(57)【要約】この方法は、出力電流を提供するためにスイッチングデバイスを用いることと、スイッチングデバイスを、パルス幅変調（ＰＷＭ）モードで機能する第１の制御回路で制御すること、または、別の様態として、パルス周波数変調（ＰＦＭ）モードで機能する第２の制御回路で制御することとによって、調節された出力電圧および出力電流を生成することについて記載する。第２のフィードバック回路は、第２の制御回路に含まれ、時間遅延は、パルス周波数の制限を導入するため、第２のフィードバック回路に導入される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧レギュレータによって実行される方法であって、該方法は、
調節された出力電圧および出力電流を生成する工程であって、該レギュレータの出力端子は、スイッチングデバイス（１）を用いて該出力電流を提供し、該スイッチングデバイス（１）はオン状態およびオフ状態を有する、工程と、
パルス幅変調（ＰＷＭ）モードで機能する第１の制御回路を用いて該スイッチングデバイス（１）を制御する工程であって、該第１の制御回路は、
該出力端子において該調節された出力電圧に対応するデューティサイクルを有する方形波を出力する方形波生成器（２）であって、該方形波生成器は、該スイッチングデバイスのオンおよびオフ状態を制御する、方形波生成器（２）と、
該出力電圧に対応する電圧と第１の基準電圧との間の差に基づいて誤差信号を生成し、該誤差信号に応答して、該方形波生成器（２）のデューティサイクルを変化させて、該出力電圧を所定の電圧レベルにする、第１のフィードバック回路と、
を含む、工程と、
第２の制御回路を用いて、該スイッチングデバイス（１）を制御する工程であって、該第２の制御回路は、
固定されたデューティサイクルを有するスイッチング信号を出力する信号生成器（２）であって、該信号生成器（２）は、該スイッチングデバイス（１）のオン状態およびオフ状態を制御する、信号生成器（２）と、
パルス周波数変調（ＰＦＭ）モードで機能する該第２のフィードバック回路と
含む、工程と、
を包含し、パルス周波数の制限を導入するために該第２のフィードバック回路に時間遅延が導入される、方法。
【請求項２】
前記スイッチングデバイス（１）を流れる前記電流が電流比較器（７）によって感知され、前記出力電圧が第１の電圧比較器（３）によって感知される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電流比較器（７）は、前記電流がパルスの立ち上がりで所定レベルを超える状況を検出する場合、前記スイッチングデバイス（１）をオフにし、前記時間遅延をオンにするように設定され、
前記第１の電圧比較器（３）は、前記出力電圧が所望の出力電圧より低下する状況を検出する場合、該スイッチングデバイス（１）をオンにするように設定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記時間遅延は、該時間遅延がオフになるまで前記スイッチングデバイス（１）をオンにさせないように、前記第２のフィードバック回路に導入される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記出力電圧が、所望の出力電圧よりも、所定量、例えば６０ｍＶ低下する場合、該出力電圧は、前記ＰＦＭモードから前記ＰＷＭモードへと切返す第２の電圧比較器（４）によって感知される、上記の請求項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
ドライバ回路（２）を、前記ＰＷＭモードにおいて前記方形波生成器として用い、前記ＰＦＭモードにおいて信号生成器として用いる工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記のスイッチングデバイス（１）がトランジスタ、特にパワートランジスタであることを特徴とする、上記の請求項のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、概して、電圧レギュレータ、具体的には、バックコンバータ原理に従って動作するスイッチ式電圧レギュレータの分野に関する。
【０００２】
ＤＣ電源によって駆動されるコンピュータプロセッサあるいは他の負荷のような電子デバイスは、動作のために、１つ以上の安定したＤＣ供給電圧を必要とすることが非常に多い。従来、これらのＤＣ供給電圧は、典型的な変圧器および整流器、ならびに適切なキャパシタおよびフィルタを用いて、ＡＣ供給電圧を所定のＤＣ電圧に変換するＡＣ−ＤＣコンバータの助けによって得られていた。しかし、コンピュータプロセッサおよび論理ＩＣなどの電子負荷の電圧の要件は、ＤＣ電圧の安定性について比較的高い。理由の１つとして、処理回路が、いろいろな時点で異なる量のデータを処理し得ること、すなわち、回路の仕事量が大幅に変動し、それにしたがってエネルギー要件が大幅に変動することがある。このような負荷は、調節可能であり、明確に規定されるＤＣ供給電圧から大きな利益を受け得る。
【０００３】
出力電圧を監視し、フィードバックを用いて出力電圧を一定に保つことによって、予め決められた値の一定の出力電圧を提供する従来型の電圧レギュレータ回路がある。典型的なパルス幅変調（ＰＭＷ）レギュレータ回路において、方形波が、スイッチングデバイスの制御端子へ供給されてそのデバイスのオンの状態およびオフの状態を制御する。スイッチングデバイスのオン時間を増加させることは出力電圧を増加させ、オフ時間を増加させることは出力電圧を低減させるので、出力電圧は、方形波のデューティサイクルを操作することによって制御され得る。この操作は、出力電圧と基準電圧とを連続的に比較し、方形波のデューティサイクルを調整して一定の出力電圧を維持する制御回路によって達成される。
【０００４】
ＵＳ−ＰＳ  ５，９４５，８２０号は、固定幅パルスを用いて瞬間スイッチングレートで動作されるＤＣ−ＤＣバックコンバータを用いて、供給されたＤＣ電圧を、負荷を駆動するためのＤＣ出力電圧に変換するＤＣ−ＤＣスイッチ式レギュレータを開示している。レギュレータは、この瞬間スイッチングレートに基づいて次に続くスイッチングレートを計算するためのフィードバック、リング発振器によって出力電圧から導かれる出力周波数、ならびに負荷の周波数信号デバイスまたは周波数信号ポートによって提供される所望の周波数を有する。所望の周波数を変えることによって、負荷はその電力要求を伝える。レギュレータは、低電力方式において、高電力レベルで用いられ得る。
【０００５】
他のタイプの電圧レギュレータは、本明細書中で参考として援用される、ＷＯ９６／１０２８７号に記載されている。このタイプの電圧レギュレータはバックコンバータとも呼ばれており、パルス周波数変調（ＰＦＭ）モードとパルス幅変調（ＰＷＭ）モードとの間で自動的にスイッチングすることによって高い効率を達成する。電圧調節のモード間のスイッチングは、出力電圧および出力電流を監視することによって達成されるが、レギュレータは、低い出力電流ではＰＦＭモードで動作し、中程度の出力電流から高い出力電流ではＰＷＭモードで動作する。ＰＦＭモードは、出力電圧が公称値を超える時はスイッチングデバイスにサイクルを飛越えさせることによって、一定の出力電圧を維持する。ＰＷＭモードでは、可変デューティサイクルを有するＰＷＭ信号がスイッチングデバイスを制御する。出力電圧の変動に従ってＰＷＭ信号のデューティサイクルを変えるフィードバック回路によって、一定の出力電圧が維持される。システムは、ＰＦＭモードの電圧調節では、ＰＷＭモードよりも、小さい出力電流レベルでより良好な効率を提供する。
【０００６】
前述のように、ＰＦＭはバック派生コンバータの１モードであり、非常に低い負荷電流に対して使用される。このモードでは、コンバータは比較器で出力電圧を感知するが、比較器は出力電圧が低すぎるときに起動する。比較器は、インダクタを流れる電流が決まった値に達するまで、スイッチング素子すなわちパワートランジスタをオンにし、この値で出力トランジスタはオフされる。従って、コンバータの周波数は、負荷に依存して変動する。ＰＦＭモードにおいて起こる問題のうちの１つとして、ＤＣ／ＤＣコンバータが過負荷になるときがある。依然として解決されていないさらなる問題は、ＰＦＭモードからＰＷＭモードへとスイッチを切返すこと、特に、コンバータをＰＦＭからＰＷＭへとスイッチングすることができるデジタル信号を見つけることである。
【０００７】
例えばＬｉｎｅａｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｘｉｍの製品のような、ほとんどの市販の製品において、ＰＦＭモードにおいて過負荷状態になる場合にＰＷＭモードに変更するときを決めるために、負荷電流感知方式が使用されている。
【０００８】
従って、本発明の目標の１つとして、上記の問題に対応する、電圧レギュレータによって実行される方法を提供することがある。具体的には、本発明の目標の１つは、ＰＦＭモードの実行中に起こる過負荷状態の解決策を提供することである。本発明のさらなる目標として、ＰＦＭモードからＰＷＭモードへのスイッチを提供することがある。
【０００９】
これらの目標は、上掲の請求項１に記載の特徴によって解決される。例示的かつ有用な実施形態が従属請求項に与えられている。
【００１０】
本発明の重要な局面の１つは、電圧レギュレータによって実行される方法においては、ＰＦＭモードではパルス周波数の制限が導入されることである。パルス周波数は、電圧レギュレータの第２のフィードバック回路、すなわち、ＰＦＭモードのフィードバック回路に時間遅延を導入することによって有効に制限される。この時間遅延に起因して、生成されかつＬＣフィルタへ出力されたパルスはそのうち拡がり、パルス周波数は有効に制限される。
【００１１】
本発明は、具体的には、電圧レギュレータによって実行される方法であって、該方法は、調節された出力電圧および出力電流を生成する工程であって、該レギュレータの出力端子は、スイッチングデバイスを用いて該出力電流を提供し、該スイッチングデバイスはオン状態およびオフ状態を有する、工程と、パルス幅変調（ＰＷＭ）モードで機能する第１の制御回路を用いて該スイッチングデバイスを制御する工程であって、該第１の制御回路は、該出力端子において該調節された出力電圧に対応するデューティサイクルを有する方形波を出力する方形波生成器であって、該方形波生成器は、該スイッチングデバイスのオンおよびオフ状態を制御する、方形波生成器と、該出力電圧に対応する電圧と第１の基準電圧との間の差に基づいて誤差信号を生成し、該誤差信号に応答して、該方形波生成器のデューティサイクルを変化させて、該出力電圧を所定の電圧レベルにする、第１のフィードバック回路と、を含む、工程と、第２の制御回路を用いて、該スイッチングデバイスを制御する工程であって、該第２の制御回路は、固定されたデューティサイクルを有するスイッチング信号を出力する信号生成器であって、該信号生成器は、該スイッチングデバイスのオン状態およびオフ状態を制御する、信号生成器と、パルス周波数変調（ＰＦＭ）モードで機能する第２のフィードバック回路と含む、工程と、を包含し、パルス周波数の制限を導入するために第２のフィードバック回路に時間遅延が導入される方法に関する。
【００１２】
第２のフィードバック回路は、スイッチングデバイスを流れる電流を感知する電流比較器および電圧レギュレータの出力電圧を感知する第１の電圧比較器を含み得る。電流比較器は、電流がパルスの立ち上がりで予め決められたレベルを超える状況を検出する場合に、スイッチングデバイスをオフにし、時間遅延をオフにするように設定され得る。電圧比較器は、出力電圧が所望の出力電圧よりも低下する状況を検出する場合に、スイッチングデバイスをオンにするように設定され得る。
【００１３】
時間遅延は、時間遅延がオフになるまでスイッチングデバイスをオンにさせないように、第２のフィードバック回路に導入され得る。
【００１４】
電圧レギュレータは、出力電圧が、所望の出力電圧よりも、所定量、例えば、６０ｍＶ低下する場合、ＰＦＭモードからＰＷＭモードへと切返す第２の電圧比較器をも含み得る。レギュレータの出力電圧は第２の電圧比較器によって感知され、第２の電圧比較器は、出力電圧が、所望の出力電圧よりも、所定量より大きな量低下する場合、デジタル信号を出力する。その後、このデジタル信号は、ＰＦＭモードからＰＷＭモードへと切返す。
【００１５】
本発明の方法において用いられるような電圧レギュレータの実施形態において、ドライバ回路は、ＰＦＭモードにおける信号生成器と同様に、ＰＷＭモードにおける方形波生成器として使用され得る。
【００１６】
スイッチングデバイスは、トランジスタ、特にパワートランジスタから構成され得る。
【００１７】
以下に、実施形態の細部、ならびに出力電圧およびインダクタ電流を示す可能なスイッチング方式の細部を、添付の図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１に示されるインダクタ電流の時間変動（ａ）および出力電圧の時間変動（ｂ）は、電流比較器がいわゆるピーク電流すなわち所定の電流レベルを検出し、そのピーク電流を検出した際にスイッチングデバイスをオフにする場合に時間遅延が引き起こされる一実施形態を示す。一方、第１の電圧比較器は、出力電圧が所望の出力電圧と同等になる状況を検出し、検出した際に出力トランジスタをオンにする。
【００１９】
図２に示される回路図は、ＰＦＭモードを実行する電圧レギュレータ回路の一部のみの図である。この回路図は、ＰＷＭモードの制御部、または、いつＰＦＭモードもしくはＰＷＭモードになる必要があるかを判定するデジタル制御部のいずれも含んでいない。バックコンバータスイッチングメカニズムの細部について、本明細書中で参考として援用されるＷＯ９６／１０２８７が再度参照される。図示されたスイッチング回路の部品およびデバイスは番号が付けられ、添付の参照符号のリストに記載されている。
【００２０】
スイッチングデバイス１は、オン状態およびオフ状態を有し、かつＰＦＭモードにおける信号生成器として機能するドライバ２によって制御される、パワートランジスタである。ドライバ２はＰＷＭモードおよびＰＦＭモードで共用可能であり、ＰＷＭモードにおいて方形波生成器として使用可能である。
【００２１】
最新の技術に対しての差は、ＰＦＭモードのフィードバック回路に時間遅延を導入することによって、周波数制限を導入することにある。パワートランジスタ１がオンにされる場合、あるいは、さらに良好には、（図１のように）オフにされる場合、時間遅延が引き起こされる。時間遅延がオフになる前に電圧比較器が起動する場合、過負荷状態が起こる。ＰＷＭへと切返すためにこの信号を使うことができる。周波数制限は、時間遅延がオフになるまでパワートランジスタをオンにさせないことによっても行われ得る。周波数は負荷電流に比例しているので、これも電流制限であり、出力電圧は低下し、第２の電圧比較器４のような他の電圧比較器がこの状態を感知し得る。第２の電圧比較器４によって感知されるより低い電圧は、当然、本明細書の電圧範囲内にある必要がある。これによって、ＰＦＭモードにおけるコンバータが短期間の間過負荷になり得る一時的状態も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の方法に従って機能する電圧レギュレータのインダクタ電流の時間変動（ａ）および出力電圧の時間変動（ｂ）の図である。
【図２】
図２は、本発明の方法による、ＰＦＭモードを実行する電圧レギュレータ回路の一部を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年1月29日(2003.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧レギュレータによって実行される方法であって、該方法は、
調節された出力電圧および出力電流を生成する工程であって、該レギュレータの出力端子は、スイッチングデバイス（１）を用いて該出力電流を提供し、該スイッチングデバイス（１）はオン状態およびオフ状態を有する、工程と、
パルス幅変調（ＰＷＭ）モードで機能する第１の制御回路を用いて該スイッチングデバイス（１）を制御する工程であって、該第１の制御回路は、
該出力端子において該調節された出力電圧に対応するデューティサイクルを有する方形波を出力する方形波生成器（２）であって、該方形波生成器は、該スイッチングデバイスのオンおよびオフ状態を制御する、方形波生成器（２）と、
該出力電圧に対応する電圧と第１の基準電圧との間の差に基づいて誤差信号を生成し、該誤差信号に応答して、該方形波生成器（２）のデューティサイクルを変化させて、該出力電圧を所定の電圧レベルにする、第１のフィードバック回路と、
を含む、工程と、
第２の制御回路を用いて、該スイッチングデバイス（１）を制御する工程であって、該第２の制御回路は、
固定されたデューティサイクルを有するスイッチング信号を出力する信号生成器（２）であって、該信号生成器（２）は、該スイッチングデバイス（１）のオン状態およびオフ状態を制御する、信号生成器（２）と、
パルス周波数変調（ＰＦＭ）モードで機能する該第２のフィードバック回路と
含む、工程と、
を包含し、パルス周波数の制限を導入するため、時間遅延は、該スイッチングデバイス（１）がオンまたはオフにされる場合に該時間遅延が引き起こされ、該時間遅延がオフになるまで該スイッチングデバイス（１）をオンにさせないように、該時間遅延は該第２のフィードバック回路に導入される、方法。
【請求項２】
前記スイッチングデバイス（１）を流れる前記電流が電流比較器（７）によって感知され、前記出力電圧が第１の電圧比較器（３）によって感知される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電流比較器（７）は、前記電流がパルスの立ち上がりで所定レベルを超える状況を検出する場合、前記スイッチングデバイス（１）をオフにし、前記時間遅延をオンにするように設定され、
前記第１の電圧比較器（３）は、前記出力電圧が所望の出力電圧より低下する状況を検出する場合、該スイッチングデバイス（１）をオンにするように設定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記出力電圧が、所望の出力電圧よりも、所定量、例えば６０ｍＶ低下する場合、該出力電圧は、前記ＰＦＭモードから前記ＰＷＭモードへと切返す第２の電圧比較器（４）によって感知される、上記の請求項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
ドライバ回路（２）を、前記ＰＷＭモードにおいて前記方形波生成器として用い、前記ＰＦＭモードにおいて信号生成器として用いる工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記のスイッチングデバイス（１）がトランジスタ、特にパワートランジスタであることを特徴とする、上記の請求項のいずれか１つに記載の方法。
【国際調査報告】
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