(57)【要約】【課題】半導体デバイスに安定的に電源供給可能な電源装置を提供する。【解決手段】ＤＵＴ１の電源端子には、負荷容量ＣＬが接続される。電流検出部３０は、電源装置１００から出力される出力電流Ｉｏｕｔを検出する。非線形制御部２０は、ＤＵＴ１の電源端子に流れ込む負荷電流ＩＬが変動する第１タイミングから、負荷電流ＩＬと出力電流Ｉｏｕｔとが一致する第２タイミングまでの第１期間に、負荷容量ＣＬに充放電される電荷量と、第２タイミングから、制御を終了する第３タイミングまでの第２期間に、負荷容量ＣＬに充放電される電荷量と、がバランスするように、その出力量Ｓｏｕｔ２を制御する。【選択図】図２
2012122879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源端子にキャパシタが接続されている半導体デバイスに、電源ラインを介して電力を供給する電源装置であって、
前記電源装置から出力される出力電流を検出する電流検出部と、
前記半導体デバイスの電源端子に流れ込む負荷電流が変動する第１タイミングから、前記負荷電流と前記出力電流とが一致する第２タイミングまでの第１期間に、前記キャパシタに充放電される電荷量と、前記第２タイミングから、制御を終了する第３タイミングまでの第２期間に、前記キャパシタに充放電される電荷量と、がバランスするように、その出力量を制御する非線形制御部と、
を備えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記非線形制御部は、
前記半導体デバイスの電源端子に流れ込む負荷電流を計算する負荷電流演算部と、
前記キャパシタに充放電される電荷量を計算する電荷量演算部と、
前記負荷電流および前記電荷量にもとづき、前記第１期間の電荷量と、前記第２期間の電荷量がバランスするように、前記出力量を計算する出力量演算部と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記負荷電流演算部は、
前記電源端子の電源電圧の微分値に前記キャパシタの容量値を乗ずることにより、前記キャパシタに対する充放電電流を算出し、前記出力電流から当該充放電電流を減ずることにより前記負荷電流を算出することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記電荷量演算部は、前記負荷電流と前記出力電流の差分を積分することにより、前記電荷量を算出することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項５】
前記電荷量演算部は、前記充放電電流を積分することにより、前記電荷量を算出することを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
【請求項６】
前記第１期間の長さはあらかじめ定められていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項７】
前記出力量演算部は、前記第１期間において、前記出力電流が単調変化するように、前記出力量を制御することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項８】
前記第２期間の長さはあらかじめ定められていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項９】
前記出力量演算部は、前記第２期間において、前記出力電流が一定値となるように、前記出力量を制御することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項１０】
前記出力量演算部は、前記出力電流が単調変化し、かつ前記第２期間の終点である前記第３タイミングにおいて前記出力電流が前記負荷電流と等しくなるように、前記出力量を制御することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項１１】
前記出力量演算部は、前記出力電流が指数関数的に変化し、かつ前記第２期間の終点である前記第３タイミングにおいて前記負荷電流と等しくなるように、前記出力量を制御することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項１２】
前記電源端子の電源電圧が所定の基準電圧と一致するように、その出力量を制御する線形制御部と、
負荷の変動を検出する負荷変動検出部と、
前記線形制御部の出力量と前記非線形制御部の出力量を受け、前記負荷変動検出部の検出結果に応じた一方を選択して出力するセレクタと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の電源装置。
【請求項１３】
前記負荷変動検出部は、
前記電源電圧と前記基準電圧の差分が所定のしきい値電圧を超えたとき、負荷変動状態と判定することを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
【請求項１４】
前記負荷変動検出部は、
前記電源電圧と前記基準電圧の差分にもとづき、負荷変動を検出することを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
【請求項１５】
前記負荷変動検出部は、
前記出力電流にもとづき、負荷変動を検出することを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
【請求項１６】
前記負荷変動検出部は、
前記電荷量の微分値にもとづき、負荷変動状態を検出することを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
【請求項１７】
前記負荷変動検出部は、
前記負荷電流の微分値にもとづき、負荷変動状態を検出することを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
【請求項１８】
被試験デバイスに対して電源を供給する請求項１から１７のいずれかに記載の電源装置を備えることを特徴とする試験装置。
【請求項１９】
電源端子にキャパシタが接続されている半導体デバイスに、電源ラインを介して電力を供給する電源装置の制御方法であって、
前記電源装置の制御端子から出力される出力電流を検出するステップと、
前記半導体デバイスの電源端子に流れ込む負荷電流が変動する第１タイミングから、前記負荷電流と前記出力電流とが一致する第２タイミングまでの第１期間に、前記キャパシタに充放電される電荷量と、前記第２タイミングから、制御を終了する第３タイミングまでの第２期間に、前記キャパシタに充放電される電荷量と、がバランスするように、出力量を制御するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記出力量を制御するステップは、
前記半導体デバイスの電源端子に流れ込む負荷電流を計算するステップと、
前記キャパシタに充放電される電荷量を計算するステップと、
前記負荷電流および前記電荷量にもとづき、前記第１期間の電荷量と、前記第２期間の電荷量がバランスするように、前記制御端子から出力する前記出力量を計算するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記出力量を計算するステップは、
前記電源端子の電源電圧の微分値に前記キャパシタの容量値を乗ずることにより、前記キャパシタに対する充放電電流を算出し、前記出力電流から前記充放電電流を減ずることにより前記負荷電流を算出することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記電荷量を計算するステップは、前記負荷電流と前記出力電流の差分を積分することにより、前記電荷量を算出することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記電荷量を計算するステップは、前記充放電電流を積分することにより、前記電荷量を算出することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
電源端子にキャパシタが接続されている半導体デバイスに、電源ラインを介して電力を供給する電源装置の制御方法であって、
前記電源装置の制御端子から出力される出力電流を検出するステップと、
負荷の変動を検出し、定常状態と過渡状態を判定するステップと、
前記負荷の定常状態において、前記電源端子の電源電圧が所定の基準電圧と一致するように出力量を制御するステップと、
前記負荷の過渡状態において、前記半導体デバイスの電源端子に流れ込む負荷電流が変動する第１タイミングから、前記負荷電流と前記出力電流とが一致する第２タイミングまでの第１期間に、前記キャパシタに充放電される電荷量と、前記第２タイミングから、制御を終了する第３タイミングまでの第２期間に、前記キャパシタに充放電される電荷量と、がバランスするように、出力量を制御するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスに電力を供給する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試験装置は、被試験デバイス（ＤＵＴ）に電源電圧もしくは電源電流（以下、電源電圧Ｖｄｄという）を供給する電源装置を備える。図１は、従来の電源装置を模式的に示すブロック図である。電源装置１１００は、電源出力部１０２６と、電源出力部１０２６を制御する周波数制御コントローラ（以下、コントローラという）１０２４を備える。たとえば電源出力部１０２６は、オペアンプ（バッファ）、ＤＣ／ＤＣコンバータやリニアレギュレータ、あるいは定電流源であり、ＤＵＴ１に供給すべき電源電圧もしくは電源電流（出力信号ＯＵＴ）を生成する。
【０００３】
ＤＵＴ１の電源端子の直近には、デカップリングキャパシタＣ１が設けられ、また電源装置１１００の出力端子とＤＵＴ１の電源端子の間は、ケーブルを介して接続される。電源装置１１００の制御対象は、電源出力部１０２６の出力信号ＯＵＴではなく、実際にＤＵＴ１の電源端子に印加される電源電圧Ｖｄｄである。従来においてコントローラ１０２４は、フィードバックされた観測値（制御対象）と所定の参照値（基準値）の差分値がゼロとなるように、制御値を出力する。観測値としては、ＤＵＴ１に供給される電源電圧や電源電流などに応じたフィードバック信号が例示される。たとえば図１に減算器のシンボルで示される回路要素１０２２は、誤差増幅器（演算増幅器）であり、観測値と基準値の誤差を増幅する。アナログのコントローラ１０２４は、誤差がゼロとなるように制御値を生成する。電源出力部１０２６の状態は、制御値に応じてフィードバック制御され、その結果、制御対象である電源電圧Ｖｄｄが目標値に安定化される。制御対象１０１０を制御する際に考慮すべきパラメータは、寄生パラメータ１０３０として模式的に示される。寄生パラメータ１０３０には、電源ケーブルや電源装置１１００内部の寄生抵抗、寄生容量、寄生インダクタなどが含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５２９４００号公報
【特許文献２】特許第２５２６８５９号公報
【特許文献３】特開平５−３１３７６０号公報
【特許文献４】特開平２−１２３９８６号公報
【特許文献５】特開平９−１７８８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来では、コントローラ１０２４はアナログ回路を用いて構成されていた。したがってその総合的な性能は、それを構成するアナログ素子の性能で固定的に決定されるという問題がある。また制御対象１０１０には、負荷電流変動や周辺のデカップリングキャパシタＣ１の影響が含まれる。それに加えて、寄生パラメータ１０３０の影響も考慮してコントローラ１０２４を設計した場合、結果として複雑かつ部品点数が多くなってしまう。
【０００６】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、半導体デバイスに安定的に電源供給可能な電源装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、その電源端子にキャパシタが接続されている半導体デバイスに、電源ラインを介して電力を供給する電源装置に関する。この電源装置は、電源装置から出力される出力電流を検出する電流検出部と、半導体デバイスの電源端子に流れ込む負荷電流が変動する第１タイミングから、負荷電流と出力電流とが一致する第２タイミングまでの第１期間に、キャパシタに充放電される電荷量と、第２タイミングから、制御を終了する第３タイミングまでの第２期間に、キャパシタに充放電される電荷量と、がバランスするように、その出力量を制御する非線形制御部と、を備える。
この態様によると、キャパシタの放電電荷量および充電電荷量を適宜計算し、第１期間における放電電荷量（充電電荷量）と、第２期間における放電電荷量（充電電荷量）とが一致するように出力量を制御することにより、電源電圧の変動量を抑制し、あるいは変動量の安定化時間を短くできる。あるいは意図的に、電源電圧の変動量や安定化時間を制御することができる。
【０００８】
ある態様の電源装置は、電源端子の電源電圧が所定の基準電圧と一致するように、その出力量を制御する線形制御部と、負荷の変動を検出する負荷変動検出部と、線形制御部の出力量と非線形制御部の出力量を受け、負荷変動検出部の検出結果に応じた一方を選択し、制御端子から出力するセレクタと、をさらに備えてもよい。
この態様によれば、負荷の状態に応じて、線形制御と非線形制御を切りかえることにより、電源電圧をより安定化できる。
【０００９】
本発明の別の態様は、試験装置である。この試験装置は、被試験デバイスに対して電源を供給する上述のいずれかの態様の電源装置を備える。
【００１０】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のある態様によれば、半導体デバイスに安定的に電源供給可能な電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の電源装置を模式的に示すブロック図である。
【図２】実施の形態に係る電源装置を備える試験装置示すブロック図である。
【図３】図２の非線形制御部による非線形制御モードの動作を示す波形図である。
【図４】図２の電源装置の具体的な構成例を示すブロック図である。
【図５】図２の電源装置の状態遷移図である。
【図６】図２の電源装置の第１の制御を示すタイムチャートである。
【図７】第１期間における制御のアルゴリズムを示す図である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、第２期間における制御のアルゴリズムを示す図である。
【図９】図２の電源装置の第２の制御を示すタイムチャートである。
【図１０】第２の制御を行った場合の、電源電圧および出力電流のシミュレーション波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１４】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００１５】
図２は、実施の形態に係る電源装置１００を備える試験装置２示すブロック図である。試験装置２は、ＤＵＴ１に信号を与え、ＤＵＴ１からの信号を期待値と比較して、ＤＵＴ１の良否や不良箇所を判定する。
【００１６】
試験装置２は、ドライバＤＲ、コンパレータ（タイミングコンパレータ）ＣＰ、電源装置１００などを備える。ドライバＤＲは、ＤＵＴ１に対して試験信号を出力する。この試験信号は図示しないタイミング発生器ＴＧ、パターン発生器ＰＧおよび波形整形器ＦＣ（いずれも不図示）などによって生成され、ドライバＤＲに入力される。ＤＵＴ１が出力する信号は、コンパレータＣＰに入力される。コンパレータＣＰは、ＤＵＴ１からの信号を所定のしきい値と比較し、比較結果を適切なタイミングでラッチする。コンパレータＣＰの出力は、その期待値と比較される。以上が試験装置２の概要である。
【００１７】
以下、実施の形態に係る電源装置１００について詳細に説明する。電源装置１００は、電源ラインＬＶＤＤを介してＤＵＴ１の電源端子Ｐ１と接続される。ＤＵＴ１の電源端子Ｐ１の直近には、バイパスコンデンサ（キャパシタＣ１）が接続されている。なお図２のキャパシタＣ１および電源ラインＬＶＤＤの寄生容量、電源端子Ｐ１と基板間の容量などの合成容量を、負荷容量ＣＬと総称する。なお、実施の形態に係る電源装置１００の制御においては、この負荷容量ＣＬの値が既知であることを前提とするため、あらかじめ実測、あるいはシミュレーションなどによって、その値を求めておく。また電源端子Ｐ１に与えられる電圧を、電源電圧Ｖｄｄと称する。寄生パラメータ４は、図１で説明したのと同様、出力量ＶＳを制御する際に考慮すべきパラメータを模式的に示す。つまり寄生パラメータ４は、実際の回路において明示的な要素として存在するわけではない。
【００１８】
電源装置１００は、線形制御部１０、加算器１２、非線形制御部２０、電流検出部３０、セレクタ４０、負荷変動検出部４２を備える。電源装置１００は、アナログ回路で構成されても、デジタル回路で構成されても、あるいはそれらのハイブリッドで構成されてもよい。
【００１９】
電源装置１００は、負荷の状態に応じて、その出力量Ｓｏｕｔを制御する。出力量Ｓｏｕｔは、出力電圧ＶＳと出力電流Ｉｏｕｔのいずれか、あるいは両方を意味する。この電源装置１００は、線形制御モードφＬと、非線形制御モードφＮＬが切りかえ可能に構成される。セレクタ４０は、線形制御モードφＬにおいて線形制御部１０の出力量Ｓｏｕｔ１（出力電圧ＶＳ１）を選択し、非線形制御モードφＮＬにおいて非線形制御部２０の出力量Ｓｏｕｔ２（出力電圧ＶＳ２）を選択し、選択された一方を出力量Ｓｏｕｔ（出力電圧ＶＳ）として出力する。負荷変動検出部４２は、電源電圧Ｖｄｄ、電源装置１００からＤＵＴ１に供給される出力電流Ｉｏｕｔや電源電圧ＶｄｄをはじめとするＤＵＴ１の状態を示す信号にもとづき、セレクタ４０を制御し、線形制御モードφＬと非線形制御モードφＮＬを切りかえる。
【００２０】
１．  線形制御モードφＬ
線形制御モードφＬでは、主として加算器１２および線形制御部１０によって出力電圧ＶＳ１が制御される。加算器１２は、電源電圧Ｖｄｄとその目標値Ｖｒｅｆの差分を示す差分信号Ｓ１を生成する。線形制御部１０は、従来の線形制御により、差分信号Ｓ１が示す差分がゼロとなるように、すなわち電源電圧Ｖｄｄが目標値Ｖｒｅｆと一致するように、その出力電圧ＶＳ１（出力量）を制御する。線形制御部１０がデジタル回路で構成される場合、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御が行われる。線形制御部１０がアナログ回路で構成される場合、加算器１２を誤差増幅器（演算増幅器）で構成し、線形制御部１０をリニアレギュレータ、スイッチングレギュレータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）で構成してもよい。
【００２１】
２．  非線形制御モードφＮＬ
非線形制御モードφＮＬにおいては、主として非線形制御部２０および電流検出部３０によって出力電圧ＶＳ２が制御される。
【００２２】
電流検出部３０は、電源装置１００からＤＵＴ１に対して出力される出力電流Ｉｏｕｔを検出する。たとえば電流検出部３０は、出力電流Ｉｏｕｔの経路上に設けられた検出抵抗ＲＭと、検出抵抗ＲＭに生ずる電圧降下ＶＭを増幅および検出するアンプ３２を含んでもよい。電流検出部３０は、出力電流Ｉｏｕｔを示す出力電流検出信号Ｓ２を出力する。
【００２３】
非線形制御部２０は、電源電圧Ｖｄｄを示す電圧検出信号Ｓ３と、出力電流Ｉｏｕｔを示す出力電流検出信号Ｓ２を受け、それらに応じてその出力量Ｓｏｕｔ２を制御する。非線形制御部２０の動作は、第１期間τ１と、第２期間τ２に分けて説明される。
【００２４】
図３は、図２の非線形制御部２０による非線形制御モードφＮＬの動作を示す波形図である。第１期間τ１は、ＤＵＴ１の電源端子Ｐ１に流れ込む負荷電流ＩＬが変動する第１タイミングｔ０から、負荷電流ＩＬと出力電流Ｉｏｕｔとが一致する第２タイミングｔｒｅｓまでの期間である。第２期間τ２は、第２タイミングｔｒｅｓから制御を終了する第３タイミングｔｅｎｄまでの期間である。
【００２５】
時刻ｔ０以前は、定常状態にあるものとし、線形制御モードφＬによって出力電圧Ｖｓが安定化されている。ここではｔ＜ｔ０において、負荷電流ＩＬおよび出力電流Ｉｏｕｔがゼロであるものとする。時刻ｔ０に負荷がゼロからあるレベルまで急峻に増加したとする。これを受けて、非線形制御部２０による非線形制御モードφＮＬに移行する。
【００２６】
第１期間τ１の間、ＩＬ＞Ｉｏｕｔが成り立つ。したがって不足する電流ＩＣ＝（ＩＬ−Ｉｏｕｔ）が、負荷容量ＣＬからＤＵＴ１の電源端子に供給される。つまり、キャパシタＣＬは、充放電電流ＩＣ＝ＩＬ−Ｉｏｕｔによって放電される。第１期間τ１においてハッチングを付した面積が、放電電荷量Ｑｄｉｓｃｈａｒｇｅを示す。第１期間τ１における負荷容量ＣＬの放電によって、電源電圧Ｖｄｄは定常状態に比べてΔＶ低下する。
【００２７】
第２タイミングｔｒｅｓ以降、ＩＬ＜Ｉｏｕｔとなる。そうすると、電流ＩＣ＝Ｉｏｕｔ−ＩＬによって負荷容量ＣＬが充電され、電源電圧Ｖｄｄが増加しはじめる。第２期間τ２における充電電荷量Ｑｃｈａｒｇｅにはハッチングが付される。
【００２８】
非線形制御部２０は、第１期間τ１において負荷容量ＣＬに充放電される電荷量Ｑｄｉｓｃｈａｒｇｅと、第２期間τ２において負荷容量ＣＬに充放電される電荷量Ｑｃｈａｒｇｅと、がバランス（一致）するように、その出力量Ｓｏｕｔ、すなわち出力電圧ＶＳ２および出力電流Ｉｏｕｔを制御する。
【００２９】
負荷電流ＩＬ、出力電流Ｉｏｕｔ、放電電荷量Ｑｄｉｓｃｈａｒｇｅ、充電電荷量Ｑｃｈａｒｇｅの間には、式（１）、（２）の関係式が成り立つ。そして、式（３）が成り立つように出力量Ｓｏｕｔが制御されることにより、電源電圧Ｖｄｄが目標電圧Ｖｒｅｆに戻る。
【数１】
2012122879.tif 000003
【００３０】
非線形制御部２０による非線形制御によって、時刻ｔｅｎｄにおける電源電圧Ｖｄｄは、基準電圧Ｖｒｅｆと一致する。負荷が定常状態となると非線形制御から線形制御に切りかえられる。
【００３１】
なお本実施の形態では、負荷電流ＩＬがあるレベルから急峻に増加する場合に着目して説明する。
【００３２】
急峻な負荷変動が発生した場合にリニア制御を継続すると、フィードバックの応答速度による制約から、電源電圧Ｖｄｄが目標電圧Ｖｒｅｆに復帰するまでの時間が長くなり、またそのドロップ量ΔＶが大きくなる。一方、図２の電源装置１００によれば、急峻な負荷変動が発生したときに、電荷量にもとづく非線形制御を行うことにより、電源電圧Ｖｄｄがもとの安定したレベルに復帰するまでの時間を短くすることができる。なお、線形制御と非線形制御を行った場合の、ドロップ量ΔＶおよび復帰時間（安定化時間）の比較は、後述する。
【００３３】
続いて、非線形制御部２０の具体的な処理および構成例を説明する。
図４は、図２の電源装置１００の具体的な構成例を示すブロック図である。図４は、電源装置１００がデジタル回路で構成される場合を示す。
Ａ／Ｄコンバータ３４、５８はそれぞれ、アナログの出力電流検出信号Ｓ２、電圧検出信号Ｓ３をデジタルに変換する。非線形制御部２０は、負荷電流演算部２２、電荷量演算部２４、出力量演算部２６、Ｄ／Ａコンバータ２８を備える。Ｄ／Ａコンバータ２８は、出力量演算部２６のデジタルの出力量Ｓｏｕｔ２をアナログの出力量Ｓｏｕｔ２に変換する。Ｄ／Ａコンバータ２８は、電圧ＤＡＣであってもよいし、電流ＤＡＣであってもよい。前者の場合、出力量Ｓｏｕｔ２は出力電圧ＶＳとなり、後者の場合、出力量Ｓｏｕｔ２は出力電流Ｉｏｕｔとなる。
【００３４】
負荷電流演算部２２は、ＤＵＴ１の電源端子Ｐ１に流れ込む負荷電流ＩＬを計算し、それを示す負荷電流検出信号Ｓ４を生成する。電荷量演算部２４は、負荷容量ＣＬに充放電される電荷量Ｑを計算し、それを示す電荷量検出信号Ｓ５を生成する。出力量演算部２６は、負荷電流検出信号Ｓ４が示す負荷電流ＩＬおよび電荷量検出信号Ｓ５が示す電荷量Ｑにもとづき、第１期間τ１の電荷量と、第２期間τ２の電荷量がバランスするように、出力量Ｓｏｕｔ２を計算する。
【００３５】
負荷電流演算部２２は、電源電圧Ｖｄｄの微分値ｄＶｄｄ／ｄｔに、負荷容量ＣＬの容量値を乗ずることにより、負荷容量ＣＬに対する充放電電流ＩＣを示す充放電電流検出信号Ｓ６を生成する。上述のように、充放電電流ＩＣは、負荷電流ＩＬと出力電流Ｉｏｕｔの差分である。そして、負荷電流演算部２２は、出力電流Ｉｏｕｔ（Ｓ２）から充放電電流ＩＣ（Ｓ６）を減ずることにより、負荷電流ＩＬを示す負荷電流検出信号Ｓ４を生成する。
【００３６】
負荷電流演算部２２は、電圧検出信号Ｓ３に、係数ＣＬ／ｄｔを乗ずる乗算器５０と、乗算器５０の出力を１サンプル時間遅延させる遅延回路５２と、乗算器５０の出力と遅延回路５２の出力の差分を算出する加算器５４と、出力電流検出信号Ｓ２から加算器５４の出力を減ずる減算器５６と、を含んでもよい。ｄｔは、１サンプル時間を示す。
【００３７】
電荷量演算部２４は、負荷電流ＩＬと出力電流Ｉｏｕｔの差分、すなわち充放電電流ＩＣを積分することにより、電荷量Ｑを算出する。電荷量演算部２４は、負荷電流検出信号Ｓ４から出力電流検出信号Ｓ２を減ずることにより充放電電流検出信号Ｓ６’を算出する加算器６０と、加算器６０の出力を積分することにより電荷量検出信号Ｓ５を生成する積分器６２と、を備えてもよい。なお、加算器６０を省略し、積分器６２に加算器５４の出力である充放電電流検出信号Ｓ６を入力してもよい。
【００３８】
続いて、出力量演算部２６の具体的な処理を説明する。
図５は、図２の電源装置１００の状態遷移図である。図６は、図２の電源装置１００の第１の制御を示すタイムチャートである。
【００３９】
図５において、ｓ−０は線形制御モードφＬを、ｓ−１〜ｓ−４は、非線形制御モードφＮＬを示す。系が定常状態にあるとき、線形制御モードφＬに設定され、状態ｓ−０において線形制御が行われる。負荷変動が発生し、それが負荷変動検出部４２によって検出されると、状態ｓ−１に遷移する。負荷変動検出部４２による負荷変動の検出条件としては以下が例示される。
【００４０】
１．  差分信号Ｓ１（Ｖｒｅｆ−Ｖｄｄ）にもとづく検出
目標電圧Ｖｒｅｆと電源電圧Ｖｄｄの差分が、所定のしきい値Ｖｔｈを超えたとき、負荷変動検出部４２は負荷変動の発生と判定してもよい。
２．  出力電流検出信号Ｓ２（Ｉｏｕｔ）にもとづく検出
負荷変動検出部４２は、出力電流Ｉｏｕｔがあるしきい値Ｉｔｈを超えたとき、負荷変動の発生と判定してもよい。
【００４１】
３．  充放電電流検出信号Ｓ６（ＩＣ）にもとづく検出
負荷変動検出部４２は、充放電電流ＩＣが実質的に非ゼロの値をとったとき、あるいはその絶対値があるしきい値を超えたとき、負荷変動の発生と判定してもよい。
【００４２】
４．  負荷電流検出信号Ｓ４（負荷電流ＩＬ）の時間変化率（ｄＩＬ／ｄｔ）にもとづく検出
負荷変動検出部４２は、負荷電流ＩＬの時間変化率（微分値）が実質的に非ゼロの値をとったとき、あるいは微分値の絶対値があるしきい値を超えたときに、負荷変動の発生と判定してもよい。
【００４３】
５．  負荷電流検出信号Ｓ４（負荷電流ＩＬ）にもとづく検出
負荷変動検出部４２は、負荷電流ＩＬがあるしきい値を超えたとき、負荷変動の発生と判定してもよい。
【００４４】
つまり負荷変動検出部４２は、何らかの方法によって、負荷の急峻な変動（定常状態から過渡状態への変化）を検出すればよい。
【００４５】
負荷変動が発生してから、負荷変動検出部４２によってそれが検出されて非線形制御が開始されるまでのタイミングｔｓｔａｒｔには、ある遅延が発生する。この遅延期間の間は、線形制御部１０による線形制御が行われる。状態ｓ−１では、非線形制御の前処理として、遅延期間の間に負荷容量ＣＬから放電された初期電荷量Ｑ０が計算される。
【００４６】
線形制御の応答速度が遅ければ、時刻ｔ０から時刻ｔｓｔａｒｔにおける出力電流Ｉｏｕｔはゼロと仮定できる。遅延時間Ｔｄｅｌａｙが、系のサンプリング時間ＴＳを単位としてＮｄｅｌａｙサイクルで与えられるとき、初期電荷量Ｑ０は、式（４）にもとづいて計算できる。遅延サイクル数Ｎｄｅｌａｙは、あらかじめ設定された値を用いてもよいし、電源電圧Ｖｄｄの傾きおよび時刻ｔｓｔａｒｔにおける電源電圧Ｖｄｄの値から推定してもよい。
【数２】
2012122879.tif 000004
【００４７】
あるいは初期電荷量Ｑ０はこの近似式を用いずに、より詳細に計算してもよい。また、遅延時間Ｔｄｅｌａｙが十分に短い場合には、初期電荷量Ｑ０の計算は省略することができる。
【００４８】
続いて状態ｓ−２に遷移し、上述した第１期間τ１に相当する処理が行われる。本実施の形態では、第１期間τ１の長さＴｒｅｓは、信号処理のサイクル数Ｎｒｅｓとしてあらかじめ規定されている。第１期間τ１（Ｔｒｅｓ＝ＴＳ×Ｎｒｅｓ）において、第１期間τ１の長さＴｒｅｓが所定値となるように、言い換えれば、制御開始からＮｒｅｓサイクル後に、出力電流Ｉｏｕｔが負荷電流ＩＬと一致するように、出力量Ｓｏｕｔが制御される。
【００４９】
出力量演算部２６は、第１期間τ１において、出力電流Ｉｏｕｔが単調変化（一定の傾きαで変化）するように、出力量Ｓｏｕｔを制御する。時刻ｔｓｔａｒｔにおける出力電流Ｉｏｕｔをゼロと近似すれば、出力電流Ｉｏｕｔの傾きαは、ＩＬ／Ｔｒｅｓ＝ＩＬ／（ｔｒｅｓ−ｔｓｔａｒｔ）で与えられる。
つまり第１期間τ１における出力電流Ｉｏｕｔは、
Ｉｏｕｔ（ｔ）＝ＩＬ／Ｔｒｅｓ×（ｔ−ｔｓｔａｒｔ）  …（５）
で与えられる。時間方向に離散化すると、出力電流Ｉｏｕｔの傾きαは、ＩＬ／（ＴＳ×Ｎｒｅｓ）で与えられる。
状態ｓ−２のｋサイクル目において、式（６）、（７）が成り立つ。
ｔ＝ｔｓｔａｒｔ＋ｋ×Ｔｓ    …（６）
Ｉｏｕｔ（ｔｓｔａｒｔ＋ｋＴｓ）＝ＩＬ／Ｎｒｅｓ×ｋ    …（７）
【００５０】
理解の容易化および説明の簡潔化のため寄生パラメータ４を無視すれば、出力電圧ＶＳ２と出力電流Ｉｏｕｔの間には式（８）が成り立つ。したがって非線形制御部２０の出力段が電圧源で構成される場合、式（８）を満たす出力電圧ＶＳ２を生成すればよい。
ＶＳ（ｔ）＝Ｉｏｕｔ（ｔ）・ＲＭ＋Ｖｄｄ（ｔ）    …（８）
【００５１】
図７は、第１期間における制御のアルゴリズムを示す図である。状態ｓ−２においては、図７のアルゴリズム（ソースコード）にしたがって、出力電圧ＶＳを制御すればよい。また、サイクル毎に、放電電荷量Ｑを更新する。図７のアルゴリズムによって、Ｎｒｅｓサイクル後に、出力電流Ｉｏｕｔを負荷電流ＩＬと一致させることができる。
【００５２】
なお非線形制御部２０の出力段が電流源で構成される場合、式（７）にしたがって出力量Ｓｏｕｔを変化させればよく、式（８）の演算は不要となる。
【００５３】
続いて状態ｓ−３に遷移し、第２期間τ２に相当する処理が行われる。本実施の形態では、第２期間τ２の長さも、サイクル数Ｎｅｎｄとしてあらかじめ規定されている。第２期間τ２においては、以下の処理が行われる。
【００５４】
出力量演算部２６は、第２期間τ２において、出力電流Ｉｏｕｔが一定値となるように、出力量Ｓｏｕｔを制御する。つまり、第１期間（状態ｓ−２）において計算された放電電荷量Ｑｄｉｓｃｈａｒｇｅを、所定の第２期間τ２の長さＴｅｎｄ（＝ｔｅｎｄ−ｔｒｅｓ）で充電するために必要な出力電流Ｉｏｕｔは、式（９）で与えられる。
Ｉｏｕｔ＝Ｑｄｉｓｃｈａｒｇｅ／Ｔｅｎｄ    …（９）
【００５５】
図８（ａ）、（ｂ）は、第２期間における制御のアルゴリズムを示す図である。図８（ａ）では、サイクル毎に電荷量のアップデートを行わず、式（９）に対応する出力電圧ＶＳを生成し続ける。図８（ｂ）のアルゴリズムでは、サイクル毎に電荷量をアップデートし、それに応じて式（９）の電流量を再計算する。
【００５６】
そして、時刻ｔｅｎｄに処理が終了すると、状態ｓ−４に遷移する。処理終了時の出力電圧ＶＳは、理想制御量ＩＬ・ＲＭ＋Ｖｒｅｆであり、この時点でＶｄｄ＝Ｖｒｅｆとなっているのが理想的である。実際には誤差を考慮し、状態ｓ−４において理想制御量を数サイクル出力後、状態ｓ−０の線形制御に戻すことが好ましい。
【００５７】
図９は、図２の電源装置１００の第２の制御を示すタイムチャートである。図９のタイムチャートは、図６のタイムチャートと比べて、第２期間τ２の動作が異なっている。
【００５８】
第２期間τ２において、出力量演算部２６は、出力電流Ｉｏｕｔが単調変化し、かつ第２期間τ２の終点である第３タイミングｔｅｎｄにおいて、出力電流Ｉｏｕｔが負荷電流ＩＬと等しくなるように、出力量Ｓｏｕｔを制御する。
【００５９】
第２期間τ２において充電すべき電荷量Ｑと、第２期間τ２の長さ（ｔｅｎｄ−ｔｒｅｓ）が与えられるとき、以下の関係式が成り立てばよい。
（Ｉｏｕｔ（ｔｒｅｓ）−ＩＬ）×Ｔｅｎｄ／２＝Ｑ    …（１０）
【００６０】
式（１０）から、時刻ｔｒｅｓにおける出力電流Ｉｏｕｔは式（１１）で与えられる。
Ｉｏｕｔ（ｔｒｅｓ）＝Ｑ×２／Ｔｅｎｄ＋ＩＬ    …（１１）
【００６１】
また第２期間τ２における出力電流Ｉｏｕｔの傾きβは、式（１２）で与えられる。
β＝Ｑ×２／Ｔｅｎｄ２    …（１２）
【００６２】
したがって第２期間τ２における出力電流Ｉｏｕｔ（ｔ）は、式（１３）で与えられる。
Ｉｏｕｔ（ｔ）＝Ｑ×２／Ｔｅｎｄ＋ＩＬ−β×（ｔ−ｔｒｅｓ）    …（１３）
【００６３】
Ｔｅｎｄ＝Ｎｅｎｄ×ＴＳ、ｔ＝ｔｒｅｓ＋ｋＴＳを用いて式（１３）を離散化すると、式（１４）を得る。
Ｉｏｕｔ（ｔ）＝Ｑ×２／（ＴＳ×Ｎｅｎｄ）×｛１−ｋ／Ｎｅｎｄ｝＋ＩＬ  …（１４）
【００６４】
出力量演算部２６は、サイクルｋにおける出力電圧ＶＳを、式（８）および式（１４）から計算し、Ｄ／Ａコンバータ２８に出力する。
【００６５】
図１０は、第２の制御を行った場合の、出力電圧Ｖｄｄおよび出力電流Ｉｏｕｔのシミュレーション波形図である。サンプリング周波数ｆＳ＝２ＭＨｚ、負荷電流ＩＬが時刻ｔ＝２００μｓにおいて０Ａから１．３Ａに変動する場合を示す。負荷容量ＣＬ＝１２０μＦ、ＲＭ＝０．２Ωとしている。
【００６６】
波形（i）は、Ｎｒｅｓ＝Ｎｅｎｄ＝７、合計１４サイクルの場合を、波形（ii）Ｎｒｅｓ＝Ｎｅｎｄ＝１１、合計２２サイクルの場合を、波形（iii）は線形制御（ＰＩＤ制御）を行った場合を示す。ＮｒｅｓおよびＮｅｎｄの長さは必ずしも等しくなくてもよく、独立に決めることができる。このように、実施の形態係る電源装置１００によれば、負荷変動状態において、容量バランスを用いた非線形制御を行うことにより、線形制御を行う場合に比べて出力電圧Ｖｄｄの変動量を小さくし、および／または、安定化時間を短縮することができる。また、第１期間τ１の長さＴｒｅｓを変化させると、電源電圧Ｖｄｄの波形を制御することができる。同様に第２期間τ２の長さＴｅｎｄによっても、電源電圧Ｖｄｄの波形を制御できる。
【００６７】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセス、それらの組み合わせには、さまざまな変形例が存在しうる。以下、こうした変形例について説明する。
【００６８】
実施の形態では、第１期間τ１において、出力電流Ｉｏｕｔを直線的に増加させる場合を説明したが本発明はこれに限定されない。たとえば、出力電流Ｉｏｕｔは、指数関数的に変化させてもよい。第２期間τ２においても、出力電流Ｉｏｕｔを指数関数的に変化させてもよい。
【００６９】
実施の形態では、第１期間τ１、第２期間τ２の長さが規定されている場合の処理を説明したが、本発明はそれに限定されない。たとえば第１期間τ１においては、出力電流Ｉｏｕｔの傾きαをあらかじめ定めておき、その傾きαに応じて第１期間τ１を計算してもよい。
同様に第２期間τ２においても、出力電流Ｉｏｕｔの傾きβ、あるいはその量をあらかじめ規定しておき、それに応じて第２期間τ２の長さを計算してもよい。
【００７０】
実施の形態では、負荷電流ＩＬがあるレベルから急峻に増加する場合に着目して説明したが、負荷電流ＩＬが急激に減少した場合も本発明は有効である。この場合、第１期間τ１において充電が行われ、第２期間τ２において放電が行われ、それらの電荷量がバランスするように、実施の形態と同様の制御を行えばよい。
【００７１】
実施の形態では、電源電圧Ｖｄｄが短時間で安定化するような動作を説明したが、本発明はそれに限定されない。上で説明した各種パラメータ、たとえばＮｒｅｓ、Ｎｅｎｄなどを変更することにより、さまざまな性能をエミュレートすることができる。
【００７２】
非線形制御部２０の出力段が、その出力電流Ｉｏｕｔを制御可能な電流源で構成される場合、電流検出部３０を省略し、電流源に対する制御量を、出力電流検出信号Ｓ２として利用してもよい。
【００７３】
実施の形態では、試験装置に搭載される電源について説明したが、本発明はそれに限定されず、広く一般的な半導体デバイス、電子回路に電力を供給する電源装置に適用可能である。
【００７４】
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００７５】
１…ＤＵＴ、２…試験装置、４…寄生パラメータ、ＤＲ…ドライバ、ＣＰ…コンパレータ、１００…電源装置、Ｐ１…電源端子、ＬＶＤＤ…電源ライン、１０…線形制御部、１２…減算器、２０…非線形制御部、２２…負荷電流演算部、２４…電荷量演算部、２６…出力量演算部、３０…電流検出部、３２…アンプ、４０…セレクタ、４２…負荷変動検出部、５０…乗算器、５２…遅延回路、５４，５６，６０…加算器、６２…積分器、Ｓ１…差分信号、Ｓ２…出力電流検出信号、Ｓ３…電圧検出信号、Ｓ４…負荷電流検出信号、Ｓ５…電荷量検出信号、Ｓ６…充放電電流検出信号、Ｃ１…キャパシタ、ＣＬ…負荷容量。
【図１】
2012122879.tif 000005
【図２】
2012122879.tif 000006
【図３】
2012122879.tif 000007
【図４】
2012122879.tif 000008
【図５】
2012122879.tif 000009
【図６】
2012122879.tif 000010
【図７】
2012122879.tif 000011
【図８】
2012122879.tif 000012
【図９】
2012122879.tif 000013
【図１０】
2012122879.tif 000014