JP4899528B2

JP4899528B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4899528B2
Application number: JP2006049163A
Authority: JP
Inventors: 俊一桑野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: JP2007228760A

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、負荷の大きさに応じてＰＷＭ制御とＰＦＭ制御を選択的に行うことができる電源装置に関するものである。

従来、この種の電源装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。
この電源装置は、ＰＷＭ制御回路とＰＦＭ制御回路とを備え、通常動作モードと軽負荷モードを外部からの切り換える切り換え信号によって、その両回路を選択的に動作させるようになっている。
このように、外部からの切り換え信号によってその両回路を選択的に動作させる場合にはその切り換え動作を確実に行うことができる。

しかし、電源装置がその負荷の大きさを検出する機能を有し、その負荷の変化に応じてその両回路を選択的に動作させる場合には、一方の回路に動作がいったん切り換わった場合に、その負荷のわずかな変動などで他方の回路に動作が切り換わるのは避けなければならない。
特開２００５−１６０２５４号公報

そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、負荷の大きさを検出し、この検出した負荷の大きさに応じてＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御の動作を選択的に行う場合に、その切り換え動作の安定化を図ることができ、かつ使い勝手が優れている電源装置を提供することにある。

上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のような構成からなる。
すなわち、第１の発明は、電源装置であって、ＰＦＭ制御回路と、ＰＷＭ制御回路と、負荷検出部と、を含み、前記負荷検出部は、前記電源装置の出力電圧と第１の基準値との差を求め、前記差に応じた誤差信号を出力する誤差増幅器と、前記誤差信号に基づいて前記ＰＦＭ制御回路と前記ＰＷＭ制御回路との動作を選択的に切り換える信号を生成する切り換え信号生成回路と、を備え、前記誤差増幅器は、前記第１の基準値として２つの異なる基準値をそれぞれ設定できるようになっており、前記ＰＦＭ制御回路と前記ＰＷＭ制御回路との動作の切り換え後に、前記２つの基準値を一方から他方に変更して使用するようになっている。

第２の発明は、第１の発明において、前記負荷検出部は、前記出力電圧と前記第１の基準値との差を求め、前記差に応じた誤差信号を出力する誤差増幅器と、前記誤差増幅器からの誤差信号に応じたＰＷＭ信号を生成する比較器と、前記比較器からのＰＷＭ信号のパルス幅を第２の基準値と比較し、比較結果に応じて前記ＰＦＭ制御回路と前記ＰＷＭ制御回路との動作を切り換える信号を生成する切り換え信号生成回路と、を備え、前記誤差増幅器は、前記第１の基準値として２つの異なる基準値をそれぞれ設定できるようになっており、前記ＰＦＭ制御回路と前記ＰＷＭ制御回路との動作の切り換え後に、前記２つの基準値を一方から他方に変更して使用するようになっている。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記誤差増幅器は、前記第１の基準値として任意の基準値を外部から設定でき、かつ、その設定値を連続的に調整できるようになっている。

第４の発明は、第２または第３の発明において、前記誤差増幅器および前記比較器は、前記ＰＷＭ制御回路の誤差増幅器および比較器と共通に構成する。

このような構成からなる本発明によれば、負荷の大きさを検出し、この検出した負荷の大きさに応じてＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御の動作を選択的に行う場合に、その切り換え動作の安定化を図ることができ、かつ使い勝手が優れている。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の電源装置の実施形態の構成について、図１を参照して説明する。
この実施形態に係る電源装置は、図１に示すように、シリーズレギュレータ１と、スイッチングレギュレータ２と、負荷検出部３と、切り換え制御端子４と、基準値調整端子５と、基準クロック入力端子６と、共通の出力端子７と、出力電圧検出端子８とを備えている。

この実施形態は、シリーズレギュレータ１とスイッチングレギュレータ２との動作の切り換えを、切り換え制御端子４に外部から入力される第１切り換え信号Ｓ１を用いて行うようになっている。
また、この実施形態のスイッチングレギュレータ２は、ＰＦＭ制御回路２０とＰＷＭ制御回路２１を含み、ＰＦＭ制御回路２０によるＰＦＭ制御（パルス周波数変調制御）またはＰＷＭ制御回路２１のＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）によって出力電圧を所定値に制御するようになっている。

ここで、この実施形態は、図１に示すように、スイッチングレギュレータ２を構成するコイルＬ１と、シリーズレギュレータ１とスイッチングレギュレータ２に兼用されるコンデンサＣ１と、抵抗Ｒ１、Ｒ２からなり出力電圧ＶＯＵＴを検出するための出力電圧検出回路とを含み、これらは外付けとなっている。そして、その外付けでない部分は、集積回路化されている。

次に、この実施形態の構成の詳細について説明する。
シリーズレギュレータ１は、出力電圧を基準電圧を用いて比較し、この比較出力で制御部を動作させて共通の出力端子７に出力する出力電圧ＶＯＵＴを所定値に制御するようになっている。
このため、シリーズレギュレータ１は、誤差増幅器１１とＰ型のＭＯＳトランジスタ１２とを備え、その動作時に、出力電圧ＶＯＵＴが所定値になるようにＭＯＳトランジスタ１２の導通制御を連続的に行うようになっている。

誤差増幅器１１は、出力電圧ＶＯＵＴを検出した検出電圧ＶＦＢを基準電圧ＶＲ１と比較し、その差に応じた誤差信号を生成して出力するようになっている。
このため、誤差増幅器１１は、その−入力端子に基準電圧ＶＲ１が供給され、その＋入力端子に出力電圧ＶＯＵＴを抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧した検出電圧ＶＦＢが供給されるようになっている。誤差増幅器１１の出力はＭＯＳトランジスタ１２のゲートに供給されるようになっている。ＭＯＳトランジスタ１２のソースには入力電圧ＶＤＤが印加され、そのドレインが共通の出力端子７に接続されている。

スイッチングレギュレータ２は、図１に示すように、ＰＦＭ制御回路２０と、ＰＷＭ制御回路２１と、プリドライブ回路２３と、Ｐ型のＭＯＳトランジスタ２４と、Ｎ型のＭＯＳトランジスタ２５と、コイルＬ１と、コンデンサＣ１とを備えている。
ＰＦＭ制御回路２０は、負荷検出部３からの第２切り換え信号Ｓ２によってその動作が制御されるようになっている。また、ＰＦＭ制御回路２０は、その動作時に、検出電圧ＶＦＢの大きさに従って所定のクロックの周波数が変調されたＰＦＭ信号を生成し、この生成されたＰＦＭ信号をプリドライブ回路２３に出力するようになっている。

ここで、そのＰＦＭ信号は、基準クロック入力端子６に入力される基準クロックＣＬＫを、検出電圧ＶＦＢの大きさによって間引くことにより生成するようにしている。
ＰＷＭ制御回路２１は、図１に示すように、誤差増幅器２１１と、発振器（ＯＳＣ）２１２と、比較器（コンパレータ）２１３と、スイッチ２１４とを備えている。
誤差増幅器２１１は、出力電圧ＶＯＵＴを検出した検出電圧ＶＦＢを基準電圧ＶＲ２と比較し、その差に応じた誤差信号を生成して出力するようになっている。また、この誤差増幅器２１１は、基準電圧ＶＲ２を基準値調整端子５に入力する調整信号としての調整電圧ＶＡにより外部から任意の値に調整できるようになっている。

このため、誤差増幅器２１１は、その−入力端子に基準電圧ＶＲ２が供給され、その＋入力端子に出力電圧ＶＯＵＴを抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧した検出電圧ＶＦＢが供給されるようになっている。誤差増幅器２１１の出力端子は、比較器２１３の＋入力端子に接続されている。また、誤差増幅器２１１の出力端子は、抵抗Ｒ３を介して−入力端子に接続され、その−入力端子が抵抗Ｒ４を介して基準値調整端子５に接続されている。

発振器２１２は、所定の周波数の三角波（ランプ波）を生成し、この生成される三角波は比較器２１３の−入力端子に供給されるようになっている。
比較器２１３は、誤差増幅器２１１からの誤差信号と発振器２１２からの三角波によって、その誤差信号の大小に応じてパルス幅が変調されたＰＷＭ信号を生成し、これをプリドライブ回路２４に出力するようになっている。

スイッチ２１４は、負荷検出部３からの第２切り換え信号Ｓ２によってオンオフ制御されるようになっている。
プリドライブ回路２３は、ＰＦＭ制御回路２０からのＰＦＭ信号またはＰＷＭ制御回路２１からのＰＷＭ信号に基づき、ＭＯＳトランジスタ２４、２５をそれぞれオンオフ動作させるオンオフ信号を生成するようになっている。

ＭＯＳトランジスタ２４とＭＯＳトランジスタ２５とは、プリドライブ回路２３からのオンオフ信号に応じて一方がオンのときには他方がオフとなり、入力電圧ＶＤＤと接地電圧ＶＳＳをオンオフ制御するようになっている。
コイルＬ１とコンデンサＣ１とは、オンオフ制御される入力電圧ＶＤＤ、接地電圧ＶＳＳを平滑化するようになっている。

負荷検出部３は、スイッチングレギュレータ２の負荷の大きさを検出し、その検出負荷が基準値よりも小さな場合（軽負荷時）にはＰＦＭ制御回路２０を動作させ、その検出負荷が基準値よりも大きな場合（重負荷時）にはＰＷＭ制御回路２１を動作させるようになっている。
このために、負荷検出部３は、誤差増幅器２１１と、発振器２１２と、比較器２１３と、切り換え信号生成回路３１とを備えている。従って、負荷検出部３とＰＷＭ制御回路２１は、誤差増幅器２１１、発振器２１２、および比較器２１３を共通にして構成されている。

誤差増幅器２１１は、上記のように構成され、基準電圧ＶＲ２を基準値調整端子５に入力する調整信号としての調整電圧ＶＡにより外部から任意の値に調整できるようになっている点に特徴がある。この点については後述する。
発振器２１２および比較器２１３は、上記のように構成されるので、その説明は省略する。

切り換え信号生成回路３１は、比較器２１３からのＰＷＭ信号のパルス幅を基準クロック入力端子６に供給される基準クロックＣＬＫのパルス幅（基準幅）と比較し、この比較結果に応じてＰＦＭ制御回路２０とＰＷＭ制御回路２１との動作を切り換える第２動作切り換え信号Ｓ２を生成するようになっている。
次に、このような構成からなる電源装置の実施形態について、その動作例を図面を参照して説明する。

この実施形態では、シリーズレギュレータ１とスイッチングレギュレータ２との動作の切り換えは、切り換え制御端子４に入力される外部からの第１切り換え信号Ｓ１を使用して行う。
このため、例えば、切り換え制御端子４に入力される第１切り換え信号Ｓ１が「Ｈ」レベルのときには、シリーズレギュレータ１が動作し、スイッチングレギュレータ２が動作を停止する。一方、切り換え制御端子４に入力される第１切り換え信号Ｓ１が「Ｌ」レベルのときには、シリーズレギュレータ１が動作せず、スイッチングレギュレータ２が動作する。

次に、スイッチングレギュレータ２の動作について、図２を参照して説明する。
スイッチングレギュレータ２の動作が開始されると、負荷検出部３はＰＦＭ制御回路２０側を動作させる。この動作と同時に、負荷検出部３はスイッチングレギュレータ２の負荷の大きさの検出を開始し、その検出する負荷の大きさを基準値と比較することによってＰＦＭ制御またはＰＷＭ制御による動作に切り換える。

しかし、その切り換え後には、その基準値を変更することにより、負荷の僅かな変動があってもその動作の切り換えを直ちに行わないようにし、その切り換え動作時の安定化を図るようにしている。
すなわち、図２に示すように、ＰＦＭ制御で動作中において、負荷が増加していき上側の基準値以上になると、ＰＦＭ制御からＰＷＭ制御による動作に切り換わる。その後、負荷が増加してもＰＷＭ制御を行い、逆に負荷が低下しても、下側の基準値になるまでＰＷＭ制御を行う。そして、負荷が下側の基準値以下になると、ＰＷＭ制御からＰＦＭ制御に動作が切り換わる。

従って、負荷検出部３は、図２に示すように、ＰＦＭ制御とＰＷＭ制御を切り換える基準値を上下に２つ持つことができるようにし、これにより、図２に示すようなヒステリシス幅Ｗを持つことができるようになっている。また、負荷検出部３では、外部から入力する基準値調整信号を用いることにより、そのヒステリス幅Ｗを任意のヒステリシス幅Ｗ１、Ｗ２に調整（変更）できるようになっている。

次に、負荷検出部３の具体的な動作例について、図３を参照して説明する。
スイッチングレギュレータ２の動作の開始直後は、切り換え信号生成回路３１からの第２切り換え信号Ｓ２は「Ｌ」レベルであるので、ＰＦＭ制御回路２０が動作し、このときにはスイッチ２１４はオフとなる。
一方、負荷検出部３を構成する誤差増幅器２１１は、出力電圧ＶＯＵＴを検出した検出電圧ＶＦＢを基準電圧ＶＲ２と比較し、その差に応じた誤差信号ＶＣＭＰを生成し（図３（Ｂ）参照）、これが比較器２１３に出力される。

ここで、誤差増幅器２１１の基準電圧ＶＲ２は、図２のＰＦＭ制御とＰＷＭ制御とを切り換えるための基準値に相当する。そして、このときには、その基準電圧ＶＲ２の値は、図２の上側の基準値に相当する値になるように調整されるが、その調整は基準値調整端子５に入力される調整電圧ＶＡにより行う。
誤差増幅器２１１から出力される誤差信号ＶＣＭＰは、検出電圧ＶＦＢと基準電圧ＶＲ２との差に応じてそのレベルが異なり、図３（Ｂ）に示すように、例えばＶＣＭＰ１、ＶＣＭＰ２、ＶＣＭＰ３のようになる。ＶＣＭＰ１がその差が大きく、ＶＣＭＰ３がその差が小さな場合である。

ここで、誤差信号ＶＣＭＰ１、ＶＣＭＰ２、ＶＣＭＰ３の各レベルは、基準値調整端子５に入力される調整電圧ＶＡの調整時の値によって変わる。すなわち、その時に設定されている基準電圧ＶＲ２によっても変わる。
比較器２１３は、誤差増幅器２１１からの誤差信号ＶＣＭＰと発振器２１２からの三角波（図３（Ｂ）参照）によって、その誤差信号の大小に応じてパルス幅が変調されたＰＷＭ信号を生成し、これを切り換え信号生成回路３１に出力する。

比較器２１３から出力されるＰＷＭ信号は、例えば図３（Ｃ）〜（Ｄ）のようになる。ここで、図３（Ｃ）〜（Ｄ）の各ＰＷＭ信号は、誤差信号がＶＣＭＰ１、ＶＣＭＰ２、およびＶＣＭＰ３の場合である。
切り換え信号生成回路３１は、比較器２１３からのＰＷＭ信号のパルス幅を図３（Ａ）に示す基準クロックＣＬＫのパルス幅（基準幅）と比較し、この比較結果に応じて切り換える第２切り換え信号Ｓ２を生成する。

例えば、比較器２１３からのＰＷＭ信号が図３（Ｅ）の場合には、ＰＦＭ制御回路２０の動作を維持するために、切り換え信号生成回路３１で生成される第２切り換え信号Ｓ２は「Ｌ」レベルのままである。
一方、比較器２１３からのＰＷＭ信号が図３（Ｃ）（Ｄ）の場合には、切り換え信号生成回路３１で生成される第２切り換え信号Ｓ２は、ＰＷＭ制御回路２１を動作させるために「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに切り換わる。これにより、ＰＦＭ制御回路２０は動作を停止し、これと同時にスイッチ２１４がオンになってＰＷＭ制御回路２０が動作を開始する。

このようにＰＷＭ制御回路２０が動作を開始すると、負荷検出部３の誤差増幅器２１１の基準電圧ＶＲ２の値は、図２の下側の基準値に相当する値になるように調整されるが、その調整は基準値調整端子５に入力される調整電圧ＶＡにより行う。以後、誤差増幅器２１１は、その調整された基準電圧ＶＲ２によって動作を行う。

次に、誤差増幅器２１１の基準電圧ＶＲ２の調整の仕方の他の例について、図４を参照して説明する。
図１では、基準電圧調整端子５にアナログ信号からなる調整電圧ＶＡを供給し、これにより基準電圧ＶＲ２を調整するようにした。
図４は、これに代えて、基準電圧調整端子５にデジタル信号を供給し、これをシリアル・インターフェース９で受けたのち、Ｄ／Ａコンバータ１０でＤ／Ａ変換してアナログ信号とし、このアナログ信号により基準電圧ＶＲ２を調整するようにしたものである。このようにすると、ＣＰＵなどとの整合性が良くなり、デジタル制御が容易となる。

以上のように、この実施形態では、負荷の大きさに応じて、ＰＦＭ制御回路２０とＰＷＭ制御回路２１と切り換えて動作させるが、その動作の切り換えにかかる基準値（判定値）にヒステリスを持たせるようにしたので、その切り換え時に負荷の僅かな変動があっても、その切り換え動作時の安定化を図ることができる。
また、この実施形態では、そのヒステリシス幅を、外部から入力する基準値調整信号を用いて任意のヒステリシス幅に調整できるようにしたので、外部から制御できて使い勝手が向上する。

本発明の電源装置の実施形態の構成を示す図である。その実施形態のＰＦＭ制御とＰＷＭ制御の動作の概要を説明する説明図である。その実施形態の各部の波形例を示す波形図である。誤差増幅器の基準電圧の調整の仕方の他の例を示す構成図である。

符号の説明

１・・・シリーズレギュレータ、２・・・スイッチングレギュレータ、３・・・負荷検出部、４・・・切り換え制御端子、５・・・基準値調整端子、６・・・基準クロック入力端子、７・・・出力端子、２０・・・ＰＦＭ制御回路、２１・・・ＰＷＭ制御回路、２３・・・プリドライブ回路、２４、２５・・・ＭＯＳトランジスタ、３１・・・切り換え信号生成回路、２１１・・・誤差増幅器、２１２・・・発振器、２１３・・・比較器

Claims

電源装置であって、
ＰＦＭ制御回路と、
ＰＷＭ制御回路と、
負荷検出部と、
を含み、
前記負荷検出部は、
前記電源装置の出力電圧と第１の基準値との差を求め、前記差に応じた誤差信号を出力する誤差増幅器と、
前記誤差信号に基づいて前記ＰＦＭ制御回路と前記ＰＷＭ制御回路との動作を選択的に切り換える信号を生成する切り換え信号生成回路と、を備え、
前記誤差増幅器は、前記第１の基準値として２つの異なる基準値をそれぞれ設定できるようになっており、前記ＰＦＭ制御回路と前記ＰＷＭ制御回路との動作の切り換え後に、前記２つの基準値を一方から他方に変更して使用するようになっていることを特徴とする電源装置。
前記負荷検出部は、
前記出力電圧と前記第１の基準値との差を求め、前記差に応じた誤差信号を出力する誤差増幅器と、
前記誤差増幅器からの誤差信号に応じたＰＷＭ信号を生成する比較器と、
前記比較器からのＰＷＭ信号のパルス幅を第２の基準値と比較し、比較結果に応じて前記ＰＦＭ制御回路と前記ＰＷＭ制御回路との動作を切り換える信号を生成する切り換え信号生成回路と、を備え、
前記誤差増幅器は、前記第１の基準値として２つの異なる基準値をそれぞれ設定できるようになっており、前記ＰＦＭ制御回路と前記ＰＷＭ制御回路との動作の切り換え後に、前記２つの基準値を一方から他方に変更して使用するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記誤差増幅器は、前記第１の基準値として任意の基準値を外部から設定でき、かつ、その設定値を連続的に調整できるようになっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源装置。
前記誤差増幅器および前記比較器は、前記ＰＷＭ制御回路の誤差増幅器および比較器と共通に構成することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電源装置。