特許 6266117 スイッチング型の出力段のためのスイッチングエッジを制御するための方法、制御装置及び出力段

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6266117

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】スイッチング型の出力段のためのスイッチングエッジを制御するための方法、制御装置及び出力段

(51)【国際特許分類】

   H03K 17/16 20060101AFI20180115BHJP

   H03K 17/687 20060101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   H03K17/16 H

   H03K17/687 A

【請求項の数】9

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-546988(P2016-546988)

(86)(22)【出願日】2014年11月21日

(65)【公表番号】特表2017-509206(P2017-509206A)

(43)【公表日】2017年3月30日

(86)【国際出願番号】EP2014075284

(87)【国際公開番号】WO2015106865

(87)【国際公開日】20150723

【審査請求日】2016年7月15日

(31)【優先権主張番号】102014200752.6

(32)【優先日】2014年1月17日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390023711

【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】シュテフェン リッツマン

(72)【発明者】

【氏名】トラルフ ロザール

【審査官】 ▲高▼橋 義昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２９５０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３１３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０００１７２５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−０７２５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／０３３２０３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｋ １７／１６

Ｈ０３Ｋ １７／６８７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スイッチング型の出力段（１）のためのスイッチング信号の立上りエッジ及び立下りエッジを含むエッジを制御するための方法において、
−前記出力段（１）のスイッチングノード（１２）における電圧を検出するステップと、
−前記電圧が事前に規定されている第１の基準値に達すると、基準期間を開始するステップと、
−前記基準期間の終了時に前記電圧が事前に規定されている第２の基準値に達している場合には、前記スイッチング信号のエッジ（２８）の勾配を減少させるステップと、
−前記基準期間の終了時に前記電圧が前記事前に規定されている第２の基準値に達していない場合には、前記スイッチング信号のエッジ（１５）の勾配を増加させるステップと、
を備えており、
前記基準期間は、前記出力段（１）の可変の周波数に依存して追従制御される、
ことを特徴とする、方法。

【請求項2】

双安定マルチバイブレータ（２１）が、前記基準期間の終了時に、前記電圧と前記事前に規定されている第２の基準値との比較値を引き継ぎ、カウント信号としてカウンタに引き渡し、後段のディジタル・アナログ変換器（２６）が、前記カウンタの出力に依存して、前記出力段（１）のための制御電流を減少又は増加させる、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記基準期間は、プログラミング可能である、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記スイッチング信号の立上りエッジ及び立下りエッジを相互に独立して制御する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

スイッチング型の出力段（１）のためのスイッチング信号の立上りエッジ及び立下りエッジを含むエッジを追従制御するための制御装置において、
前記出力段（１）のスイッチングノード（１２）における電圧を、事前に規定されている第１の基準値と比較するための第１の比較器（１３）と、
前記電圧が前記事前に規定されている第１の基準値に達すると、基準期間を出力する、前記第１の比較器（１３）によって制御されるタイマ（１６）と、
前記電圧を、事前に規定されている第２の基準値と比較するための第２の比較器（２２）と、
前記第２の比較器（２２）に接続されているデータ入力端、及び、前記タイマ（１６）に接続されているクロック入力端を有している双安定マルチバイブレータ（２１）と、
が設けられており、
前記クロック入力端と前記タイマ（１６）との接続は、前記双安定マルチバイブレータ（２１）の出力端に、前記出力段（１）のための制御電流を減少又は増加させるためのカウント信号が発生するように行われており、
前記基準期間は、前記出力段（１）の可変の周波数に依存して追従制御される、
ことを特徴とする、制御装置。

【請求項6】

前記カウント信号はカウンタ（２４）に供給されており、前記カウンタ（２４）に接続されているディジタル・アナログ変換器（２６）は、前記カウンタ（２４）のカウンタ出力に依存して、前記出力段（１）のための前記制御電流を減少又は増加させるように構成されている、請求項５に記載の制御装置。

【請求項7】

前記タイマ（１６）は、電流源（１８）及びコンデンサ（１９）を有しており、前記電流源（１８）及び／又は前記コンデンサ（１９）はトリミング可能である、請求項５又は６に記載の制御装置。

【請求項8】

請求項５乃至７のいずれか一項に記載の制御装置を備えている出力段であって、前記制御電流によって動作させられるスイッチ（８）が設けられている、出力段。

【請求項9】

前記制御装置（２ａ，２ｂ）が二つ設けられており、一方は前記スイッチング信号の立上りエッジのためのものであり、他方は前記スイッチング信号の立下りエッジのためのものである、請求項８に記載の出力段。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スイッチング型の出力段のためのスイッチングエッジを制御するための方法、スイッチング型の出力段のためのスイッチングエッジを追従制御するための制御装置、並びに、制御装置を備えている出力段に関する。

【背景技術】

【0002】

出力段又は遮断器は、接続されている負荷をオン若しくはオフするため、又は、エネルギをそれらの負荷に伝達するために、クロック制御式に動作することが多い。クロック制御の際にはスイッチングエッジが発生する。つまり、スイッチのオフ状態からオン状態への移行が行われる。スイッチングエッジを設定する際には、スイッチング中又はエッジが発生している間のスイッチにおける損失電力と、スイッチング過程が繰り返されることによる放射エミッションと、の間で妥協点を見出すことが重要である。つまり、比較的大きい勾配ｄｕ／ｄｔ（電圧の時間微分）、従って比較的短い持続時間を有するエッジというのは、損失が少ないエッジを意味し、その一方で、比較的小さい勾配ｄｕ／ｄｔ、従って比較的長い持続時間を有するエッジというのは、高周波（ＨＦ）放射が少ないエッジを意味している。

【0003】

従って、多くの用途にとって、例えば技術的な公差、温度又は給電電圧に起因するスイッチングエッジの分散を小さく維持することは有利である。

【0004】

発明の開示
本発明に係る、スイッチング型の出力段のためのスイッチングエッジを制御するための方法は、基本的に、以下のステップを備えている：
−出力段のスイッチングノードにおける電圧を検出するステップ；
−電圧が事前に規定されている第１の基準値に達すると、基準期間を開始するステップ；
−基準期間の終了時に電圧が事前に規定されている第２の基準値に達している場合には、スイッチングエッジの勾配を減少させるステップ；
−基準期間の終了時に電圧が事前に規定されている第２の基準値に達していない場合には、スイッチングエッジの勾配を増加させるステップ。

【0005】

本発明に係る方法は非常に有利には、スイッチングエッジの分散又は偏差がロバストなやり方で非常に小さく維持されることを実現する。これによって、一方では損失電力に関する条件、他方では高周波放出に関する条件を一定にすることができる。更に、本方法では、スイッチングエッジが基準期間を介して規定されるので、温度変化時又は耐用年数にわたるスイッチングエッジの変化は回避される。

【0006】

有利には、双安定マルチバイブレータが基準期間の終了時に、電圧と事前に規定されている第２の基準値との比較値を引き継ぎ、カウント信号としてカウンタに引き渡すので、後段のディジタル・アナログ変換器は、カウンタ出力に依存して、出力段のための制御電流を減少又は増加させる。このようなエッジのディジタル形式の制御は簡単に実現することができ、また広範な使用範囲を実現する。

【0007】

基準期間を、例えばディジタルインタフェースを介してプログラミングすることができ、このことは、本方法の広範な適合を可能にする。

【0008】

また、基準期間を出力段又はスイッチングレギュレータのパラメータに依存して可変にしてもよい。例えば、スイッチングレギュレータが３００ｋＨｚから２ＭＨｚの間の可変の周波数を有している場合には、相応にエッジが変化するので、それに応じて、基準期間はこの入力量に依存して、即ち周波数に依存して追従制御される。つまり、エッジは各動作状態について最適に制御されることが保証されている。

【0009】

立上りスイッチングエッジ及び立下りスイッチングエッジを相互に独立して制御することができる。これによって多様な用途への使用が実現される。

【0010】

本発明によれば、スイッチング型の出力段のためのスイッチングエッジを追従制御するための制御装置が提供され、この制御装置においては、出力段のスイッチングノードにおける電圧を事前に規定されている第１の基準値と比較するための第１の比較器と、電圧が事前に規定されている第１の基準値に達すると、基準期間を出力する、第１の比較器によって制御されるタイマと、電圧を事前に規定されている第２の基準値と比較するための第２の比較器と、第２の比較器に接続されているデータ入力端及びタイマに接続されているクロック入力端を有している双安定マルチバイブレータと、が設けられており、クロック入力端とタイマとの接続は、マルチバイブレータの出力端に、出力段のための制御電流を減少又は増加させるためのカウント信号が発生するように行われている。この制御装置についても、上記と同じ利点及び変更が該当する。

【0011】

本発明は、出力段の、また特にスイッチング型の出力段トランジスタのエッジを（ディジタル形式で）制御するための、簡単且つロバストな装置又は回路を含んでいる。本発明は、所定の電圧差を克服するためにスイッチングエッジが必要とする時間を、基準期間と比較すること、更にその基準期間に基づいた、出力段を制御するための駆動能力の変化と比較することを基礎としている。これによって、高いｄｕ／ｄｔに関する、即ち短い持続時間又は大きい勾配を有するスイッチングエッジに関する非常に迅速な制御が実現される。更に広範な電圧範囲を制御することができる。

【0012】

一つの特別な実施の形態においては、カウント信号がカウンタに供給されており、カウンタに接続されているディジタル・アナログ変換器は、カウンタのカウンタ出力に依存して、出力段のための制御電流を減少又は増加させるように構成されている。これは簡単且つロバストな実現形態である。

【0013】

タイマが電流源及びコンデンサを有していてもよく、その場合、電流源及び／又はコンデンサはトリミング可能である。このようにして、例えば、例えば１５乃至３０ナノ秒（ｎｓ）の時間に相当すると考えられるプロセス許容差を補償調整することができるので、タイマを基準量にトリミングすることができる。

【0014】

本発明によれば、更に、出力段には、上述の制御装置と、制御電流によって動作させることができるスイッチと、が設けられる。スイッチは、有利には出力段トランジスタであってよい。この出力段についても、上記と同じ利点及び変更が該当する。

【0015】

有利には、上記において述べた二つの制御装置が設けられており、一方は立上りエッジ用の制御装置であり、他方は立下りエッジ用の制御装置である。これによって、スイッチングエッジの適合時又は調節時における更に大きい余地が許容される。

【0016】

本発明の有利な構成は従属請求項に記載されており、またそれらの構成を下記において説明する。

【0017】

本発明の複数の実施例を、添付の図面に基づき下記において詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】エッジを追従制御するための本発明に係る回路のスイッチングチャートを示す。

【図2】図１に示した回路の信号経過も表されているタイミングチャートを示す。

【図3】立上りエッジと立下りエッジとを独立して追従制御するための本発明に係る回路の回路図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１には、スイッチング型の出力段１が示されており、この出力段１は、そのスイッチングエッジを追従制御するための制御装置２を備えている。スイッチング型の出力段１は、スイッチング入力端３を備えており、このスイッチング入力端３に、入力信号／出力信号が印加される。この信号は下側のミラー４に供給される。この下側のミラー４は、上側のミラー５を介して、基準電圧用の端子６と接続されている。下側のミラー４の他方の側は電流源７と接続されており、この電流源７はスイッチング機能のための基本電流を供給する。ミラー又はこのドライバ回路の出力端は、スイッチングトランジスタ又は出力段トランジスタ８と接続されている。トランジスタ８は、入力電圧Ｖ_in用の給電ノード９と負荷１０との間に配置されている。即ち、トランジスタ８は、いわゆるハイサイドスイッチである。トランジスタ８を負荷１０とアースノード１１との間に相応に配置することによって、出力段１又は制御装置２をローサイドスイッチとして形成することもできる。トランジスタ８と負荷１０との間にはスイッチングノード１２が設けられている。

【0020】

以下では、制御装置２又は制御回路について説明する。制御装置２を、独立したユニットとして、若しくは、出力段又はスイッチングレギュレータ１の構成要素として規定することができる。比較器１３の二つの入力端は、下側基準電圧Ｖ_lowを提供する電圧源１４及びスイッチングノード１２と接続されている。図２に示したタイミングチャートに記載されているように、スイッチングノード１２における立上りエッジ１５が下側基準電圧１４を超えると、比較器１３の出力信号は論理値１から論理値０に切り替わる。

【0021】

比較器１３の出力信号の降下によって、ここではアナログ形式で形成されているタイマ１６の基準期間が開始される。タイマ１６は、スイッチングトランジスタ１７、電流源１８並びにコンデンサ１９から構成されている。電流源１８及び／又はコンデンサ１９を介して、基準期間の持続時間が調節される。図２には、コンデンサ１９に印加される電圧が示されている。この電圧はシュミットトリガ２０の入力端に印加される。シュミットトリガ２０の出力は、所定の閾値電圧において０から１に切り替わる。

【0022】

シュミットトリガ２０もまたタイマ１６の構成要素であってよい。基準期間の長さ又は持続時間を、シュミットトリガ２０を介して、正確に言えばシュミットトリガ２０の閾値電圧を介して調節することもできる。択一的に、タイマ１６をディジタル形式で実現することもできる。シュミットトリガ２０の出力端は、フリップフロップ又は双安定マルチバイブレータ２１のクロック入力端と接続されている。

【0023】

第２の比較器２２はスイッチングノード１２と接続されており、且つ、上側基準電圧Ｖ_highを供給する電圧源２３を介して、入力ノード９と接続されている。比較器２２の出力信号は、図２に示されているように、スイッチングノード１２における立上りエッジ１５が上側電圧限界値２３を超えると、論理値０から論理値１に切り替えられる。比較器２２のこの出力信号は、双安定マルチバイブレータ２１のデータ入力端に印加される。

【0024】

基準期間が終了すると、フリップフロップ２１のクロック入力端では、図２の信号経過２０において示されているように、正のクロックエッジが形成され、また図２において信号経過２２として示されている比較器２２の値は引き継がれる。スイッチングノード１２におけるスイッチングエッジが上側限界電圧２３を超えると、比較器２２はハイ信号を供給し、それ以外の場合には、比較器２２はロー信号を供給する。図２における立上りエッジ１５の場合、この立上りは過度に緩慢なので、比較器２２の出力信号は依然として低いか又は論理値０を有している。換言すれば、スイッチングノード１２における電圧は、基準期間の終了時に、事前に規定されている上側基準値２３には未だなお達していない。これによって、フリップフロップ２１の出力は、図２において信号経過２１として示されているように、論理値１から論理値０に切り替えられる。

【0025】

フリップフロップ２１は後段のアップ／ダウンカウンタ２４を制御する。フリップフロップ２１がハイ信号を供給すると、即ち、スイッチングノード１２における電圧が基準期間の終了前に閾値Ｖ_highを超えた場合には、カウンタ２４がカウントダウンされる。入力信号３はインバータ２５を介してカウントパルスをカウンタ２４に供給するので、カウンタ２４においては、出力段１の１回のスイッチング過程につき一つのカウンタイベントしか行われない。ここでは、つまり立上りエッジ１５では、フリップフロップ２１がロー信号を供給するので、入力信号３の後続のスイッチング過程ではカウンタ２４がカウントアップされる。これは図２においてｎからｎ＋１へと変化する信号経過２４として表されている。

【0026】

カウンタ２４のこの信号が、後段のディジタル・アナログ変換器２６又は制御型の電流源に供給される。相応に、ディジタル・アナログ変換器２６は、スイッチングトランジスタ８のためのゲート充電電流又はゲート放電電流を、後続のエッジに関して１ビット分だけ高めるので、その結果、後続のエッジはより高速に立ち上がる。

【0027】

このために、制御型の電流源２６はスイッチングトランジスタ８のための総電流を有利には約２０％から３０％変化させる。メイン電流又は基本電流が電流源７から供給されるので、二つの電流が重畳されることによってスイッチングトランジスタ８のためのゲート電流が形成される。

【0028】

相応に、後続の立下りエッジ２７、また後続の立上りエッジ２８は、ｎ＋１のビット値によってより急峻なエッジになっている。立上りエッジ２８においても、制御装置２は最初の立上りエッジ１５と同様に動作するので、ここでは繰り返しの説明は省略する。しかしながら、エッジ１５とは異なり、この立上りエッジ２８は極めて高速に立ち上がるので、換言すれば、エッジ２８の持続時間は極めて短いので、スイッチングノード１２における電圧は、基準期間の終了前に既に上側の限界値Ｖ_highを超えるので、その結果、比較器２２の出力もフリップフロップ２１の出力も論理値１となるか、又は上側の値に切り替えられる。その結果、カウンタ２４はカウントダウンされ、これによって続いて、後続のエッジ、ここでは立下りエッジ２９が再びビット値ｎを有するように形成される。

【0029】

従ってカウンタ２４は振動状態において、１ビット分のカウントアップとカウントダウンを交互に繰り返す。更にエッジは最下位ビット（ＬＳＢ）分変化する。カウンタ２４は有利には、少なくとも３ビットカウンタとして形成されているので、エッジ勾配を制御するために８ステップを提供する。図１に示されている実施例においては、立上りエッジ１５又は２８が測定及び制御され、その結果が後続の立下りエッジ及び立上りエッジに引き継がれる。

【0030】

図３には、立上りエッジと立下りエッジとを相互に独立して制御することができる制御装置を備えている出力段１が示されている。このために、二つの制御装置２ａ及び２ｂが設けられている。制御装置２ａ及び２ｂは、図１に示した制御装置２に実質的に相当する。図１に示した制御装置２とは異なり、図３に示した制御装置２ａ及び２ｂには電流源７が統合されている。制御装置２ａが制御装置２と同様に立上りエッジを制御する一方で、制御装置２ｂは制御装置２と同様に立下りエッジを制御する。

【図1】

【図2】

【図3】