このとき、PFCコントローラPFC_CONTは、帰還抵抗Rf1,Rf2による分圧電圧(帰還電圧)によって出力端子Voutの電圧をモニタすると共に、インダクタL1を一次コイルとするトランスTr1の2次コイルを介してインダクタL1に流れる電流の有無を検出し、同様にインダクタL2を一次コイルとするトランスTr2の2次コイルを介してインダクタL2に流れる電流の有無を検出する。それらの入力等に基づいてPFCコントローラPFC_CONTは、臨界モードでMOSトランジスタM1のオン・デューティを制御するスイッチ制御信号GD−Mを生成すると共に、スイッチ制御信号GD_Mに対して位相をずらしたスイッチ制御信号GD_Sを生成することによって、昇圧電圧を一定に保ち、AC入力電流を正弦波に近づける制御を行う。特に、PFCコントローラPFC_CONTは、スイッチ制御信号GD_Mに対して位相差を持ったスイッチ制御信号GD_Sの生成にカウンタ及びレジスタを主としたディジタルロジック回路を用いる。
図2にはPFCコントローラPFC_CONTの概略が例示される。PFCコントローラPFC_CONTはマスタ昇圧チョッパー回路のスイッチ制御信号GD−Mを生成する第1回路CONT1と、スイッチ制御信号GD−Mに対して位相をずらしたスレーブ昇圧チョッパー回路のためのスイッチ制御信号GD−Sを生成する第2回路CONT2に大別される。
第1回路CONT1はトランスTr1の2次コイルを介してインダクタL1に流れる電流の有無を検出するコンパレータZCDC1を有する。コンパレータZCDC1はトランスTr1の2次コイルで生成される誘導電圧ZCDMを受け、これがリファレンス電圧Vzcdよりも低くなったとき、ハイレベルの検出信号ZCDOUT1を出力する。コンパレータZCDC1のハイレベル出力ZCDOUT1は論理和ゲートOR1を介してフリップフロップFF1をセットする。フリップフロップFF1の出力Qはスイッチ制御信号GD_MとしてバッファBUF1を介して出力端子OUTMから出力される。フリップフロップFF1がセットされることにより、ハイレベルのスイッチ制御信号GD_Mで前記MOSトランジスタM1がオン状態にされ、その間、MOSトランジスタM1を介してインダクタL1に電流が流れ、インダクタL1にエネルギーを蓄積する。このとき、セット状態のフリップフロップFF1のハイレベル出力QはフリップフロップFF2をリセットする。リセット状態のフリップフロップFF2はnチャンネル型ディスチャージMOSトランジスタQ3をカットオフする。
前記ディスチャージMOSトランジスタQ3には定電流源CIが直列され、その直列ノードRAMPに外付けした容量素子Crampによって、リニアに増加するランプ電圧を形成するようになっている。ランプ電圧は端子FBから入力される前記帰還電圧Vfbを増幅するエラーアンプERAMPの出力とコンパレータERCMPで比較される。エラーアンプERAMPの出力は参照電圧VFBに対して帰還電圧Vfbが大きくなるほど小さくされる。漸増するランプ電圧がエラーアンプERAMPの出力電圧を超えることによってフリップフロップFF2がセットされ、フリップフロップFF1がリセットされる。フリップフロップFF2がセットされることによりMOSトランジスタQ3がオン状態にされ、ランプ電圧はグランド電圧GNDにディスチャージされる。フリップフロップFF1がリセットされるとスイッチ制御信号GD_Mがローレベルに反転されてMOSトランジスタM1がカットオフされる。MOSトランジスタM1がカットオフされると、MOSトランジスタM1のオン期間にインダクタL1に蓄積されたエネルギーに応じた電流IL1がダイオードD1に流れて平滑容量Coutを充電する。この電流がゼロになったときコンパレータZCDC1の出力がハイレベルになって再びスイッチ制御信号GD_MによりMOSトランジスタM1がターンオンされて、上記サイクルが繰り返される。この第1回路CONT1は、出力端子Voutの昇圧電圧が目的レベルに近づくほどMOSトランジスタM1のオン期間を短縮し、インダクタL1におけるゼロ電流の検出に応答してMOSトランジスタM1のターンオンタイミングを決定するようにして、スイッチ制御信号GD_Mのオン・デューティと周波数が制御される。
前記第2回路CONT2はカウンタ及びレジスタなどを備えたスレーブロジックSLOG、カウンタのカウントクロック信号CLKを生成するクロックパルスジェネレータCPG、及びコンパレータZCDC2を備える。コンパレータZCDC2はトランスTr2の2次コイルで生成される誘導電圧ZCDSを受け、これがリファレンス電圧Vzcdよりも低くなったとき、ハイレベルの検出信号ZCDOUT2を出力する。
図3にはスレーブロジックSLOGのブロック図が例示される。スレーブロジックSLOGは、第1カウンタ(マスタ周期カウンタ)COUNTM、第2カウンタ(スレーブオン時間カウンタ)COUNTS、第1レジスタ(マスタオン時間レジスタ)REG1、第2レジスタ(マスタ半周期レジスタ)REG2、第1検出回路DTC1、第2検出回路DTC2、フリップフロップFF3〜FF5及び論理積ゲートAND1を有する。マスタ周期カウンタCOUNTMはカウントクロック信号CLKを計数し、計数値はマスタスイッチ制御信号GD_Mの周期単位でリセットされる。すなわち、マスタ周期カウンタCOUNTMはマスタスイッチ制御信号GD_Mの周期単位でカウントクロック信号CLKを計数する。特に制限されないが、前記カウントクロック信号CLKは15MHz、マスタスイッチ制御信号GD_Mは200〜40KHzとされる。前記マスタオン時間レジスタREG1はマスタスイッチ制御信号GD_Mのハイレベルからローレベルへの変化タイミングに同期して前記マスタ周期カウンタCOUNTMの計数値を保持する。すなわち、マスタオン時間レジスタREG1はマスタスイッチ制御信号GD_Mのハイレベル期間(MOSトランジスタM1のオン動作期間)に対応する前記マスタ周期カウンタCOUNTMの計数値を保持する。マスタ半周期レジスタREG2はマスタスイッチ制御信号GD_Mの半周期に応ずる前記マスタ周期カウンタCOUNTMの計数値を保持する。例えばマスタ半周期レジスタREG2は前記マスタ周期カウンタCOUNTMの計数値を1ビット下位側にシフトした値を保持すればよい。第1検出回路DTC1は前記マスタ周期カウンタCOUNTMの計数値と前記マスタ半周期レジスタREG2の保持値との一致タイミングを検出することによってフリップフロップFF3をセット状態とし、それによって更にフリップフロップFF4をセット状態とすることにより、論理積ゲートAND1とバッファBUF2を介してスイッチ制御信号GD_Sをターンオンさせる。フリップフロップFF4のセット状態によってフリップフロップFF3はリセットされる。スレーブオン時間カウンタCOUNTSは第1検出回路DTC1による検出タイミング毎(フリップフロップFF4のセット毎)に初期値からカウントクロック信号CLKを計数することにより、マスタスイッチ制御信号GD_Mと半周期の位相差を持つ周期単位で前記カウントクロック信号CLKを計数する。第2検出回路DTC2は前記スレーブオン時間カウンタCOUNTSの計数値と前記マスタオン時間レジスタREG1の保持値との一致タイミングを検出することにより、フリップフロップFF4をリセットしてスイッチ制御信号GD_Sをターンオフさせる。これによりスレーブロジック回路SLOGは、オン・デューティと周波数が制御されたマスタスイッチ制御信号GD_Mに対して半周期の位相差をもった同じ波形のスレーブスイッチ制御信号GD_Sを生成することができる。
図3において遅延回路DELは、スイッチ制御信号GD_Mの立ち上がり変化に同期してマスタ周期カウンタCOUNTMの計数値をマスタ半周期レジスタREG2にセットした後にマスタ周期カウンタCOUNTMがリセットされることを保障するための論理要素をシンボル化したものである。インバータINVはスイッチ制御信号GD_Mの立ち下がり変化に同期してマスタ周期カウンタCOUNTMの計数値をマスタオン時間レジスタREG1にセットすることを示すための論理要素をシンボル化したものである。
上述のようにして形成されるスイッチ制御信号GD_Sは図4に示されるようにGD_Mに対して1/2周期遅延される。これに応じてインダクタL2に流れる電流ピークとインダクタL1に流れる電流ピークも位相がずれて小さくされる。したがって、整流回路RECTに流れる電流の変化率が小さくなり、それによって交流電源ACに与える高調波成分を低減することができる。カウンタCOUNTM,COUNTSによるクロック計数値を用いた制御は回路構成を簡単化し、また、それらによる動作精度はプロセスばらつきによって大きく変動しないから高い信頼性を実現することができる。
図3の構成ではフリップフロップFF4の出力がそのままスイッチ制御信号GD_Sとされず、フリップフロップFF5の出力との論理積をスイッチ制御信号GD_Sとする。フリップフロップFF5のセット端子Sにはゼロ電流検出比較信号ZCDOUT2が供給され、スレーブ側のインダクタL2におけるゼロ電流の検出を条件に加えて前記スイッチ制御信号GD_Sがターンオン制御される。フリップフロップFF5はフリップフロップFF4と一緒にリセットされればよい。ゼロ電流検出比較信号ZCDOUT2によるスイッチ制御条件を加えない場合には、インダクタL2に流れる電流がゼロになっていなくても対応するスイッチMOSトランジスタM2はオン動作される場合がある。そうすると、当該スイッチMOSトランジスタM2の動作は臨界モードの動作から逸脱することになり、その前にインダクタL2に蓄積されたエネルギーによる電流の全てが昇圧動作に用いられずに一部の電流がスイッチ素子M2の寄生容量を介してグランドGNDに無駄に放電されてしまい、昇圧効率が低下されることになる。要するに、ゼロ電流検出比較信号ZCDOUT2によるスイッチ制御条件を加えることによって臨界モードによる動作を保障し、高効率で高調波電流を抑制した昇圧動作を実現することができる。
前記マスタ周期カウンタCOUNTMの最上位ビットはリスタート信号RSTRとして図2の論理和ゲートOR1に供給され、マスタ周期カウンタCOUNTMのカウントアップに応答してマスタスイッチ制御信号GD_Mを強制的にターンオンする。上記臨界モードによる昇圧動作を開始するとき、内部ノードがフローティングのような不定レベルになっていてインダクタの電流が容易にゼロにならない場合であっても、前記MOSトランジスタM1のスイッチ動作を起動することができない事態の発生を抑制することができる。
図5にはマスタ周期カウンタCOUNTMに対するマスタオン時間レジスタREG1及びマスタ半周期レジスタREG2の接続形態が具体的に例示される。図6には図5の動作タイミングが示される。図3の遅延回路DELは1ショットパルス発生回路SHTG、インバータIV1、及びラッチ回路LATd1とLATd2によって構成される。ラッチ回路LATd1とLATd2はクロック端子CKの立ち上がりエッジに同期して端子Dの入力をラッチするエッジトリガラッチ回路とされる。マスタ周期カウンタCOUNTMはQ0〜Q11の12ビットのバイナリカウンタで構成され、カウントクロック信号CLKの立ち上がり同期でハイレベルにされるリセット信号CB_RESETにより初期化され、カウントクロック信号CLKの次の立ち上がりに同期して計数動作を開始する。マスタ半周期レジスタREG2はQ1〜Q11の11ビットに対応する11個のエッジトリガラッチ回路LAT2によって構成される。ラッチ回路LAT2はクロック端子CKの立ち上がりエッジに同期して端子Dの入力をラッチする。ラッチ回路LAT2は、マスタスイッチ制御信号GD_Mの周期毎にラッチ回路LATd1から出力されるラッチパルスHF_LTをクロック入力端子CKに入力し、マスタスイッチ制御信号GD_Mの周期毎にその1周期に応ずるカウンタCOUNTMの出力Q1〜Q11の値(半周期の計数値)を保持する。図3のインバータINVはインバータIV1及びラッチ回路LAThによって構成される。ラッチ回路LAThはクロック端子CKの立ち上がりエッジに同期して端子Dの入力をラッチするエッジトリガラッチ回路とされる。マスタオン時間レジスタREG1はQ0〜Q11の12ビットに対応する12個のエッジトリガラッチ回路LAT1によって構成される。ラッチ回路LAT1はクロック端子CKの立ち上がりエッジに同期して端子Dの入力をラッチするエッジトリガラッチ回路とされる。ラッチ回路LAT1は、ラッチ回路LAThの反転出力端子/Qをクロック入力端子CKに受けることにより、マスタスイッチ制御信号GD_Mの立ち下がりに同期するQ−Mの立ち下がり同期でカウンタCOUNTMの計数値(オン期間の計数値)を保持する。尚、UVLはスレーブロジック回路SLOGの全体的なリセット端子である。
図7には別のスイッチングレギュレータSWRG_1が例示される。図1との相違点は入力端子Ninと出力端子Voutの間に1個のマスタ昇圧チョッパー回路と3個のスレーブ昇圧チョッパー回路を並列配置したことである。L1〜L4はインダクタ、D1〜D4はダイオード、Tr1〜Tr4はトランス、M1〜M4はスイッチMOSトランジスタ、GD_S_1〜GD_S_3はスイッチMOSトランジスタM2〜M4のスイッチ制御信号、PFC_CONT_1はPFCコントローラである。PFCコントローラPFC_CONT_1は図2と同じ第1回路CONT1を備える。第2回路CONT2は特に図示はしないが図2のスレーブロジックSLOGの構成が相違される。即ちスレーブロジックは図8に例示されるようにロジックSLOG1〜SLOG3によって構成される。ロジックSLOG_1は図3と同一に構成される。ロジックSLOG_2は図3に対してマスタオン時間カウンタREG1及びマスタ周期カウンタCOUNTMが省略され、マスタ半周期レジスタREG2に代えてマスタ1/4周期レジスタREG3が配置される。検出回路DTC1はマスタ周期カウンタCOUNTMから計数値DAT1をもらい、検出回路DTC2はマスタオン時間レジスタREG1からラッチデータDAT2をもらう。マスタ1/4周期レジスタREG3はマスタ周期カウンタCOUNTMの出力DAT4のうちから1/4周期の計数値(Q2〜Q11)をもらう。これにより、ロジックSLOG_2はマスタスイッチ制御信号GD_Mに対して位相が1/4周期遅延しそれと波形の同じスイッチ制御信号GD_S_2を出力することができる。ロジックSLOG_3は図3に対してマスタオン時間レジスタREG1及びマスタ周期カウンタCOUNTMが省略され、マスタ半周期レジスタREG2に代えてマスタ3/4周期レジスタREG4と全加算器FADDが配置される。検出回路DTC1はマスタ周期カウンタCOUNTMから計数値DAT1をもらい、検出回路DTC2はマスタオン時間レジスタREG1からラッチデータDAT2をもらう。全加算器FADDはマスタ半周レジスタREG2が保有する1/2周期の計数値データDAT3と、マスタ1/4周期レジスタREG3が保有する1/4周期の計数値データDAT4とを入力した全加算する。加算結果は3/4周期の計数値になり、マスタ3/4周期レジスタREG4に保持される。これにより、ロジックSLOG_3はマスタスイッチ制御信号GD_Mに対して位相が3/4周期遅延しそれと波形の同じスイッチ制御信号GD_S_3を出力することができる。
図7に代表されるように入力端子Ninと出力端子Voutの間に並列された昇圧チョッパー回路の数を増やせば、PFCコントローラの論理規模は増大するが、それに応じて各インダクタに流れる電流ピークは位相がずれて更に小さくなり、高調波電流の発生を更に抑制することができる。
図9には連続モードで動作される電源回路の例が示される。PFC_CONT_2は連続モードに対応したPFCコントローラである。連続モードに対応して抵抗Rac,Rcs及びダイオードD3,D4が外付けされる。
図10にはPFCコントローラPFC_CONT_2の一例が示される。第1回路CONT1_1は、交流電源ACの入力電圧情報をダイオードD3,D4と抵抗Racで電流情報IACに変換したものと、帰還電圧Vfbに応じたエラーアンプERAMPの出力とを掛け算器MULで掛け合わせる。掛け算器MULの出力はカレントアンプCAMPの反転入力端子に接続され、この反転入力端子は抵抗Rmoを介して電流検出抵抗Rcsに結合する。これにより電流検出抵抗Rcsを介して抵抗Rmoに流れる電流ImoによってカレントアンプCAMPに帰還がかかる。即ち、抵抗Rcsの電圧波形が交流電源ACの電圧と相似形になるようにカレントアンプCAMPの反転入力端子の電流が制御される。カレントアンプCAMPの出力電圧は発振回路WAVGから出力されるランプ波形(WRAMP)のランプ電圧VrampとコンパレータERCOMPにより比較され、スイッチ制御信号GD_Mのオン・デューティが決定される。フリップフロップFF6はランプ波形RAMPの立ち下がりに応じて生成されるパルス波形(WPULS)の信号によってセットされ、これによってスイッチ制御信号GD_Mはターンオンされる。連続モードではスイッチ制御信号GD_Mの周波数は固定である。第2回路CONT2_1はスイッチ制御信号GD_Mを受け、上記と同様にスイッチMOSトランジスタM2のスイッチ制御信号GD_Sを生成する。連続モードにおいては発振回路WAVGを用いるから前記リスタート信号RSTRを必要としない。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、チョッパー回路の並列数は2また4に限定されず8個以上であってもよい。また、PFCコントローラにおいてカウンタとレジスタを用いた具体的な構成は図5に限定されず適宜変更可能である。
本発明はスイッチングレギュレータ及び電源回路に広く適用することができる。

Claims (21)

  1. 入力端子と出力端子との間に複数並列配置された各々の昇圧チョッパー回路のスイッチ素子をスイッチ制御するPFCコントローラであって、
    一の前記昇圧チョッパー回路における一の前記スイッチ素子のための一のスイッチ制御信号を生成する第1回路と、他の前記昇圧チョッパー回路における他の前記スイッチ素子のために前記一のスイッチ制御信号に対して位相をずらした他のスイッチ制御信号を生成する第2回路とを有し、
    前記第2回路は、前記一のスイッチ制御信号の周期単位でクロック信号を計数する第1カウンタと、前記一のスイッチ制御信号に対して所定の位相差を持つ周期単位でクロック信号を計数する第2カウンタと、前記一のスイッチ制御信号の第1レベル状態の期間に対応する前記第1カウンタの計数値を保持する第1レジスタとを有し、
    前記他のスイッチ制御信号は、前記第2カウンタによる計数開始で他のスイッチ素子をターンオンさせ、前記第2カウンタによる計数値が前記第1レジスタの保持値に一致するタイミングで前記他のスイッチ素子をターンオフさせる、PFCコントローラ。
  2. 前記第1回路は、前記出力端子に得られる昇圧電圧の状態に応じて前記一のスイッチ素子のオン期間とターンオンタイミングを決定するように前記一のスイッチ制御信号を生成する、請求項1記載のPFCコントローラ。
  3. 前記第1回路は、前記出力端子に得られる昇圧電圧が目的レベルに近づくほど一のスイッチ素子のオン期間を短縮し、前記一のスイッチ素子に対応する昇圧チョッパー回路におけるインダクタのゼロ電流の検出に応答して前記一のスイッチ素子のターンオンタイミングを決定するように前記一のスイッチ制御信号を生成する、請求項2記載のPFCコントローラ。
  4. 前記第2回路は、前記他のスイッチ素子に対応する昇圧チョッパー回路におけるインダクタのゼロ電流の検出を条件に加えて、前記他のスイッチ素子をターンオン制御する、請求項3記載のPFCコントローラ。
  5. 前記第1回路は前記第2回路における前記第1カウンタのカウントアップに応答して前記一のスイッチ素子を強制的にターンオンする、請求項3記載のPFCコントローラ。
  6. 第2回路は更に、前記一のスイッチ制御信号に対して所定の位相差に応ずる前記第1カウンタの計数動作による値を保持する第2レジスタと、前記第1カウンタの計数値と前記第2レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第1検出回路と、前記第2カウンタの計数値と前記第1レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第2検出回路とを有し、
    前記第2カウンタは前記第1検出回路による検出タイミング毎に初期値から前記クロック信号を計数し、
    前記第2回路は前記第1検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオンさせ、第2検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオフさせる、請求項1記載のPFCコントローラ。
  7. 並列された2個の昇圧チョッパー回路のスイッチ制御に用いられ、
    前記第2回路は前記第1カウンタと前記第1レジスタを1組備えると共に前記第2カウンタを1組備える、請求項1記載のPFCコントローラ。
  8. 並列された4個の昇圧チョッパー回路のスイッチ制御に用いられ、
    前記一のスイッチ素子は1個のスイッチ素子であり、前記他のスイッチ素子は3個のスイッチ素子であり、
    前記第2回路は、前記第1カウンタと前記第1レジスタを1組備えると共に第2カウンタを3組備え、夫々の前記第2カウンタは、前記一のスイッチ制御信号に対して夫々異なる所定の位相差を持つ周期単位でクロック信号を計数し、第2カウンタによる計数開始で対応する他のスイッチ素子をターンオンさせ、第2カウンタによる計数値が第1レジスタの保持値に一致するタイミングで対応する他のスイッチ素子をターンオフさせる、請求項1記載のPFCコントローラ。
  9. 整流回路の出力を受ける入力端子と出力端子との間に、インダクタとダイオードとの直列回路が複数並列され、夫々のインダクタとダイオードとの接続ノードに接続された複数のスイッチ素子を異なる位相で駆動することにより前記入力端子の電圧を昇圧して前記出力端子に出力するスイッチングレギュレータであって、前記複数のスイッチ素子のスイッチング制御を行うPFCコントローラを有し、
    前記PFCコントローラは、前記複数の内の一のスイッチ素子のための一のスイッチ制御信号を生成する第1回路と、前記複数の内の他のスイッチ素子のために前記一のスイッチ制御信号に対して位相をずらした他のスイッチ制御信号を生成する第2回路と、を有し、
    前記第2回路は、前記一のスイッチ制御信号の周期単位でクロック信号を計数する第1カウンタと、前記一のスイッチ制御信号に対して所定の位相差を持つ周期単位でクロック信号を計数する第2カウンタと、前記一のスイッチ制御信号の第1レベル状態の期間に対応する前記第1カウンタの計数値を保持する第1レジスタとを有し、
    前記他のスイッチ制御信号は、前記第2カウンタによる計数開始で他のスイッチ素子をターンオンさせ、前記第2カウンタによる計数値が前記第1レジスタの保持値に一致するタイミングで前記他のスイッチ素子をターンオフさせる、スイッチングレギュレータ。
  10. 前記第1回路は、前記スイッチングレギュレータで形成された昇圧電圧の状態に応じて前記一のスイッチ素子のオン期間とターンオンタイミングを決定するように前記一のスイッチ制御信号を生成する、請求項9記載のスイッチングレギュレータ。
  11. 前記第1回路は、前記スイッチングレギュレータで形成された昇圧電圧が目的レベルに近づくほど一のスイッチ素子のオン期間を短縮し、前記一のスイッチ素子に対応するインダクタにおけるゼロ電流の検出に応答して前記一のスイッチ素子のターンオンタイミングを決定するように前記一のスイッチ制御信号を生成する、請求項10記載のスイッチングレギュレータ。
  12. 前記第2回路は、前記他のスイッチ素子に対応するインダクタにおけるゼロ電流の検出を条件に加えて、前記他のスイッチ素子をターンオン制御する、請求項11記載のPFCコントローラ。
  13. 前記第1回路は前記第2回路における前記第1カウンタのカウントアップに応答して前記一のスイッチ素子を強制的にターンオンする、請求項11記載のPFCコントローラ。
  14. 第2回路は更に、前記一のスイッチ制御信号に対して所定の位相差に応ずる前記第1カウンタの計数動作による値を保持する第2レジスタと、前記第1カウンタの計数値と前記第2レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第1検出回路と、前記第2カウンタの計数値と前記第1レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第2検出回路とを有し、
    前記第2カウンタは前記第1検出回路による検出タイミング毎に初期値から前記クロックを計数し、
    前記第2回路は前記第1検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオンさせ、第2検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオフさせる、請求項9記載のスイッチングレギュレータ。
  15. インダクタとダイオードとの直列回路が2個並列され、夫々のインダクタとダイオードとの接続ノードに接続されたスイッチ素子を2個有し、2個のスイッチ素子を異なる位相で駆動することにより前記入力端子の電圧を昇圧して出力端子に出力するスイッチングレギュレータであって、
    前記第2回路は、前記第1カウンタ及び前記第1レジスタを1組備えると共に、前記第2カウンタ、第2レジスタ第1検出回路及び第2検出回路を1組備える、請求項14記載のスイッチングレギュレータ。
  16. インダクタとダイオードとの直列回路が4個並列され、夫々のインダクタとダイオードとの接続ノードに接続されたスイッチ素子を4個有し、4個のスイッチ素子を異なる位相で駆動することにより前記入力端子の電圧を昇圧して出力端子に出力するスイッチングレギュレータであって、
    前記一のスイッチ素子は1個のスイッチ素子であり、前記他のスイッチ素子は3個のスイッチ素子であり、
    前記第2回路は、前記第1カウンタと前記第1レジスタを1組備えると共に、前記第2カウンタ、第2レジスタ第1検出回路及び第2検出回路を3組備え、夫々の前記第2カウンタは、前記一のスイッチ制御信号に対して夫々異なる所定の位相差を持つ周期単位でクロック信号を計数する、請求項14記載のスイッチングレギュレータ。
  17. 交流電源を受けて整流を行う整流回路と、前記整流回路の出力を受ける入力端子と、出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間に複数並列接続されたインダクタとダイオードとの直列回路と、夫々のインダクタとダイオードとの接続ノードに接続された複数のスイッチ素子と、前記夫々のスイッチ素子を異なる位相でスイッチ制御することにより前記入力端子の電圧を昇圧して前記出力端子に出力させるコントローラとを有し、
    前記コントローラは、前記第1のスイッチ素子のための第1のスイッチ制御信号を生成する第1回路と、前記複数の内の他のスイッチ素子のために前記第1回路で生成されたスイッチ制御信号に対して位相をずらした他のスイッチ制御信号を生成する第2回路と、を有し、
    第2回路は、前記第1のスイッチ制御信号の周期単位でクロック信号を計数する第1カウンタと、前記一のスイッチ制御信号の第1レベル状態の期間に対応する前記第1カウンタの計数値を保持する第1レジスタと、前記一のスイッチ制御信号に対して所定の位相差に応ずる前記第1カウンタの計数動作による値を保持する第2レジスタと、前記第1カウンタの計数値と第2レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第1検出回路と、第1検出回路による検出タイミング毎に初期値から前記クロック信号を計数する第2カウンタと、第2カウンタの計数値と第1レジスタの保持値との一致タイミングを検出する第2検出回路と、を有し、第1検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオンさせ、第2検出回路による一致タイミングで他のスイッチ素子をターンオフさせる、電源回路。
  18. 前記第1回路は、前記昇圧電圧の状態に応じて前記一のスイッチ素子のオン期間とターンオンタイミングを決定するように前記一のスイッチ制御信号を生成する、請求項17記載の電源回路。
  19. 前記第1回路は、前記昇圧電圧が目的レベルに近づくほど一のスイッチ素子のオン期間を短縮し、前記一のスイッチ素子に対応するインダクタにおけるゼロ電流の検出に応答して前記一のスイッチ素子のターンオンタイミングを決定するように前記一のスイッチ制御信号を生成する、請求項18記載の電源回路。
  20. 前記第2回路は、前記他のスイッチ素子に対応するインダクタにおけるゼロ電流の検出を条件に加えて、前記他のスイッチ素子をターンオン制御する、請求項19記載のPFCコントローラ。
  21. 前記第1回路は前記第2回路における前記第1カウンタのカウントアップに応答して前記一のスイッチ素子を強制的にターンオンする、請求項19記載のPFCコントローラ。
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