(57)【要約】【課題】  複数のスイッチングレギュレータの動作周波数を同期させる周波数同期回路を提供する。【解決手段】  複数のスイッチングレギュレータの駆動周波数を同期させる周波数同期回路であって、第１のスイッチングレギュレータを駆動させる駆動信号と駆動を停止させる停止信号とからなる第１の駆動制御信号を入力し、他のスイッチングレギュレータに対して前記第１の駆動制御信号とは駆動信号及び停止信号の比率が異なる第２の駆動制御信号を出力する信号入出力回路を備える。【選択図】図６
2009159759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチングレギュレータの駆動周波数を同期させる周波数同期回路であって、
第１のスイッチングレギュレータを駆動させる駆動信号と駆動を停止させる停止信号とからなる第１の駆動制御信号を入力し、他のスイッチングレギュレータに対して前記第１の駆動制御信号とは駆動信号及び停止信号の比率が異なる第２の駆動制御信号を出力する信号入出力回路を備えていることを特徴とする周波数同期回路。
【請求項２】
前記信号入出力回路は、前記第１の駆動制御信号の駆動信号を入力してから所定時間が経過すると、第２の駆動制御信号の停止信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の周波数同期回路。
【請求項３】
前記信号入出力回路は、第１のスイッチングレギュレータの駆動信号に応じた電圧値を充電する充電回路と、前記充電回路の電圧値を検出する電圧検出回路とを備え、前記電圧検出回路が所定の電圧値を検出した場合に、停止信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の周波数同期回路。
【請求項４】
前記信号入出力回路は、入力した駆動制御信号が駆動信号から停止信号に切替った場合に、充電回路に充電された電荷を放電する放電回路を備えていることを特徴とする請求項３に記載の周波数同期回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスイッチングレギュレータの動作周波数を同期させる周波数同期回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、スイッチングレギュレータの一般的な構成を示す図である。また、図２は、図１の構成を有するスイッチングレギュレータにおける各測定点での電圧波形を示すタイミングチャートである。図１及び図２に示すように、スイッチングレギュレータは、ＩＣに内蔵されている電流源と外付けのコンデンサによって三角波が形成されている（Ｃ点）。この三角波とＢ点での電圧とをＰＷＭコンパレータにて比較し、その出力としてＤ点における方形波が得られる。
【０００３】
このＤ点における方形波によってＭＯＳＦＥＴが駆動され、ＭＯＳＦＥＴのオン／オフに応じて入力電圧源Ｖｉｎの導通／非導通が制御され、その結果としてＥ点における電圧波形が得られる。そして、Ｅ点での電圧は、後段のチョークコイルと平滑用コンデンサによって平滑され、Ｅ点での平均電圧が出力電圧Ｖｏｕｔとなる。
【０００４】
なお、スイッチングレギュレータは、出力電圧Ｖｏｕｔの値をフィードバック制御することによって、ＭＯＳＦＥＴのオン／オフのタイミングを制御している。具体的には、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧が設定電圧と同じ場合には、Ｖｏｕｔの抵抗分割で決められるＡ点と基準電圧が同じ電圧になるように設定されており、Ｖｏｕｔが設定電圧より低い電圧の場合には、Ａ点が基準電圧より低くなり、Ｂ点の電圧が上昇することでＶｏｕｔの電圧を上げ、設定電圧と同じになるように制御している。なお、スイッチングレギュレータにおける動作周波数とはＥ点における周波数のことであり、これはＣ点での三角波の周波数と同じになっている。
【０００５】
ところで、このようなスイッチングレギュレータを同一基板内に２つ以上設けて動作させる場合には、各レギュレータの動作周波数を同じ周波数にする必要がある。これは、動作周波数が同じ周波数でない場合には、それらの差分の周波数がノイズとして出力に重畳してしまうからである。
【０００６】
このため、２つのスイッチングレギュレータを同一基板内に設けて動作させる場合には、例えば、図１で示すＣ点における三角波の周波数をもう一方のスイッチングレギュレータの周波数と同じにするような回路を設けることが考えられる。このような構成としては、図３に示すような構成が挙げられる。図３では、２つのスイッチングレギュレータの間に同期回路が設けられている。また、図４は、図３に示すスイッチングレギュレータにおける各測定点での電圧波形を示すタイミングチャートである。
【０００７】
図３及び図４に示すように、ＩＣ１から出力されたＭＯＳＦＥＴを制御する信号（Ｆ点での方形波）は、同期回路にてHighレベルの電圧が定電圧のレベルにカットされている（Ｇ点での方形波）。このＧ点での方形波を用いてＩＣ２に入力する三角波を形成することにより、ＩＣ２に入力する三角波（Ｈ点での三角波）の周波数をＦ点での方形波の周波数と同じ周波数にすることができる。すなわち、同期回路を用いることにより、ＩＣ２に入力する三角波の周波数をＩＣ１から出力された方形波の周波数と同じすることができる。これにより、ＩＣ１とＩＣ２との動作周波数を同じにすることができ、各ＩＣは同期がとれている状態になる。なお、Ｇ点においてHighレベルを定電圧にカットしているのは、Ｖｉｎに入力される電圧によってパルスのHighレベルが変わるためである。定電流型の三角波発信回路としては、例えば特許文献１に示すようなものがある。
【特許文献１】特開平８−２０４５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、出力電圧Ｖｏｕｔ１は、Ｆ点での方形波の平均電圧で定まるため、図５に示すように入力電圧Ｖｉｎの値の変化に応じてＦ点の方形波のデューティー（全体におけるHighの区間）が変わることになる。このため、Ｖｉｎ電圧の変化に応じてＩＣ２に入力する三角波を形成するための方形波の波形が変化してしまい、ＩＣ２を同期できる周波数の範囲が変わってしまうという課題が生じる。
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、入力電圧の値が変化した場合であっても、複数のスイッチングレギュレータの動作周波数を同期させることができる周波数同期回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の周波数同期回路は、複数のスイッチングレギュレータの駆動周波数を同期させる周波数同期回路であって、第１のスイッチングレギュレータを駆動させる駆動信号と駆動を停止させる停止信号とからなる第１の駆動制御信号を入力し、他のスイッチングレギュレータに対して前記第１の駆動制御信号とは駆動信号及び停止信号の比率が異なる第２の駆動制御信号を出力する信号入出力回路を備えていることを特徴している。
【００１１】
前記の構成によれば、第１のスイッチングレギュレータを駆動させる駆動信号と停止信号の比率に関わらず、第１の駆動制御信号とは駆動信号及び停止信号の比率が異なる第２の駆動制御信号を出力する構成となっているため、入力電圧が変動した場合であっても常に一定の比率に保たれた駆動制御信号を他のスイッチングレギュレータに出力することが可能になる。これにより、複数のスイッチングレギュレータの動作周波数を同期させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、入力電圧の値が変化した場合であっても、複数のスイッチングレギュレータの動作周波数を同期させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
〔実施形態１〕
本発明の第１の実施形態について図６ないし図８に基づいて説明する。図６は、本実施形態におけるスイッチングレギュレータ装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、スイッチングレギュレータ装置は、第１のスイッチングレギュレータ３と、第２のスイッチングレギュレータ４と、周波数同期回路５とを備えている。
【００１４】
第１のスイッチングレギュレータ３は、従来のものと同様の構成を有しているが、その構成や動作についてより詳細に説明する。第１のスイッチングレギュレータ３は、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの間に、直列に接続されたＭＯＳＦＥＴ６とチョークコイル７を備えている。また、チョークコイル７と出力電圧Ｖｏｕｔとの間の点と、接地点とに接続されたフィードバック用抵抗（図示せず）と、平滑用のコンデンサ８を備えている。さらに、フィードバック用抵抗からの信号を受けて、ＭＯＳＦＥＴ６のオン／オフを制御する信号を出力する制御用ＩＣ１が備えられている。
【００１５】
制御用ＩＣ１（図１のＩＣ内部参照）は、制御用ＩＣ１内に設けられた充放電切替スイッチがオフのときに、定電流源からの定電流にてコンデンサが充電され、コンデンサの電圧は直線的に上昇する。コンデンサの電圧が所定の上限値に達すると、充放電切替スイッチがオンに変わり、コンデンサの電荷は２つの定電流源の電流値の差分の電流値で放電される。これにより、コンデンサの電圧は直線的に下降し、コンデンサの電圧が所定の下限値に達すると、充放電切替スイッチがオフされる。このようにして、充放電を繰り返すことにより、三角波を発生している。
【００１６】
また、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧をフィードバック用抵抗（抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２）で分割した電圧が制御用ＩＣ１の差動アンプの一方の端子に入力される。差動アンプのもう一方の端子には、基準電圧が入力される。差動アンプは、これら各入力の値を比較し、その差分をコンパレータに出力する。
【００１７】
コンパレータの一方の端子には差動アンプからの出力が入力され、もう一方の端子には三角波が入力される。コンパレータは各入力を比較して、差動アンプの出力が三角波の電圧より高い場合にHighレベル（Ｈレベル）を出力し、差動アンプの出力が三角波の電圧より低い場合にLowレベル（Ｌレベル）を出力する。コンパレータからの出力は、反転ドライバによりＨレベル及びＬレベルが反転された方形波として制御用ＩＣ１から出力される。
【００１８】
なお、第２のスイッチングレギュレータ４においても三角波を形成する動作以外の点については第１のスイッチングレギュレータ３と同様の動作を行う。以下、第２のスイッチングレギュレータ４において三角波を形成する動作について図７及び図８を用いて説明する。
【００１９】
第１のスイッチングレギュレータ３から出力された方形波は、同期回路５に入力される。同期回路５は、ＩＣ１からの出力点とＩＣ２への入力点との間に直列に接続された抵抗Ｒ３とダイオードＤ１と抵抗Ｒ４とを備えていると共に、抵抗Ｒ３とダイオードとの間に接続された定電圧回路９とデューティー制御回路１０（信号入出力回路）とを備えている。
【００２０】
デューティー制御回路１０は、ＩＣ１から出力された方形波（第１の駆動制御信号）のＨレベルの区間を、ある設定した時間が経過した後に強制的にＬレベルに変えるものである。具体的には、デューティー制御回路１０は図７に示す構成を有している。図７に示すように、デューティー制御回路１０は、抵抗Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、コンデンサＣ１、トランジスタＴＲ１を用いたアナログ回路で構成されており、ＩＣ２に出力する方形波のＨレベルの一定時間を決定している。
【００２１】
デューティー制御回路１０は、ＩＣ１から出力された方形波（Ｉ点の方形波）を入力すると、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ１との直列回路からなる電圧上昇回路のコンデンサＣ１の電圧が上昇すると共に、Ｈレベルを出力する（Ｊ点）。コンデンサＣ１の電圧が所定値まで上昇すると（Ｌ点）、トランジスタＴＲ１がオンすることにより、抵抗Ｒ７への出力がカットされデューティー制御回路１０の出力はＬレベルとなる（Ｊ点；第２の駆動制御信号）。同期回路５は、このＪ点における方形波を三角波に入力することにより、Ｊ点における方形波に基づいた三角波を出力する（Ｋ点）。なお、コンデンサＣ１の所定値とは、例えばトランジスタＴＲ１のスレッショルド電圧Ｖｂｅであり、強制的にＬレベルに変える設定時間（所定時間）とは、トランジスタＴＲ１がスレッショルド電圧Ｖｂｅに到達する時間である。
【００２２】
このように、デューティー制御回路１０が、ＩＣ１からの入力後一定時間経過した後に同期回路５の出力をＬレベルに制御することにより、入力電圧Ｖｉｎの変動に依存することなく（Ｖｐのパルス幅に依存することなく）同期回路５から出力する方形波のパルス幅を一定にすることができる。従って、ＩＣ２は、常にパルス幅が一定となった方形波を用いて三角波を形成することになり、ＩＣ１の動作周波数と同期した動作周波数を形成することができる。
【００２３】
〔実施形態２〕
次に、本発明の第２の実施形態について図９ないし図１２に基づいて説明する。図９は、本実施形態に係るスイッチングレギュレータ装置の概略構成を示す図である。図９に示すように、本実施形態のスイッチングレギュレータ装置は、実施形態１のスイッチングレギュレータ装置の同期回路１１にタイマリセット回路１２を備えた構成となっている。タイマリセット回路１２は、ＩＣ１から入力した方形波がＬレベルになるとタイマをリセットする回路である。このように、本実施形態では、同期回路１１の構成が実施形態１と異なるのみで他の構成は実施形態１と同様であるため、同期回路１１に関して説明する。
【００２４】
図１０は、本実施形態に係る同期回路１１の概略構成を示す図である。本実施形態に係る同期回路１１は、実施形態１の同期回路の構成に加えてトランジスタＴＲ１のベース−コレクタ間にショットキーダイオードＤ２が接続された構成となっている。このショットキーダイオードＤ２は、ＩＣ１から入力された方形波がＬレベルになるとコンデンサＣ１に蓄積した電荷を急速に放電するようになっている。すなわち、ＩＣ１から出力する方形波のＨレベルをカウントし、ＩＣ１から入力された方形波がＬレベルになると前記カウントをリセットするタイマリセットの機能を有している。このように、タイマリセット回路１２は、トランジスタＴＲ１の印加電圧をリセットする構成である。
【００２５】
ここで、例えば前記タイマリセット回路を備えていない構成の同期回路を用いる場合には、ＩＣ１から入力された方形波がＬレベルになると同時にトランジスタＴＲ１の電圧ＶｂｅがＬレベルになることが望ましい。しかしながら、コンデンサＣ１に蓄積された電荷はＲ５を通じて放電されるため、トランジスタＴＲのＶｂｅは指数関数的に減少する。このため、ＩＣ１から入力された方形波のＬレベルの期間が短い場合には、トランジスタＴＲ１のＶｂｅがＬレベルになる前に、方形波がＨレベルになってしまい、ＶｂｅがＬレベルになる前に再び上昇に転じてしまう場合がある。すなわち、コンデンサＣ１に電圧が残っている状態（残留電荷がある状態）から電圧が上昇することになるため、トランジスタＴＲ１のスレッショルド電圧を越えるまでの時間が、トランジスタＴＲ１のＶｂｅがＬレベルの状態から上昇する時間に比べて短くなる。つまり、コンデンサＣ１の電荷を完全に放電した場合に比べて生成する波形のＨレベルの期間が短くなってしまう。そこで、本実施形態のようにタイマリセット回路１２を設けることで、ＩＣ１から入力された方形波のＬレベルからＨレベルに変わる期間が短い（デューティーが大きい）場合であっても、正確にＨレベルの時間をカウントすることが望ましい。
【００２６】
そこで、本実施形態に係る同期回路１１が方形波を出力する動作について図１０及び図１１に基づいて説明する。ＩＣ１から同期回路１１に方形波が入力されると、コンデンサＣ１の電圧は抵抗Ｒ５とコンデンサＣ１とで定まる時定数に基づいて上昇し、ＩＣ１から入力する方形波がＬレベルになるまで上昇する。ＩＣ１から入力する方形波がＬレベルに切替ると、Ｃ１の電荷はショットキーダイオードＤ２の順方向電圧降下Ｖｆまで瞬時に放電され、その後は抵抗Ｒ５とコンデンサＣ１との時定数に基づいて放電される（Ｌ点）。すなわち、カウントがリセットされる。そして、ＩＣ１から入力される方形波が再びＨレベルになると、同様にコンデンサＣ１に電荷が充電され電圧が上昇する。これにより、ＩＣ１から入力される方形波のＬレベルの期間が短い場合であっても同期回路１１が出力する方形波を適切なデューティーに制御することができ、２つのスイッチングレギュレータの動作周波数を同期させることができる。
【００２７】
なお、ＩＣ２から出力する方形波のＨレベルをカウントするタイマをリセットする構成は、ショットキーダイオードを備える構成の他にも同様の機能を有する構成であれば適用することができる。例えば、図１２に示すように、トランジスタＴＲ１のベース−エミッタ間に抵抗Ｒ８を追加する構成とした場合には、抵抗Ｒ８の抵抗値を変化させることにより、トランジスタＴＲ１のスレッショルド電圧を任意に変更することができるため、急速放電用のダイオードをショットキーダイオードからＰＮ接合ダイオードＤ３に変更することができる。
【００２８】
具体的に説明すると、トランジスタＴＲ１のベース−エミッタ間に抵抗Ｒ８を接続し、コンデンサＣ１の電圧を分割してトランジスタＴＲ１に印加する構成とすれ。これにより、抵抗Ｒ８の抵抗値を変化させることで分割比を変化させることができるため、トランジスタＴＲ１をオンにする電圧を任意に変更することができる。このため、例えばトランジスタＴＲ１のスレッショルド電圧Ｖｂｅの３倍程度の分割比になるように抵抗値を選択すれば、放電用ダイオードとして順方向電圧降下が１／３程度のダイオードを使用することができるため、急速放電用のダイオードとして、ショットキーダイオードではなくＰＮ接合ダイオードを使用することが可能になる。
【００２９】
〔実施形態３〕
次に、本発明の第３の実施形態について図１３に基づいて説明する。図１３は、本実施形態に係るスイッチングレギュレータ装置の概略構成を示す図である。本実施形態では、２つのスイッチングレギュレータとして同期整流型のスイッチングレギュレータを設けている。また、本実施形態の同期回路１３は、実施形態１及び２の同期回路と比較して、定電圧回路を設けていない点で異なっている。
【００３０】
同期整流型スイッチングレギュレータは、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの間に接続された第１ＭＯＳＦＥＴと、該第１ＭＯＳＦＥＴと出力電圧との間の点と接地との間に接続された第２ＭＯＳＦＥＴとの２つのＭＯＳＦＥＴを備えている。これら各ＭＯＳＦＥＴを適宜オン／オフ制御することにより所望の出力電圧を得るようになっている。
【００３１】
第１及び第２ＭＯＳＦＥＴのオン／オフ制御は、ＩＣ１から出力された方形波である制御信号に基づいて行われる。本実施形態では、各スイッチングレギュレータの駆動を同期させるために、第２ＭＯＳＦＥＴの駆動を制御するための方形波を同期回路へ出力している。そして、同期回路に設けられたデューティー制御回路にてデューティーが制御された方形波がＩＣ２に出力され、各スイッチングレギュレータの駆動を同期するようになっている。
【００３２】
前述したように、本実施形態では同期回路１３が定電圧回路を備えていない構成となっているが、これは、同期整流型スイッチングレギュレータの第２ＭＯＳＦＥＴのゲート信号は、ＶｉｎによりＨレベルが変動しない構成となっているためである。従って、本実施形態の同期回路は、定電圧となるような制御を行うことなく実施形態１及び２と同様の方法でデューティー制御を行うことができる構成となっている。
【００３３】
なお、実施形態１〜３にて説明したスイッチングレギュレータ装置は、２つ以上のスイッチングレギュレータの駆動周波数を同期させる場合においても同様に適用できる。この場合、１つのスイッチングレギュレータから出力された方形波を同期回路にてデューティー制御を行い、制御後の方形波を用いて他のスイッチングレギュレータに入力する三角波を生成すればよい。
【００３４】
また、実施形態１〜３にて説明したスイッチングレギュレータは、２つ以上のスイッチングレギュレータの周波数同期を行っている電子機器に適用することができ、マイコンのパルス等、方形波のデューティーを変化させている電子機器にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のスイッチングレギュレータの構成を示す図である。
【図２】従来のスイッチングレギュレータの各測定点の電圧波形を示す図である。
【図３】従来のスイッチングレギュレータ装置の概略構成を示す図である。
【図４】従来のスイッチングレギュレータ装置の各測定点の電圧波形を示す図である。
【図５】従来のスイッチングレギュレータ装置の電圧波形を示す図である。
【図６】本実施形態のスイッチングレギュレータ装置の概略構成を示す図である。
【図７】本実施形態の同期回路の概略構成を示す図である。
【図８】本実施形態のスイッチングレギュレータ装置の各測定点の電圧波形を示す図である。
【図９】本実施形態のスイッチングレギュレータ装置の概略構成を示す図である。
【図１０】本実施形態の同期回路の概略構成を示す図である。
【図１１】本実施形態のスイッチングレギュレータ装置の各測定点の電圧波形を示す図である。
【図１２】本実施形態の同期回路の概略構成を示す図である。
【図１３】本実施形態のスイッチングレギュレータ装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１、２    ＩＣ
３    第１のスイッチングレギュレータ
４    第２のスイッチングレギュレータ
５、１１、１３    同期回路
９    定電圧回路
１０    デューティー制御回路
１２    タイマリセット回路
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８    抵抗
Ｃ１    コンデンサ
ＴＲ１、ＴＲ２    トランジスタ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３    ダイオード
【図１】
2009159759.tif 000003
【図２】
2009159759.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
2009159759.tif 000011
【図１０】
2009159759.tif 000012
【図１１】
2009159759.tif 000013
【図１２】
2009159759.tif 000014
【図１３】
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