(57)【要約】【課題】フィルタや外付け容量などのノイズ対策部品を用いることなく、高調波成分のノイズを低減する。【解決手段】信号生成回路１は、チャージポンプ回路２に用いられ且つ相補的に変化するとともに双方がオフを示すレベルとなるデッドタイムを有する２つのクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成するもので、信号生成部３を備える。信号生成部３は、周波数が一定であり且つ奇数次の高調波のピークが偶数次の高調波のピークよりも高くなるような所定のデューティを持つ２つのクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する。また、信号生成部３は、２つのクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の平均デューティが所定のデューティとなるように維持しつつ、デッドタイムを周期的に変化させるデッドタイム変化部４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャージポンプ回路（２）に用いられ且つ相補的に変化するとともに双方がオフを示すレベルとなるデッドタイムを有する２つの矩形波信号を生成する信号生成回路（１）であって、
周波数が一定であり且つ奇数次の高調波のピークが偶数次の高調波のピークよりも高くなるような所定のデューティを持つ前記２つの矩形波信号を生成する信号生成部（３）を備え、
前記信号生成部は、前記２つの矩形波信号の平均デューティが前記所定のデューティとなるように維持しつつ、前記デッドタイムを周期的に変化させるデッドタイム変化部（４）を備える信号生成回路。
【請求項２】
前記デッドタイム変化部は、前記チャージポンプ回路が所望する動作を実行可能な範囲で、前記デッドタイムを変化させる請求項１に記載の信号生成回路。
【請求項３】
前記デッドタイム変化部は、前記矩形波信号の１周期毎に前記デッドタイムを変化させる請求項１または２に記載の信号生成回路。
【請求項４】
前記所定のデューティは、０．５である請求項１から３のいずれか一項に記載の信号生成回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相補的に変化するとともに双方がオフを示すレベルとなるデッドタイムを有する２つの矩形波信号を生成する信号生成回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な矩形波信号を生成する信号生成回路では、回路の単純さや素子数の少なさから、生成される矩形波信号のデューティが５０％またはその近傍の値となるように設計が行われることが多い。そして、デューティが５０％程度の矩形波信号では、奇数次の高調波成分のピークが比較的高くなり、偶数次の高調波成分のピークが比較的低くなることが知られている。このようなことから、生成された矩形波信号が、駆動能力を高く設計する必要があるチャージポンプ回路などに用いられる場合、奇数次の高調波がエミッションノイズに関する規格を満たせなくなるといった問題が発生するおそれがある。
【０００３】
特許文献１には、ノイズを外部で測定してフィードバックし、ノイズの測定結果に応じたデューティ制御（ＰＷＭ制御）を行うことにより、ノイズを低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１１００６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
矩形波信号がチャージポンプ回路に用いられる場合、その矩形波信号のデューティは５０％程度で固定であり、特許文献１記載の技術のような可変デューティとなるＰＷＭ制御を適用することはできない。そこで、このようなノイズ規格を満たすためには、外付け容量やフィルタなどのノイズ対策部品を別途設ける必要が生じるが、そうすると、装置の体格やコストが増加してしまう。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィルタや外付け容量などのノイズ対策部品を用いることなく、高調波成分のノイズを低減することができる信号生成回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の信号生成回路（１）は、チャージポンプ回路（２）に用いられ且つ相補的に変化するとともに双方がオフを示すレベルとなるデッドタイムを有する２つの矩形波信号を生成するもので、信号生成部（３）を備える。信号生成部は、周波数が一定であり且つ奇数次の高調波のピークが偶数次の高調波のピークよりも高くなるような所定のデューティを持つ２つの矩形波信号を生成する。また、信号生成部は、２つの矩形波信号の平均デューティが所定のデューティとなるように維持しつつ、デッドタイムを周期的に変化させるデッドタイム変化部（４）を備える。
【０００８】
２つの矩形波信号のデッドタイムが周期的に変化することにより、２つの矩形波信号の少なくとも一方のデューティが周期的に変化する。これにより、２つの矩形波信号のうち少なくとも一方に含まれる高調波成分が拡散され、その結果、奇数次の高調波成分のピークが低く抑えられエミッションノイズに関する規格を満足することができる。また、信号生成回路では、矩形波信号の周波数は一定であり且つ平均デューティは所定のデューティに維持されるため、チャージポンプ回路に用いるのに好適な構成となっている。したがって、上記構成によれば、フィルタや外付け容量などのノイズ対策部品回路規模を用いることなく、高調波成分のノイズを低減することができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る信号生成回路およびチャージポンプ回路の構成を模式的に示す図
【図２】信号生成回路の具体的な構成例を模式的に示す図
【図３】各部の信号および電圧の波形を模式的に示すタイミングチャート
【図４】デッドタイムを周期的に変化させた場合における各部の信号および電圧の波形を模式的に示すタイミングチャート
【図５】上段にクロック信号の波形を示し、下段にクロック信号のデューティを示すタイミングチャート
【図６】信号生成回路およびチャージポンプ回路における周波数分布を表す図
【図７】回路動作をシミュレーションした結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、信号生成回路１は、外部から与えられるクロック信号ＣＬＫを用いて、矩形波信号に相当するクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する。この場合、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２は、チャージポンプ回路２で用いられるもので、図３に示すように、相補的に変化するとともに双方がオフを示すレベルとなるデッドタイムを有する。なお、この場合、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のハイレベルは回路の電源電圧ＶＤＤ（例えば５Ｖ）であり、ロウレベルは回路の基準電位ＧＮＤ（例えば０Ｖ）である。
【００１１】
信号生成回路１が備える信号生成部３は、周波数が例えば１０ｋＨｚで一定であり且つ５０％（＝０．５）のデューティを持つ２つの矩形波信号を生成する。そして、信号生成部３は、その生成した２つの矩形波信号について、平均デューティを５０％に維持しつつ、デッドタイムを周期的に変化させたものを、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２として出力する。なお、このようなデッドタイムを変化させる機能は、デッドタイム変化部４により実現される。
【００１２】
チャージポンプ回路２は、例えば車両に搭載される電子制御装置などに設けられるものであり、電源電圧ＶＤＤを２倍程度に昇圧して出力する。チャージポンプ回路１の出力電源線Ｌｏを介して出力される出力電圧Ｖｏは、図示しない負荷回路に供給される。本実施形態では、信号生成回路１およびチャージポンプ回路２は、半導体集積回路、つまりＩＣとして構成されている。なお、チャージポンプ回路２が備えるコンデンサＣ１、Ｃ２は、ＩＣの外部に設ける、いわゆる外付けの構成としてもよい。
【００１３】
電源電圧ＶＤＤが与えられる入力電源線Ｌｉと出力電源線Ｌｏの間には、スイッチＳ１、Ｓ２がこの順に直列接続されている。入力電源線Ｌｉと基準電位ＧＮＤが与えられるグランド線Ｌｇの間には、スイッチＳ３、Ｓ４がこの順に直列接続されている。スイッチＳ１、Ｓ２の相互接続ノードＮ１と、スイッチＳ３、Ｓ４の相互接続ノードＮ２の間には、コンデンサＣ１が接続されている。出力電源線Ｌｏとグランド線Ｌｇの間には、コンデンサＣ２が接続されている。
【００１４】
スイッチＳ１〜Ｓ４は、例えばＭＯＳトランジスタなどの半導体スイッチング素子により構成されている。スイッチＳ１の導通制御端子（例えばゲートなど）には、クロック信号ＣＬＫ２が与えられ、スイッチＳ２、Ｓ３の導通制御端子には、クロック信号ＣＬＫ１が与えられている。また、スイッチＳ４の導通制御端子には、インバータ回路５を介してクロック信号ＣＬＫ１を反転させた信号が与えられている。
【００１５】
スイッチＳ１〜Ｓ４は、その導通制御端子に与えられる信号がハイレベルのときにオンされるとともに、ロウレベルのときにオフされる。したがって、スイッチＳ１は、クロック信号ＣＬＫ２がハイレベルのときにオンされ、ロウレベルのときにオフされる。また、スイッチＳ２、Ｓ３は、クロック信号ＣＬＫ１がハイレベルのときにオンされ、ロウレベルのときにオフされる。また、スイッチＳ４は、クロック信号ＣＬＫ１がロウレベルのときにオンされ、ハイレベルのときにオフされる。
【００１６】
つまり、スイッチＳ１、Ｓ４と、スイッチＳ２、Ｓ３とは、相補的にオンオフされる。このようにスイッチＳ１〜Ｓ４がオンオフされることで、コンデンサＣ１への充放電が行われ、その結果、チャージポンプ回路１による昇圧動作が実現される。このとき、２つのノードＮ１、Ｎ２は、その電位がクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２に応じて変化するため、エミッションノイズ源となる。
【００１７】
クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２を生成する信号生成回路１の具体的な構成としては、例えば図２に示すような構成を採用することができる。この場合、信号生成回路１は、インバータ回路１１、１２、ＲＣフィルタ回路１３、切替部１４、ＡＮＤ回路１５およびＮＯＲ回路１６を備えている。
【００１８】
ＡＮＤ回路１５およびＮＯＲ回路１６のそれぞれの一方の入力端子には、クロック信号ＣＬＫが与えられている。ＡＮＤ回路１５およびＮＯＲ回路１６のそれぞれの他方の入力端子には、遅延クロック信号Ｆが与えられている。ＡＮＤ回路１５から出力される信号は、クロック信号ＣＬＫ１となる。また、ＮＯＲ回路１６から出力される信号は、クロック信号ＣＬＫ２となる。
【００１９】
遅延クロック信号Ｆは、クロック信号ＣＬＫを所定の遅延時間だけ遅延させた信号であり、次のように生成される。すなわち、クロック信号ＣＬＫをインバータ回路１１で反転させ、その反転した信号をＲＣフィルタ回路１３に入力し、ＲＣフィルタ回路１３の出力をインバータ回路１２により反転させた信号が、遅延クロック信号Ｆとなる。
【００２０】
ここで、ＲＣフィルタ回路１３は、その時定数を切り替え可能な構成となっている。ＲＣフィルタ回路１３の時定数は、カウンタなどから構成される切替部１４により切り替えられる。ＲＣフィルタ回路１３の時定数の切り替えに応じて、遅延クロック信号Ｆの遅延時間が切り替えられる。
【００２１】
この場合、ＲＣフィルタ回路１３は、その入出力端子間に直列接続された複数の抵抗Ｒａと、それら抵抗Ｒａのそれぞれに並列接続された複数のスイッチＳａと、その出力端子とグランド線Ｌｇ間に接続されたコンデンサＣａとを備えている。スイッチＳａは、切替部１４から与えられる切替信号に応じてオンオフされる。このような構成によれば、スイッチＳａのオンオフに応じて入出力端子間に接続される抵抗Ｒａの数を変更することができ、それにより、ＲＣフィルタ回路１３の時定数を切り替えることができる。
【００２２】
図３に示すように、上記構成の信号生成回路１により生成されるクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２は、相補的に変化するとともに双方がロウレベルとなるデッドタイムＴｄを有する。なお、図３では、説明の都合上、デッドタイムＴｄをやや誇張して示しているが、実際のデッドタイムＴｄはクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の１周期に比べ非常に短い時間となる。
【００２３】
この場合、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデッドタイムＴｄは、遅延クロック信号Ｆのクロック信号ＣＬＫに対する遅延時間に応じて定まるようになっている。したがって、ＲＣフィルタ１３の時定数の切り替えにより、デッドタイムＴｄを変化させることができる。
【００２４】
図４に示すように、デッドタイムＴｄを周期的に、例えば１周期毎に変化させると、それに伴い、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティ、ひいてはノイズ源となるノードＮ１、Ｎ２の信号（以下、ノイズ源信号と呼ぶ）のデューティも変化する。なお、図４では、デッドタイムおよびデューティの変化幅について、分かり易くするために誇張して示している。
【００２５】
また、図４では、デッドタイムＴｄについて、Ｔｄ（小）、Ｔｄ（中）、Ｔｄ（大）の３段階に変化させている。なお、デッドタイムＴｄの値は、「Ｔｄ（小）＜Ｔｄ（中）＜Ｔｄ（大）」という関係となっている。図４に示すように、デッドタイムＴｄが最も小さいＴｄ（小）のときにノードＮ１、Ｎ２の信号のデューティが最も大きくなり、デッドタイムＴｄが最も大きいＴｄ（大）のときにノードｎ１、Ｎ２の信号のデューティが最も小さくなっている。すなわち、上記構成ではクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデッドタイムＴｄが小さくなるほどノードＮ１、Ｎ２の信号のデューティが大きくなり、デッドタイムＴｄが大きくなるほどノードＮ１、Ｎ２の信号のデューティが小さくなるようになっている。
【００２６】
本実施形態の信号生成回路１は、ＲＣフィルタ回路１３の時定数を周期的に切り替えることで、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデッドタイムＴｄを周期的に切り替えるようになっている。ただし、この場合、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２、ひいてはノイズ源信号の平均デューティを５０％に維持しつつ、デッドタイムＴｄの切り替えが行われる。なお、本実施形態では、上記切り替えは、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の１周期毎に行われるようになっている。
【００２７】
この場合、図５に示すように、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティが、徐々に上昇して上限に達すると減少に転じ、徐々に減少して下限に達すると再び上昇に転じる、といった具合に緩やかに且つ規則性を持って変化するように、デッドタイムＴｄを変化させている。具体的には、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティがサイン波状に変化するようにデッドタイムＴｄを変化させている。このようにすれば、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２およびノイズ源信号の平均デューティを５０％に維持しつつ、それら各信号のデューティを周期的に変化させることができる。なお、前述したとおり、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の周波数については、一定となるようにしている。
【００２８】
ここで、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティがあまりにも大きく変化すると、チャージポンプ回路２の昇圧効率の低下や出力電圧Ｖｏの許容を超える変動を招くおそれがあり、さらには昇圧動作が正常に行えなくなるおそれもある。そこで、この場合、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティの上限および下限が、チャージポンプ回路２が所望する動作を実行可能な範囲となるように、デッドタイムＴｄの切り替えが行われるようになっている。
【００２９】
なお、上述したように、信号生成回路１では、デッドタイムＴｄの変化に伴ってクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティを変化させるようにしているが、それらの平均デューティはあくまでも５０％に維持されている。つまり、本実施形態の信号生成回路１は、制御対象の状態を目標とする状態に制御するためにデューティを変化させるＰＷＭ制御を行うものではない。
【００３０】
以上説明した本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
信号生成回路１は、チャージポンプ回路２に用いられるクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２について、平均デューティが５０％となるように維持しつつ、デッドタイムＴｄを周期的に変化させるようにしている。クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデッドタイムが周期的に変化することにより、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２、ひいてはノイズ源信号のデューティが周期的に変化する。これにより、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２およびノイズ源信号に含まれる高調波成分が拡散される。
【００３１】
その結果、本実施形態におけるスペクトラム（周波数分布）を表す図６から明らかなように、奇数次の高調波成分のピークが、デッドタイムＴｄを変化させない従来技術に比べて低く抑えられる。そのため、スペクトラムの包絡線が規格線を上回ることはく、エミッションノイズに関する規格を満足することができる。なお、図６では、本実施形態との比較のため、デッドタイムＴｄを変化させない従来技術におけるスペクトラムを点線で示している。ちなみに、この場合、偶数次の高調波成分のピークは、従来技術に比べて若干高くなるが、偶数次の高調波のピークは元々低いため、偶数次の高調波成分についてもエミッションノイズに関する規格を十分に満足することができる。
【００３２】
このように本実施形態によれば、フィルタや外付け容量などのノイズ対策部品回路規模を用いることなく、高調波成分のノイズを低減することができるという優れた効果が得られる。このような本実施形態により得られる効果は、回路動作をシミュレーションした結果を示す図７からも明らかである。
【００３３】
このシミュレーションでは、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティの上限を５３％にするとともに下限を４７％としている。また、この場合、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の１周期毎にデューティが１％ずつ変化するように、デッドタイムＴｄを変化させている。さらに、この場合、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の周波数は、１０ｋＨｚとしている。
【００３４】
図７に示すように、本実施形態によれば、クロック信号のデューティが５０％に固定された従来技術に対し、ほぼ全周波数帯にわたって奇数次の高調波成分のピークが低くなっている。特に、ＡＭ帯においては、５ｄＢほどの低減効果が得られていることが分かる。ＡＭ帯でのノイズ低減効果は、信号生成回路１およびチャージポンプ回路２が、ラジオノイズへの配慮が必要となる車載用途に用いられる場合、非常に有益なものとなる。
【００３５】
また、信号生成回路１では、２つのクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の周波数は一定であり且つ平均デューティは５０％に維持されている。そのため、チャージポンプ回路２は、クロック信号のデューティを５０％に固定した従来技術と同等の動作を行うことができる。つまり、本実施形態によれば、チャージポンプ回路２の本来の動作を損なうことなく、高調波成分のノイズを低減することができる。
【００３６】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で任意に変形、組み合わせ、あるいは拡張することができる。
上記実施形態では、デッドタイムＴｄの変化は、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の１周期毎に行うようにしたが、これに限らずともよく、例えばクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の複数周期毎に行ってもよいし、不規則に変化させてもよい。
【００３７】
クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の平均デューティは、奇数次の高調波のピーク値が偶数次の高調波のピーク値よりも大きくなるようなデューティであればよく、例えば５０％よりも若干大きい値や若干小さい値（５０％程度の値）でもよい。このような平均デューティであっても、本実施形態による高調波成分のノイズ低減効果が得られる。
デッドタイムＴｄの変化のさせ方としては、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティが緩やかに且つ規則的に変化するものに限らずともよく、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のデューティが急峻に変化するものでもよいし、不規則に変化するものでもよい。
【００３８】
上記実施形態では、クロック信号ＣＬＫ１の立ち下がりとクロック信号ＣＬＫ２の立ち上がりとの間のデッドタイムＴｄと、クロック信号ＣＬＫ２の立ち下がりとクロック信号ＣＬＫ１の立ち上がりとの間のデッドタイムとの両方を変化させることで、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の両方のデューティを変化させるようにしていたが、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２の少なくとも一方のデューティを変化させるようにデッドタイムを変化させてもよい。このようにした場合でも、クロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２のうち少なくとも一方に含まれる高調波成分が拡散されるため、高調波ノイズの低減効果が得られる。
【００３９】
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００４０】
１…信号生成回路、２…チャージポンプ回路、３…信号生成部、４…デッドタイム変化部。
【図１】
2018042430.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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