(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチのオン・オフ動作により直流電圧の変換を行うスイッチングレギュレータにおいて、
出力段半導体スイッチにより構成され、かつ前段回路から出力される電流をコピーするカレントミラー回路と、
前記カレントミラー回路の前記前段回路として接続され、かつ入出力電流を線形に変形する電流線形可変回路と、
前記カレントミラー回路の中性点と電源との間に設置された第１のバッファ回路と、
前記中性点と接地との間に設置された第２のバッファ回路と、
前記電流線形可変回路と前記中性点との間に設置された第１のスイッチと、
を備えたことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
【請求項２】
前記電流線形可変回路は、複数の半導体スイッチの並列接続回路と、
ゲート制御のためのバッファとを備え、ローパスフィルターとしても機能することを特徴とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項３】
前記複数の半導体スイッチのうち、最前列の半導体スイッチ以降に配置された半導体スイッチは、ゲート制御タイミングを前記最前列の半導体スイッチのゲート制御タイミングを基準として逐次遅延されることを特徴とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項４】
前記のゲート制御タイミングの逐次遅延は、遅延回路により実行されることを特徴とする請求項３記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項５】
前記電流線形可変回路と前記カレントミラー回路の前段との間に第２のスイッチを備えたことを特徴とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチングレギュレータに関し、特に、半導体スイッチのオン・オフ動作により直流電圧の変換を行うスイッチングレギュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体スイッチのオン・オフ動作により直流電圧の変換を行うスイッチングレギュレータでは、多数の半導体スイッチを並列（梯子状）に配置し、これらの半導体スイッチを時間をずらしてオン・オフ動作させ、これにより、電流を線形に増減させる手法が提案されている。
【０００３】
図６は、従来のスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。
図６に示すスイッチングレギュレータは、降圧型スイッチング電源回路となっており、半導体スイッチ群９１、出力インダクタＬ９、出力コンデンサＣ９、ダイオードＤ９を備える。
【０００４】
動作時には、半導体スイッチ群９１に含まれる複数個の半導体スイッチの各々をオン・オフ動作させることにより、スイッチングによる過度現象として変動する入力電源電圧Ｖを時間軸に沿って線形に整形し、出力コンデンサＣ９の一端の出力電流Ｉｏとして出力する。
【０００５】
即ち、入力電源側には、無視できない寄生インダクタ成分が含まれ、この寄生インダクタ成分にスイッチングによる急激な電流変化が起きることで高周波の電源電圧変動が半導体スイッチの入出力点の双方で生じるので、この変動を取り除くために、時間をずらしてオン・オフ動作する複数個の半導体スイッチ（半導体スイッチ群９１）が具備されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の従来のスイッチングレギュレータにおいては、半導体スイッチ群９１に含まれる半導体スイッチの各々を制御する制御信号について考察すると、この制御信号はディジタル的な信号であって、それ故に高周波成分が含まれていることが理解される。そのため、この半導体スイッチ群９１に含まれる半導体スイッチとして小さいサイズのトランジスタを用いたとしても、通過電流（貫通電流）の変化の仕方は一定とはならず、結果として、この通過電流は高い高周波成分を含むことになり、半導体スイッチの入出力点の双方で生じる電圧変動を十分に抑制することができないといった問題点を有していた。
【０００７】
この問題点を、半導体スイッチ群９１に含まれる半導体スイッチの個数を増加し、一般にｍ個の半導体スイッチを使用してオン・オフ動作させてみても、オン（貫通）時の最初、またはオフ（遮断）時の最後の時点で、出力ノードの電圧変動が大きいため、出力電流Ｉｏが変化する割合は１／ｍには留めることができず、並列接続される半導体スイッチの個数ｍを増加させても、並列接続スイッチの効果を十分には発揮させることができない。
【０００８】
また、半導体スイッチ群９１に含まれる半導体スイッチの各々の制御信号の変化を遅くする対策では、電圧変換効率を落とし、さらに半導体スイッチの遷移時間が長くなることから、高周波領域のスイッチングや高速応答が不可能となる。
【０００９】
また、半導体スイッチ群９１に含まれる半導体スイッチの各々を、（高周波成分を含まない）一定の電圧変化を有する制御信号によって制御できたとしても、各々の半導体スイッチは、それ自体が閾値近辺での急激な電流変化特性を持つため、前述の一定の電圧変化に対応する一定の電流変化は得られず、結果として、半導体スイッチの入出力点の双方で生じる電圧変動を回避することができない。
【００１０】
なお、半導体スイッチと定電流回路とを直列に接続して成る回路を多数個、並列に配置する構成の回路を使用すれば、より理想的な線形出力電流が得られるが、この定電流回路における回路損失が大きくなり、スイッチング電源としては実現できない。
【００１１】
本発明は、以上のような従来のスイッチングレギュレータにおける問題点に鑑みてなされたものであり、スイッチングに起因する入出力電圧の変動を十分に抑制することができる回路損失の少ないスイッチングレギュレータを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記の課題を解決するために、半導体スイッチのオン・オフ動作により直流電圧の変換を行うスイッチングレギュレータにおいて、出力段半導体スイッチにより構成され、かつ前段回路から出力される電流をコピーするカレントミラー回路と、前記カレントミラー回路の前記前段回路として接続され、かつ入出力電流を線形に変形する電流線形可変回路と、前記カレントミラー回路の中性点と電源との間に設置された第１のバッファ回路と、前記中性点と接地との間に設置された第２のバッファ回路と、前記電流線形可変回路と前記中性点との間に設置された第１のスイッチとを備えたことを特徴とするスイッチングレギュレータが提供される。
【００１６】
ここで、前記電流線形可変回路と前記カレントミラー回路の前段回路との間に第２のスイッチを備えることができる。
即ち、本発明では、スイッチングレギュレータの出力トランジスタの前段に、複数の半導体スイッチの作用で電流量を線形に変化できる回路を設け、その電流をコピーして前記出力トランジスタの電流とする。次に、このコピーをする比率を変えることで、出力段に直列に定電流回路を備える構成のスイッチングレギュレータに比べて低回路損失、高変換効率を達成している。
【００１７】
また、半導体スイッチを流れる電流の急激な変化を抑えることで、この半導体スイッチの入出力端子に生じる電圧変動を抑制している。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。
【００１９】
本実施の形態に係るスイッチングレギュレータは、電流線形可変回路１と、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２、ダイオードＤ、インダクタＬ、コンデンサＣとを具備する。
【００２０】
以下、図１に示す本実施の形態に係るスイッチングレギュレータの動作を説明する。
本実施の形態に係るスイッチングレギュレータは、非同期式降圧型スイッチング電源回路となっており、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２のオン・オフ動作により、電源電圧Ｖを変換し、コンデンサＣの一端の出力電流Ｉｏとして出力する。
【００２１】
電流線形可変回路１（詳細は図２で後述する）は、線形の電流を得るための一種の定電流源として機能し、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２は、この定電流源で得られた電流を、出力電流Ｉｏ（コピー電流）に変換（コピー）するためのカレントミラー回路として動作する。
【００２２】
このカレントミラー回路は、前段の出力段半導体スイッチＳＷＯ１と、後段の出力段半導体スイッチＳＷＯ２とのサイズ比を変えることにより、このコピー電流の割合を変えることができる。
【００２３】
また、本実施の形態に係るスイッチングレギュレータでは、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２を、電源側に近い位置に配置する構成としたが、一般に本発明では、これを接地側に近い位置に配置する構成とすることも可能である。
【００２４】
さらに、本実施の形態に係るスイッチングレギュレータは、電流線形可変回路と、その出力電流をコピーする出力段のコピー回路との組合せにより構成される回路でありさえすれば、同期、非同期、降圧、昇圧等の型に限らない様々な型の回路にも適用することが可能である。
【００２５】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの電流線形可変回路の詳細回路構成を含む回路図である。
電流線形可変回路１の構成要素として並列（梯子状）に設置された半導体スイッチＳＷ1〜ＳＷmの各々は、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２よりも小さいサイズの半導体スイッチである。
【００２６】
遅延回路Ｄｅｌ1〜Ｄｅｌm-1、及びバッファＤｖ1〜Ｄｖmは、半導体スイッチＳＷ1〜ＳＷmの各々を逐次にオン・オフ動作させるための回路である。
この回路の出力電流は、やや階段状の電流変化を伴うが、従来の並列スイッチだけの回路に比べて、カレントミラー回路サイズが大きいため、ローパスフィルタの機能をも有することとなり、急激な電流変化は抑制される。
【００２７】
従って、ノード２近辺の電位も、電源電圧由来の変化ではなく、トランジスタの閾値近辺の微小な変化となるため、並列配置された半導体スイッチＳＷ1〜ＳＷmの各々によるオン・オフ動作がディジタル的な動作をとる場合でも、出力電流は滑らかな変化となる。
【００２８】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの他の電流線形可変回路の回路構成を示す回路図である。
半導体スイッチＳＷ21〜ＳＷ23に対応する定電流トランジスタＴｒ21〜Ｔｒ23をそれぞれ直列に接続し、半導体スイッチＳＷ21〜ＳＷ23を含む各列に一定の電流が流れるように制限している。
【００２９】
半導体スイッチＳＷ21〜ＳＷ23の動作については、図２に示す電流線形可変回路１と同様である。
図４は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの他の電流線形可変回路を含む回路図である。
【００３０】
電圧線形変化回路３２により、入力電圧Ｖを線形に変化させ、その出力電圧をＶ−Ｉコンバータ３１に入力することにより、電流線形可変回路の機能を得ている。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。
【００３２】
本発明の第２の実施の形態に係るスイッチングレギュレータは、図２に示す本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの出力段回路を構成するカレントミラー回路に、バッファ回路を構成するトランジスタＴｒ４１，Ｔｒ４２と、電流遮断用スイッチＳＷ４１（第１のスイッチ），ＳＷ４２（第２のスイッチ）とが追加された構成を備える。
【００３３】
より具体的には、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２で構成されるカレントミラー回路の中性点（出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２のゲート同士を接続するポイント）と電源との間にトランジスタＴｒ４１（第１のバッファ回路）を備え、かつ前記中性点と接地との間にトランジスタＴｒ４２（第２のバッファ回路）を備え、かつ半導体スイッチ群４３で構成される電流線形可変回路と前述の中性点との間に電流遮断用スイッチＳＷ４１（第１のスイッチ）を備えている。
【００３４】
また、半導体スイッチ群４３で構成される電流線形可変回路と前記カレントミラー回路の前段との間に電流遮断用スイッチＳＷ４２（第２のスイッチ）を備えている。
【００３５】
電流遮断用スイッチＳＷ４１は、必要時以外に、基準となる電流を遮断することで無駄な電力消費をカットし、電流遮断用スイッチＳＷ４２は、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２がフルにオン・オフ動作させるための前記バッファ回路を電流線形可変回路から切り離す。
【００３６】
出力段半導体スイッチＳＷＯ２がオン動作をとる時には、電流遮断用スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２はオンとなっており、線形に増加する電流は、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２によって構成されるカレントミラー回路によりコピーされる。その後、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２に流れる電流が飽和した時点で、電流遮断用スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２はオフにされ、トランジスタＴｒ４２が出力段半導体スイッチＳＷＯ２をフルにオン動作させる。
【００３７】
次に、出力段半導体スイッチＳＷＯ２がオフ動作をとる時には、トランジスタＴｒ４２をオフにし、その後、電流遮断用スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２をオンにする。線形に減少する電流は、出力段半導体スイッチＳＷＯ１，ＳＷＯ２によって構成されるカレントミラー回路によりコピーされる。電流の減少により出力段半導体スイッチＳＷＯ２がほぼオフとなった時点で、電流遮断用スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２を再びオフにし、トランジスタＴｒ４１により、出力段半導体スイッチＳＷＯ２を完全にオフにする。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明では、出力段のトランジスタに流れる電流の時間変化を、基準電流をコピーすることで厳密に設定することが可能となり、これにより、スイッチングに起因する入出力電圧の変動を十分に抑制することができる。
【００３９】
また、基準となる電流を、任意の倍率コピーでコピーすることができることにより、ドライバの消費電力を前記倍率の割合で抑制することができる。
さらに、必要時以外には、電流コピーを実施しないことで、ドライバの電力消費を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの電流線形可変回路の詳細回路構成を含む回路図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの他の電流線形可変回路の回路構成を示す回路図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの他の電流線形可変回路を含む回路図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。
【図６】従来のスイッチングレギュレータの回路構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１                  電流線形可変回路
２                  ノード
３１                Ｖ−Ｉコンバータ
３２                電圧線形変化回路
Ｃ                  コンデンサ
Ｄ                  ダイオード
Ｌ                  インダクタ
Ｄｅｌ1〜Ｄｅｌm-1  遅延回路
ＤＶ1〜ＤＶm        バッファ
ＳＷＯ１，ＳＷＯ２  出力段半導体スイッチ
ＳＷ1〜ＳＷm        半導体スイッチ
ＳＷ４１，ＳＷ４２  電流遮断用スイッチ
Ｔｒ４１，Ｔｒ４２  トランジスタ
【図１】
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【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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