(57)【要約】【課題】簡易な構成により電源装置のスイッチング周波数を拡散させることを目的とする。【解決手段】スペクトラム拡散回路は、所定のクロック信号に同期して動作するスイッチングレギュレータに供給されるクロック信号をスペクトラム拡散させるものである。具体的には、スペクトラム拡散回路は、所定のクロック信号が入力される入力部と、入力されたクロック信号に対しパルス位相変調を行い、クロック信号がパルス位相変調された位相変調信号を出力する拡散部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のクロック信号に同期して動作するスイッチングレギュレータに供給されるクロック信号をスペクトラム拡散させるスペクトラム拡散回路であって
前記所定のクロック信号が入力される入力部と、
入力された前記クロック信号に対しパルス位相変調を行い、前記クロック信号がパルス位相変調された位相変調信号を出力する拡散部と、
を備えるスペクトラム拡散回路。
【請求項２】
前記拡散部は、前記クロック信号に対する前記位相変調信号の遅延時間が徐々に大きくなる期間と、前記クロック信号に対する前記位相変調信号の遅延時間が徐々に短くなる期間とを繰り返す
請求項１に記載のスペクトラム拡散回路。
【請求項３】
前記拡散部は、
キャパシタと、
前記キャパシタの充電電流を所定の周期で変化させる充電回路と、
前記キャパシタの両端電圧が所定の基準電圧を超えた場合に前記位相変調信号を出力するエッジ検出回路と、
を備える請求項１又は２に記載のスペクトラム拡散回路。
【請求項４】
前記充電回路は、前記クロック信号よりも周期の長い三角波状に前記充電電流を変化させる
請求項３に記載のスペクトラム拡散回路。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のスペクトラム拡散回路と、
前記位相変調信号に基づいてスイッチング素子を開閉させるスイッチ制御部と、
を備えるスイッチングレギュレータ。
【請求項６】
所定のクロック信号に同期して動作するスイッチングレギュレータに供給されるクロック信号をスペクトラム拡散させるスペクトラム拡散方法であって、
前記所定のクロック信号の入力を受ける入力ステップと、
入力された前記クロック信号に対しパルス位相変調を行い、前記クロック信号がパルス位相変調された位相変調信号を出力する拡散ステップと、
を含むスペクトラム拡散方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトラム拡散回路、スイッチングレギュレータ、及びスペクトラム拡散方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所定の周波数を有する入力クロックに対して、一定の変調周期内で周波数を変調したクロックを生成するクロックジェネレータと、クロックジェネレータが生成するクロックに従って動作する複数のモジュールを識別し、クロックジェネレータの変調周期を設定する制御部とを備え、制御部は、複数のモジュールのうち、変調されていない周波数を有するクロックで動作させる特定モジュールが１つのみの場合は、クロックジェネレータの変調周期から求められる周波数が特定モジュールのクロック周波数の整数倍となるように、変調周期を設定し、複数のモジュールのうち、変調されていない周波数を有するクロックで動作させる特定モジュールが２つ以上存在する場合は、クロックジェネレータの変調周期から求められる周波数が複数の特定モジュールのクロック周波数の公倍数となるように、変調周期を設定するという電子回路が提案されていた（例えば、特許文献１）。この技術によれば、電子回路内の複数のモジュールのうち、タイマ等の変調されていない周波数のクロックで動作させる特定モジュールにおいては、クロック周波数の変調によるノイズの発生を抑制し、その他のモジュールにおいてはクロック周波数の変調により不要輻射を低減させることができるというものである。
【０００３】
また、スイッチング動作によって生じるスイッチングノイズの周波数スペクトルを広範囲に拡散させると共に特定周波数におけるノイズレベルを低減するという技術も提案されている（例えば、特許文献２）。具体的には、スイッチング制御装置は、その内部に演算処理機能を有する演算部を有し、その演算部において、先ず、検出器からの出力に応じた帰還信号を受信してパルス信号のオンデューティサイクルを決定するパルス幅変調処理手段によりパルス幅変調処理を行う。次にパルス幅変調処理手段で得られた信号やデータに周波数スペクトルを拡散させるための更なる変調処理をするため、切替手段により非同期変調処理手段とパルス位置変調処理手段をランダムに選択して分岐処理し、パルス位置変調処理手段が選択されたときには、更に第１のパルス位置変調処理手段と第２のパルス位置変調処理手段をオンデューティサイクルに応じて選択する分岐処理を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−８５９６号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／１２３０５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ナビゲーションシステム等の車載装置の電源においては、ラジオへのノイズ混入を低減させることが望ましい。例えば、ＦＭ帯においては、電源装置のスイッチング周波数を拡散させるため、例えばＳＳＣＧ（Spread Spectrum Clock Generator）回路を利用するこ
とができる。しかしながら、ナビゲーションシステムが備えるマイクロコントローラからのクロック信号に同期して動作させるためには、例えばＰＬＬ（Phase Locked Loop）回
路が必要となり、回路規模が増大してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成により電源装置の
スイッチング周波数を拡散させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るスペクトラム拡散回路は、所定のクロック信号に同期して動作するスイッチングレギュレータ供給されるクロック信号をスペクトラム拡散させるものである。具体的には、スペクトラム拡散回路は、所定のクロック信号が入力される入力部と、入力されたクロック信号に対しパルス位相変調を行い、クロック信号がパルス位相変調された位相変調信号を出力する拡散部とを備える。
【０００８】
このような拡散部によれば、クロック信号を周波数拡散させることができる。すなわち、例えばスペクトラム拡散を行うためのＳＳＣＧ回路や、クロック信号に同期させるためのＰＬＬ回路を用いる必要がなくなり、回路規模の増大が抑えられる。したがって、簡易な構成により電源装置のスイッチング周波数を拡散させることができるといえる。
【０００９】
また、拡散部は、クロック信号に対する位相変調信号の遅延時間が徐々に大きくなる期間と、クロック信号に対する位相変調信号の遅延時間が徐々に小さくなる期間とを繰り返すようにしてもよい。例えばこのように、周波数拡散を実現することができる。
【００１０】
また、拡散部は、キャパシタと、キャパシタの充電電流を所定の周期で変化させる充電回路と、キャパシタの両端電圧が所定の基準電圧を超えた場合に位相変調信号を出力するエッジ検出回路とを備えるようにしてもよい。具体的は、このような構成要素によって周波数拡散を実現することができる。
【００１１】
また、充電回路は、クロック信号よりも周期の長い三角波状に充電電流を変化させるようにしてもよい。このようにすれば、上述のクロック信号に対する位相変調信号の遅延時間が徐々に大きくなる期間と、小さくなる期間とを実現することができる。
【００１２】
また、本発明の他の側面に係るスイッチングレギュレータは、上述のスペクトラム拡散回路のいずれかと、位相変調信号に基づいてスイッチング素子を開閉させるスイッチ制御部とを備える。このようなスイッチングレギュレータによれば、クロック信号を周波数拡散させることができ、スイッチング周期に起因する高調波ノイズを低減させることができる。
【００１３】
なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。また、課題を解決するための手段の内容は、上記回路が実行する方法として提供するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
簡易な構成により電源装置のスイッチング周波数を拡散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電源装置の一例を示す回路図である。
【図２】周波数拡散回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】ＰＰＭなしの場合及びＰＰＭありの場合のクロックスペクトルのシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して説明する。図面に本発明の好ましい実施形態を示すが、本発明は多くの異なる形態で実施することが可能であり、本明細書に記載する実施形態には限定されない。
【００１７】
図１は、本実施形態にかかる電源装置１の一例を示す回路図である。電源装置１は、マイクロコントローラからのクロック信号に同期して動作する同期式のスイッチングレギュレータである。また、電源装置１は、例えばナビゲーションシステムのような車載装置の電源として用いられる。例えば、電源装置１は、１２Ｖのバッテリ電圧ＢＡＴＴを用いて５．０Ｖ、３．３Ｖ等の出力電圧を生成する。
【００１８】
一般的に、車載装置には、ラジオの受信機能を有するものが多い。また、スイッチングレギュレータの電磁波ノイズがラジオの受信に影響することがある。例えば、ＡＭラジオの周波数帯においては、クロック周波数の倍数のノイズがラジオに混入することを回避するため、電源装置１は、例えば受信中の周波数の情報に基づき、受信周波数を分周した周波数と一致しないようにクロック周波数を変更する。一方、ＦＭラジオの周波数帯においては、クロック周波数の複数の高調波成分が帯域内に含まれているため、単にクロック周波数を変更する方法では、適合規格を満たさない場合がある。ＦＭ帯においては、基本波及び高調波のピークを低減させるため、スイッチング周波数をスペクトラム拡散させる手法がある。スペクトラム拡散には、例えばＳＳＣＧ（Spread Spectrum Clock Generator
）を利用することができる。しかしながら、マイクロコントローラからのクロック信号に同期してスペクトラム拡散させるためには、ＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路を用いる必
要があり、回路規模及びコストが増大する。また、ＳＳＣＧの利用では、ＡＭ帯におけるピーク低減効果は少ない。
【００１９】
そこで、本実施形態位に係る電源装置１は、マイクロコントローラから入力されるクロック周波数を、パルス位相変調（ＰＰＭ：Pulse Position Modulation）によって拡散さ
せる。マイクロコントローラ（図示せず）は、車載装置が備えるプロセッサである。マイクロコントローラは、例えば５００ｋＨｚ等、所定の周波数のクロック信号を矩形波で出力し、出力されたクロック信号は、電源装置１のクロック信号入力端子ＣＬＫ  ＩＮに入力される。また、電源装置１は、本実施形態に係る周波数拡散を実現する周波数拡散回路１１（「拡散部」とも呼ぶ）と、周波数拡散回路１１の出力等に基づいてスイッチの開閉を制御するコントロールロジック（Control Logic）回路１２（「スイッチ制御部」とも
呼ぶ）と、バッテリＢＡＴＴから入力端子ＶＩＮへ入力される入力電流を測定し、測定値を出力するモニタリング回路Ｉｓｅｎｓｅ１３と、ＭＯＳＦＥＴ等であるスイッチング素子Ｑ１と、出力電圧のフィードバックを受けて、出力端子ＳＷからの出力電圧が所定の目標電圧に近づくようデューティ比を調整するフィードバック回路１４とを備える。なお、電源装置１のクロック入力端子と周波数拡散回路１１とを総称して、本発明に係る「スペクトラム拡散回路」とも呼ぶ。
【００２０】
周波数拡散回路１１は、クロック信号の入力端子に接続される反転回路（論理否定回路、ＮＯＴ回路とも呼ぶ）ＮＯＴと、反転されたクロック信号がゲートに入力されるＮ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｎ−ＭＯＳ）と、Ｎ−ＭＯＳのドレイン−ソース間に２つの端子がそれぞれ接続されるキャパシタ（コンデンサ）Ｃ１と、所定の電源ＶＣＣと接続される電流源（定電流源）ＩＴｒｉと、ＩＴｒｉの電流波形を所定の周波数の三角波に変換する三角波発生回路ＶＴｒｉと、Ｎ−ＭＯＳのドレイン側に接続されたキャパシタＣ１の電圧と所定の基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較する比較器ＣＭＰと、比較器ＣＭＰが出力するクロック出力信号がローレベル（Ｌｏ）からハイレベル（Ｈｉ）に変化するタイミングを検出するエッジ検出回路（Edge Detect）１１１とを有する。なお、電流源ＩＴｒｉ及び三角波発生回路
ＶＴｒｉは、キャパシタＣ１を充電するための回路であり、本発明に係る「充電回路」とも呼ぶ。
【００２１】
図２は、周波数拡散回路１１の動作を説明するためのタイミングチャートである。図２のＣＬＫ＿ＩＮは、電源装置１のクロック信号入力端子ＣＬＫ  ＩＮに入力されるクロッ
ク信号である。クロック信号ＣＬＫ＿ＩＮは、一定の周期の矩形波である。図２のＶＣＣは、所定の電源電圧である。図２のＶｒｅｆは、比較器ＣＭＰのマイナス端子に入力される基準電圧Ｖｒｅｆ１の値である。図２のＶ＋は、比較器ＣＭＰのプラス端子に入力されるキャパシタＣ１の電圧である。また、図２のＩＴｒｉは、三角波に変換された電流源からキャパシタＣ１の充電に用いられる電流である。そして、図２のＣＬＫｏは、比較器ＣＭＰの出力に基づいて、エッジ検出回路１１１が出力する信号である。ＣＬＫｏは、クロック信号がパルス位相変調された信号であり、本発明に係る「位相変調信号」とも呼ぶ。また、図２のＳＷは、コントロールロジック回路１２によって制御されるスイッチング素子Ｑ１の出力であり、電源装置１の出力端子ＳＷから出力される信号である。
【００２２】
図１の反転回路ＮＯＴは、入力されるクロック信号のＨｉとＬｏとを反転させる。電源装置１は、反転回路ＮＯＴを介し、クロック信号がＨｉの期間にＮ−ＭＯＳのドレイン−ソース間をオフにする。すなわち、クロック信号がＬｏの場合は、反転回路ＮＯＴによって反転された信号ＨｉがＮ−ＭＯＳのゲートに入力される。このとき、Ｎ−ＭＯＳのドレインとソースとの間に電流が流れ、キャパシタＣ１は充電されない。一方、クロック信号がＨｉになると、反転回路ＮＯＴによって反転された信号ＬｏがＮ−ＭＯＳのゲートに入力される。このとき、Ｎ−ＭＯＳのドレインとソースとの間には電流が流れず、キャパシタＣ１は電流源ＩＴｒｉからの電流によって充電される。図２に示すように充電回路が出力する電流ＩＴｒｉは三角波であり、例えば数ｋＨｚ程度の周波数になっている。よって、充電回路は、キャパシタＣ１を充電する電流の大きさ（すなわち充電速度）が減少する期間と増加する期間とを繰り返すようになっている。換言すれば、充電回路は、電流ＩＴｒｉが減少する期間においてキャパシタＣ１の充電速度を減少させ、電流ＩＴｒｉが増加する期間において、キャパシタＣ１の充電速度を増加させる。
【００２３】
比較器ＣＭＰは、マイナス入力端子に入力される所定の基準電圧Ｖｒｅｆ１と、プラス入力端子に入力されるキャパシタＣ１の電圧Ｖ＋とを比較し、電圧Ｖ＋が基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えると出力端子からＨｉを出力する。図２に示すように、ＣＬＫ  ＩＮにＨｉが入力されてから、キャパシタＣ１の充電が開始され、所定の基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えるまでの時間だけ遅延して、比較器ＣＭＰの出力がＨｉになる。遅延時間は、電流ＩＴｒｉの大きさによって決まる。すなわち、クロック信号よりも周期の長い三角波状の電流ＩＴｒｉに応じてキャパシタＣ１の充電速度が変わると共に、Ｖ＋の立ち上がり速度も変化し、これに伴いクロック信号ＣＬＫ＿ＩＮに対する遅延時間が変化する。具体的には、電流ＩＴｒｉの大きさが減少する期間においては遅延時間は徐々に増加し、電流ＩＴｒｉの大きさが増加する期間においては遅延時間は徐々に減少する。
【００２４】
また、クロック信号がＬｏになると、Ｎ−ＭＯＳのドレイン−ソース間がオンになる。そして、キャパシタＣ１が放電され、比較器ＣＭＰのプラス入力端子に入力される電圧Ｖ＋が基準電圧Ｖｒｅｆ１を下回り、比較器ＣＭＰの出力はＬｏになる。
【００２５】
エッジ検出回路１１１は、比較器ＣＭＰの出力がＬｏからＨｉになったことを検出し、所定の幅のワンショットパルスを出力する。また、コントロールロジック回路１２は、エッジ検出回路１１１の出力信号ＣＬＫｏがＨｉになったことを検出し、スイッチング素子Ｑ１をオンにする。また、コントロールロジック回路１２は、フィードバック回路１４からの出力に基づいてスイッチング素子Ｑ１をオフにする。すなわち、コントロールロジック回路１２は、スイッチング素子Ｑ１をオンにするタイミングが入力クロックに対して遅延する場合であっても出力電圧が一定になるようデューティ比を制御する。図２に示すように、エッジ検出回路１１１の出力信号ＣＬＫｏは入力クロック信号に対して、三角波状の電流ＩＴｒｉの変化に応じて、サイクルごとに遅延時間が変化していき、電源装置１の出力端子ＳＷから出力される信号は三角波状の電流ＩＴｒｉの周期でパルス位相変調された信号になる。
【００２６】
電源装置１の出力端子ＳＷは、インダクタＬ１を介して負荷へ接続される端子Ｖｏｕｔへ接続される。インダクタＬ１は、出力端子ＳＷの出力がＨｉになると自己誘導を起こしつつエネルギーが蓄積される。また、出力端子ＳＷの出力がＬｏになると自己誘導起電力が発生し、エネルギーが放出される。また、出力端子ＳＷとインダクタＬ１との間には、ダイオードＤ１のカソードが接続されている。一方、ダイオードＤ１のアノードは、接地されている。また、インダクタＬ１の出力側には、キャパシタＣ２の一端が接続されている。一方、キャパシタＣ２の他端は、接地されている。同様に、インダクタＬ１の出力側には、抵抗器Ｒ２の一端が接続されると共に、抵抗器Ｒ２の他端は、電源装置１のフィードバック端子ＦＢ及び抵抗器Ｒ３の一端に接続され、抵抗器Ｒ３の他端は接地されている。そして、電源装置１の出力電圧は、抵抗器Ｒ２及び抵抗器Ｒ３によって抵抗分割され、電源装置１のフィードバック端子ＦＢに入力される。
【００２７】
また、電源装置１のフィードバック回路１４は、電流モード制御で既存のフィードバック制御を行う。フィードバック端子ＦＢは、電源装置内のオペアンプ（エラーアンプとも呼ぶ）Ｅｒｒｏｒ  ＡＭＰの反転入力端子に接続される。また、エラーアンプの非反転入力端子には、所定の基準電圧Ｖｒｅｆ２が入力される。そして、入力の差分の電圧ＶＥＡが比較器ＰＷＭ  ＣＭＰのマイナス端子に入力される。一方、比較器ＰＷＭ  ＣＭＰのプラス端子には、モニタリング回路Ｉｓｅｎｓｅ１３が測定した測定値Ｉｍｏｎが入力される。測定値Ｉｍｏｎは、スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの信号を表しており、スイッチング素子Ｑ１が閉じる（オンになる）と上昇する。また、比較器ＰＷＭ  ＣＭＰの出力は、コントロールロジック回路１２に入力される。そして、測定値Ｉｍｏｎが電圧ＶＥＡに到達すると、コントロールロジック回路１２はスイッチング素子Ｑ１を開く（オフにする）。
【００２８】
上述のように動作するコントロールロジック回路１２は、例えばＲＳ型フリップフロップ回路により実現できる。すなわち、周波数拡散回路１１から入力されるセット信号のみがＨｉになると、コントロールロジック回路１２の出力がＨｉになり、例えばＮ型ＭＯＳＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ１をオンにする。その後、セット信号及びリセット信号がＬｏになっても出力はＨｉのまま維持される。また、リセット信号のみがＨｉになるとコントロールロジック回路１２の出力はＬｏになり、スイッチング素子Ｑ１をオフにする。
【００２９】
＜作用・効果＞
電源装置１の周波数拡散回路１１は、入力クロック信号に対し、パルス位相変調を行う。すなわち、一定の周波数でパルスの位置をずらすことにより、スペクトラムを拡散させ、ノイズのピークを低減することができる。このような態様であれば、例えば位相を同期させるＰＬＬ回路が不要になり、回路規模やコストの増大を抑えることができる。
【００３０】
図３は、本実施形態に係るＰＰＭを行わない場合（ＰＰＭなし）、及び本実施形態に係るＰＰＭを行う場合（ＰＰＭあり）のクロックスペクトルのシミュレーション結果を示すグラフである。図３に示すように、５００ｋＨｚ周辺にあるピークの値は４．４５ｄＢ程度下がっている。図３の例はＡＭラジオの周波数帯であるが、ＦＭラジオの周波数帯においてもより大幅にピーク値を低減することができる。
【００３１】
例えば、本実施形態に係る電源装置１は、当該電源装置１を内蔵する車載装置がＡＭラジオを受信する場合も、ＦＭラジオを受信する場合も、スペクトラム拡散を行い、ノイズのピークを低減するようにする。なお、ＡＭラジオを受信する場合においては、受信局の周波数がクロック周波数の倍数にならないようクロック周波数を変更する従来の処理を組み合わせるようにしてもよい。
【００３２】
なお、スペクトラム拡散回路は、スイッチングレギュレータに内蔵されるものであってもよいし、既存のクロック同期型レギュレータの前段に外付けするものであってもよい。例えば、マイクロコントローラとレギュレータとの間にスペクトラム拡散回路を組み込むようにしてもよいし、マイクロコントローラを構成するロジック回路と一体的にスペクトラム拡散回路を形成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１    ：電源装置
１１  ：周波数拡散回路（拡散部）
１２  ：コントロールロジック回路（スイッチ制御部）
１３  ：モニタリング回路
１４  ：フィードバック回路
【図１】
2018014797.tif 000003
【図２】
2018014797.tif 000004
【図３】
2018014797.tif 000005