(57)【要約】本発明は、殊に降圧変圧器であるスイッチングレギュレータを提供する。ここでこのスイッチングレギュレータは、スイッチング信号（２１）に依存して、入力信号（１）からパルス状信号（２４）を形成するスイッチング装置（１３）と、パルス状信号（２４）をフィルタリングし、平滑化された出力信号（１８）を出力するフィルタ装置（１４）と、基準信号（４）と、フィードバック装置（１９, ２０）を介して出力信号（１８）から得られた実際値信号（５）とから、補償信号（３）に依存して前記スイッチング信号（２１）を形成する制御可能な増幅器装置（７, １１, １２）と、入力信号（１）から補償信号（３）を形成する補償信号形成装置（２）を有している。本発明は同じように、スイッチング調整方法を提供する。
2005530471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチングレギュレータ、殊に降圧変圧器であって、
スイッチング信号（２１）に依存して、入力信号（１）からパルス状信号（２４）を形成するスイッチング装置（１３）と、
当該パルス状信号（２４）をフィルタリングし、平滑化された出力信号（１８）を出力するフィルタ装置（１４）と、
基準信号（４）と、フィードバック装置（１９, ２０）を介して前記出力信号（１８）から得られた実際値信号（５）とから、補償信号（３）に依存して前記スイッチング信号（２１）を形成する制御可能な増幅器装置（７, １１, １２）と、
前記入力信号（１）から補償信号（３）を形成する補償信号形成装置（２）を有している、
ことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
【請求項２】
前記増幅器装置（７）は、殊にベース増幅および／または周波数補償の調整を行うための、アース接続された複合抵抗（８）を有する、請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項３】
前記フィルタ装置（１４）は、殊にコイル（１５）およびキャパシタンス（１７）を備えた、ローパスフィルタを有している、請求項１から２までのいずれか１項または複数項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項４】
前記フィルタ装置（１４）に並列して、殊にフィルタ装置を保護するためのダイオードが接続されている、請求項１から３までのいずれか１項または複数項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項５】
殊に実質的にオーム抵抗から成る分圧器（１９）である前記抵抗網（１９）が、フィードバック部分（２０）を介して前記増幅装置（７）と接続されている、請求項１から４までのいずれか１項または複数項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項６】
前記制御可能な増幅器装置（７, １１, １２）は、殊にスイッチング信号（２１）のパルス幅変調信号（２２）を発信器信号（９）と増幅器信号（２３）から形成するパルス幅変調装置（１１）を有している、請求項１から５までのいずれか１項または複数項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項７】
前記パルス幅変調装置（１１）に供給される発信器信号（９）は、三角電圧状の特性を有している、請求項１から６までのいずれか１項または複数項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項８】
前記補償信号形成装置（２）によって形成された補償信号（３）は、電流信号である、請求項１から７までのいずれか１項または複数項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項９】
前記スイッチング装置（１３）はトランジスタ、殊にＭＯＳ電界効果トランジスタを有している、請求項１から８までのいずれか１項または複数項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項１０】
前記入力信号（１）は、実質的に一定のバッテリ電圧である、請求項１から９までのいずれか１項または複数項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項１１】
前記パルス幅変調装置（１１）と、スイッチング装置（１２）の間の回路接続部分はさらなる増幅装置（１２）を有している、請求項１から１０までのいずれか１項または複数項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項１２】
スイッチング調整方法であって、
補償信号（３）を入力信号（１）から補償信号形成装置（２）において形成するステップと、
基準信号（４）と、フィードバック装置（１９, ２０）を介して出力信号（１８）から得られた実際値信号（５）とから、補償信号（３）に依存して制御可能な増幅器装置（７, １１, １２）においてスイッチング信号（２１）を形成するステップと、
パルス状信号（２４）を前記入力信号（１）から、前記スイッチング信号（２１）に依存してスイッチング装置（１３）において形成するステップと、
前記パルス状信号（２４）を、フィルタ装置（１４）においてフィルタリングし、平滑化された出力信号（１８）を出力するステップとを含む、
ことを特徴とする、スイッチング調整方法。
【請求項１３】
増幅器信号（２３）を、増幅器装置（７）に接続されている複合抵抗（８）を用いて形成する、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記出力信号（１８）を、抵抗網（１９）、殊にオーム抵抗を備えた殊に分圧器、およびフィードバック部分（２０）を介して増幅器装置（７）に供給する、請求項１２または１３記載の方法。
【請求項１５】
前記制御可能な増幅器装置（７, １１, １２）においてパルス幅変調された信号（２２）、殊にスイッチング信号（２１）を、発信器信号（９）および増幅器信号（２３）からパルス幅変調装置（１１）において形成する、請求項１２から１４までのいずれか１項または複数項に記載の方法。
【請求項１６】
前記スイッチング装置（１３）を駆動制御する前に、前記パルス幅変調された信号（２２）を別の増幅装置（１２）において増幅する、請求項１２から１５までのいずれか１項または複数項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、殊に降圧変圧器であるスイッチングレギュレータおよびスイッチング調整方法に関する。
【０００２】
例えば降圧変圧器（バックコンバータ, ステップダウンコンバータ）のようなスイッチングレギュレータ（ＳＲ）は幅広く使用されており、例えばスイッチング回路網部分において殊に電圧整合ないしは電圧低減のために使用されている。
【０００３】
直流電圧供給回路（回路網部分）における電圧調整は、スイッチングレギュレータによって、一般的にクロック電圧を介して行われる。ここでこのクロック電圧はパワートランジスタの制御端子に印加される。最も簡単な場合には、調整されるべき直流電圧（調整量）からレギュレータにおいて、案内量との差（調整偏差）に相応するクロック周波数が導出される。このクロック周波数はパワートランジスタをクロック制御し、これによって、殊にローパスでのフィルタリングの後、調整された出力側直流電圧が出力される。
【０００４】
スイッチングレギュレータの開ループ増幅は、実質的には、調整増幅器の増幅ＶＲおよびパルス幅変調器（ＰＷＭ）の増幅ＶＰＷＭおよびフィードバック分岐部（フィードバック路）における出力側電圧の実際−分圧器の割合ｋｉｓｔおよびスイッチングレギュレータのパワー増幅器の出力側でのＬＣローパスの増幅ないし緩衝ＨＴＰＬＣからあらわされる（ｖ＝ｋｉｓｔ×ＶＲ×ＶＰＷＭ×ＨＴＰＬＣ）。
【０００５】
パルス幅変調器の増幅ファクタＶＰＷＭは、バッテリ電圧ＵＢＡＴと、パルス幅変調器に供給される三角電圧ＵＯＳＺの商からあらわされる（ＶＰＷＭ＝ＵＢＡＴ／ＵＯＳＺ）。ここでこの三角電圧ＵＯＳＺは例えば１. ２５ＶＳＳである。
【０００６】
約６Ｖ〜４０Ｖ（場合によっては６０Ｖ）である、考慮しなければならないバッテリ電圧ＵＢＡＴの大きい変動幅のために、パルス幅変調器（ＰＷＭ）の増幅ファクタＶＰＷＭは、比較的大きなダイナミック領域を有する。この結果として、全体の増幅がバッテリ電圧変動幅のみが原因でファクタ１０（２０ｄＢ）だけ変化する。このことは、調整回路全体の安定問題につながってしまうおそれがある。しかしまた最も大きな増幅に関連して相応に予備分（調整幅）が設定されている場合には、調整精度の損失につながるおそれがある。
【０００７】
バッテリ電圧変化、殊に跳躍的なバッテリ電圧変化は、スイッチングレギュレータの調整回路の戻り分岐部（フィードバック路）において、まずはじめに比較的大きな遅延時間（遅れ時間）をもって識別され、その後ではじめて所望の出力が得られるように調整される。この結果、出力電圧のダイナミックな過度的振動が生じてしまう。遅延時間にとって決定的なのは、以下のような制限周波数ｆｇＴＰを有するＬＣ−ローパス（ＨＴＰＬＣ）である：
ｆｇＴＰ＝（１／２π）×（１／（ＬＣ）０． ５）。
【０００８】
上述の問題を回避するための通常の方法は、「Smart Power ICs, ( M.R.BORGHI, Springer Verlag 1996 )」に紹介されている。パルス幅変調器に供給される三角電圧ＵＯＳＺの振幅が、バッテリ電圧に依存して調整される。すなわちＵＯＳＺ＝ｆ（ＵＢＡＴ）である。ここで三角電圧ＵＯＳＺは、例えば２００ｍＶ〜２Ｖの間の領域にある。クロック制御されたシステムにおいて三角電圧ＵＯＳＺの振幅が比較的小さい場合に、分解精度（Aufloesungsgenauigkeit）に基づいて欠点が生じ、これはクリチカルである。さらに、同じように概念「フィードフォワード補償」と称される振幅同行（Amplitudenmitfuehrung）は実現するのに比較的コストがかかる。
【０００９】
上述の問題を回避する、別の通常の方法は、三角電圧ＵＯＳＺを事前に歪ませることよって実現される。この場合にはパルス幅変調器に供給される発信器電圧は三角形に類似しているだけであり、直線的に延在する領域を、「三角形」の頂上領域に有しており、しかし指数的に延在する領域を有している。ここではフィードフォワード効果は得られない。なぜなら発信器は自身の電圧振幅を変えず、殊にバッテリ電圧ＵＢＡＴに依存して変えず、従って直接的な補償調整が影響を及ぼさないからである（MULLER RS, KAMINS TI (1986）「Devices For Electronics Integrated Circuit」John Wiley & Sonsも参照）。
【００１０】
本発明の課題は、入力信号に実質的に依存する増幅を有する、殊にフィードフォワード補償を伴うスイッチングレギュレータを提供すること、および、同じようにスイッチング調整方法を提供することである。
【００１１】
発明の利点
本発明では上述の課題は、スイッチングレギュレータ、殊に降圧変圧器であって、スイッチング信号に依存して、入力信号からパルス状信号を形成するスイッチング装置と、パルス状信号をフィルタリングし、平滑化された出力信号を出力するフィルタ装置と、基準信号と、フィードバック装置を介して出力信号から得られた実際値信号とから、補償信号に依存してスイッチング信号を形成する制御可能な増幅器装置と、入力信号から補償信号を形成する補償信号形成装置を有している、ことを特徴とするスイッチングレギュレータによって解決される。さらに本発明では上述の課題は、スイッチング調整方法であって、補償信号を入力信号から補償信号形成装置において形成するステップと、基準信号と、フィードバック装置を介して出力信号から得られた実際値信号とから、補償信号に依存して制御可能な増幅器装置においてスイッチング信号を形成するステップと、パルス状信号を入力信号から、スイッチング信号に依存してスイッチング装置において形成するステップと、パルス状信号を、フィルタ装置においてフィルタリングし、平滑化された出力信号を出力するステップとを含む、ことを特徴とする、スイッチング調整方法によって解決される。
【００１２】
本発明の基礎となる着想は、調整増幅器の増幅ＶＲを近似的にバッテリ電圧に比例して案内することである。
【００１３】
本発明では、冒頭に記載された問題は殊に、補償装置が、殊に変動する入力電圧（例えばＵＢＡＴ）に依存して増幅ファクタＶＲを制御し、この結果、スイッチングレギュレータの増幅全体が実質的にバッテリ電圧ＵＢＡＴにわたって一定に保たれることによって解決される。
【００１４】
従属請求項には、各発明要件の有利な発展形態および改善が記載されている。
【００１５】
有利な発展形態では、増幅器装置はアース接続された複合抵抗を有しており、これは殊にベース増幅（Grundverstaerkung）および／または周波数補償の調整を行う。
【００１６】
有利な発展形態では、フィルタ装置は、殊にコイルおよびキャパシタンスと、これに並列に接続されているダイオードを備えたローパスフィルタを有している。
【００１７】
別の有利な発展形態では、パルス幅変調装置に供給される発信器信号は三角発信器電圧を有している。
【００１８】
別の有利な実施形態では、スイッチング装置はトランジスタ、殊にＭＯＳ電界効果トランジスタを有している。
【００１９】
図面
本発明の実施例を図示し、以下の明細書においてより詳細に説明する。
【００２０】
図１には、殊にフィードフォワード補償を伴うスイッチングレギュレータのブロック回路図が本発明の実施形態を説明するために示されている。
【００２１】
実施例の説明
図１には、殊にフィードフォワード補償を伴うスイッチングレギュレータのブロック回路図が本発明の実施形態を説明するために示されている。
【００２２】
図１では入力信号１、殊にバッテリ電圧ＵＢＡＴが補償装置２、殊にフィードフォワード補償構成ユニット（ＦＦＫ）に供給される。この補償構成ユニットは、入力信号１の振幅に依存して補償信号３、殊に補償電流ＩＦＦＫを発生させる。
【００２３】
増幅装置７、殊に調整増幅器ＲＶないし相互コンダクタンス増幅器（Steilheitsverstaerker）は、この補償信号３を受け取り、補償信号３に相応して、増幅装置７の増幅ファクタ６ＶＲを変化させる。複合抵抗８は、この増幅装置７と接続されており、実質的に増幅装置７のベース増幅の調整および／または周波数補償の調整に用いられる。基準信号４、殊に基準電圧ＵＲＥＦおよび実際値信号５、殊に実際電圧ＵＩＳＴが、同じように増幅装置７に供給され、増幅器信号２３が形成される。
【００２４】
発信器信号９、殊に、任意の（実質的に一定の）振幅を有する三角発信器電圧ＵＯＳＺが、増幅器信号２３と同じように、パルス幅変調装置１１、殊にパルス幅変調器（ＰＷＭ）に供給される。このパルス幅変調器は、増幅１０ＶＰＷＭが加えられたパルス幅変調された信号２２を形成する。ここでこのパルス幅変調された信号は、増幅ｖｐのさらなる増幅装置１２に供給される。実質的にスイッチング装置１３を動作させるための出力整合を担う増幅装置１２において、スイッチング信号２１が形成される。
【００２５】
スイッチング装置１３、殊にＭＯＳ電界効果パワー増幅器はスイッチング信号２１に依存して、フィルタ装置１４に向けて入力信号１を導通接続し、この結果としてパルス状信号２４が形成される。このパルス状信号２４は、フィルタ装置１４内で平滑化される。このフィルタ装置は殊に、直列インダクタンス１５およびコイル１５の後に配置され、アース接続されているキャパシタンス１７を備えたローパスフィルタを有している。
【００２６】
殊にフィルタ装置１４を過電圧から保護するのにも用いられるフリーホイールダイオード１６が、フィルタ装置１４と並列してアース接続されている。パルス状信号２４はフィルタ装置１４において、出力信号１８、殊に電圧へ平滑化される。この信号は抵抗網１９、殊に増幅ないし分割ｋｉｓｔを有する分圧器１９を介して、フィードバック部分２０（フィードバック路）を介して増幅装置７へ供給される（実際値信号５）。
【００２７】
調整増幅器７の増幅ＶＲないし相互コンダクタンスＳＲは、バッテリ電圧ＵＢＡＴ（入力信号１）によって次のように追従制御される。すなわち積ｖ１＝（ＵＢＡＴ／ＵＯＳＺ）×ＶＲがバッテリ電圧にわたって一定に保たれるように追従制御される。
【００２８】
三角発信器電圧ＵＯＳＺは任意に選択可能である。例えばＵＯＳＺ＝１. ２５Ｖに選択することができる。本発明に相応して一次近似でバッテリ電圧に依存しない、降圧変圧器（バックコンバータ）の調整回路におけるループ増幅は、フィードフォワード補償の実現をあらわしている。すなわち、調整増幅器ないしはパルス幅変調器は迅速に、出力側のローパスの遅延時間なしにバッテリ電圧の跳躍的な変化に反応する。
【００２９】
フィードフォワード補償を備えたこのようなスイッチングレギュレータの実現コストは、必要な面積およびコストに関して比較的小さい。
【００３０】
調整増幅器ＲＶの増幅ＶＲは次のようにあらわされる：
ＶＲ＝Ｚ×[ １／（Ｒ×ｋ×ＵＢＡＴ）]
ここでＺは、殊にオーム抵抗および／または容量抵抗を有する選択可能な外部の複合抵抗をあらわしている。相互コンダクタンスＳＲと複合抵抗Ｚとの積は、同じように調整増幅器ＲＶの増幅ＶＲと等しい。ここで相互コンダクタンスＳＲは、補償電流ＩＦＦＫを温度電圧ＵＴで割った商であり、補償電流ＩＦＦＫは環状電流源から発生される。これは、式ＩＦＦＫ＝Ｕｃ／（Ｒ×ｋ×ＵＢＡＴ）を満たし、ここでＲはリング電流源のＴｋ０抵抗をあらわし、ｋは増幅ＶＲを調整するためのファクタである。上述の式と式ＶＰＷＭ＝ＵＢＡＴ／ＵＯＳＺを相互に組み込んだ場合、２つの増幅ＶＲおよびＶＰＷＭの積＝ｖ１はｖ１＝Ｚ／（Ｒ×ｋ×ＵＯＳＺ）である。これは、一次近似でバッテリ電圧に依存せず、バッテリ電圧の跳躍的変化時（ダイナミック）に、出力側ローパスの遅延時間（遅れ時間）なしに即時に増幅を修正する。これによって出力電圧Ｖｏｕｔの過度振動が回避される。
【００３１】
本発明を有利な実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではなく、多種多様に変更可能である。
【００３２】
上述の例において、補償装置は、増幅装置の増幅ファクタを制御する電流信号を出力するが、他の例において生じるような他の信号形態（電圧信号, 光学信号, ・・・）も設定可能である。変更が加えられたフィルタ多装置または増幅ｖｐを伴う別の増幅装置の省略のように種々異なる発信器出力信号形態が同じように設定可能である。
【００３３】
本発明は上述の用途に制限されるものでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】フィードフォワード補償を伴うスイッチングレギュレータのブロック回路図である。
【図１】
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【国際調査報告】
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