JPH0691737B2 - バツクブ−ストスイツチングレギユレ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はバツク ブースト スイツチング レギユレー
タ、より詳細にはそれらスイツチに対して個別に制御で
きる衝撃係数を持つレギユレータに関する ［従来の技術］ １つの有益なタイプのバツク ブースト スイツチング
レギユレータが合衆国特許第4,395,675号に示されて
いる。このレギユレータは、通常、接地スイツチ及びバ
ツテリー スイツチと呼ばれる２つの同期されたスイツ
チを持つ。これらスイツチは自由に変動するレギユレー
タ フイードバツク信号に応答して２端子誘導子要素内
に蓄積されるエネルギー及びこの要素からレギユレータ
出力へのエネルギーの移動を制御するために同一あるい
は異なる衝撃係数（デユーテイ サイクル）にて動作す
る。しかし、このようなレギユレータは接地スイツチ及
びバツテリー スイツチがそれぞれ０％ポイント及び10
0％ポイントの衝撃係数に接近するように動作されると
制御が困難となる。例えば、レギユレータの出力電圧が
不連続となるなどの問題を生じる。

もう１つのバツク ブースト レギユレータがJ.ポール
コビツチ（paulkovich）らに公布された合衆国特許第4,
245,286号に示されるが、このレギユレータはパルス幅
変調器の動作を抑止しレギユレータ内のスイツチング
トランジスタの駆動を停止するための電流及び温度制限
機能を採用する。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は上記特許第4395675号に開示されるバッ
ク ブースト レギュレータの衝撃係数を制限すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明による改良されたレギユレータにおいては、レギ
ユレータのバツテリー スイツチ及び接地スイツチの衝
撃係数をこれらスイツチの１つが所定のゼロでない衝撃
係数にて動作するように個別に可変的に制御するために
使用される個別の制御信号がレギユレータ出力フイード
バツク信号から派生される。これに加えて、この制御信
号を生成するための回路がスラツク リンク結合によつ
てこれらの間の可変電圧差が所定の最大値を越えない
が、この差の所定の最大値までの衝撃係数レンジ内のこ
れらスイツチの他方のスイツチに対する値に固定される
ように結合される。本発明の詳細並びに本発明の特徴、
目的及び利点は特許請求の範囲及び添付の図面並びに以
下の詳細な説明から一層明白となるものである。

［実施例］ 第１図はR.トウマニ（R.Toumani）に公布された合衆国
特許第4,395,675号に開示されるタイプの無トランスフ
オーマ非反転バツク ブースト レギユレータ９を示
す。

このトウマニ（Toumani）レギユレータでは、誘導子
（インダクタ）の向かい合う端が向かい合う端子つま
り、電圧源のアース及び負に切り替え可能に接続され
る。この目的のために、ドライバ及びスイツチ10はそれ
ぞれ接地スイツチ及びバツテリー スイツチ用の電圧比
較器12及び13を通じて被クロツク ランプ波発生器の出
力から同期的に駆動される。このランプ波発生器の出力
は比較器12、13の入力の所にて一対の制御電圧、あるい
は基準電圧Vcg呼びVcbと比較され、レギュレータ内の接
地スイッチ及びバッテリースイッチの動作の各衝撃係数
を定める。ランプ波発生器11は、好ましくは、例えば、
電圧レンジ０からプラス２ボルトの範囲で約128キロヘ
ルツにてクロツク駆動される。個々のランプ波サイクル
は先のサイクルの終りに０に戻ると直ちにその線形上昇
を開始する。

１つの実施態様（図示なし）においては、トウマニ（To
umani）回路に示されるランプ波生成機能はクロツクが
高値となつたときに電流ミラー増幅器への電流の流入を
開始するために差分ペア電流スイツチを動作するクロツ
ク信号によつて実現される。電流ミラー出力は接地され
たランプ波発生器コンデンサに電流を充電する電流源よ
りもかなり高いレベルから始まる。この出力はこのコン
デンサをすばやく放電するためにもう１つの差分ペア電
流スイツチを通じて接続される。後者のスイツチはコン
デンサがアース電圧に放電するとただちにこのスイツチ
が放電を停止し充電を開始するようにバイアスされる。
後者のスイツチのバイアスはクロツクが電流ミラー増幅
器内の導電を停止するまで再びスイツチバツクできない
ように設計される。このようにして、ランプ波信号のピ
ーク出力はクロツク信号とコンデンサを充電する電流源
との協力によつて定められ、そしてこれはコンデンサが
アース電圧に放電すると停止する。このランプ波信号を
厳密に制御することによつて後述の方法で衝撃係数を制
御することができる。

低域誘電子−コンデンサ フイルタ16は上述の誘電子を
含み、そして個々のランプ波サイクルの部分において、
これらのスイツチは両方とも同時に誘導子内にエネルギ
ーを蓄積するために閉じる。これ以外のときは、これら
のスイツチの少なくとも１つが開かれ、蓄積されたエネ
ルギーがフイルタ コンデンサ及びレギユレータ出力17
の所に接続された負荷（図示なし）に開放される。こう
して開放されるエネルギーの量は、大きな部分が、対応
する接地スイツチ及びバツテリー スイツチの衝撃係数
に依存する。レギユレータ出力を説明されるようにろ波
することによつて基本的に滑らかな平均化された負の電
圧出力Voutが生成される。

この平滑化された負の出力電圧は帰還回路18にフイード
バツクされ、ここでレギユレータ９の出力の電圧調整
を決定するのに使用される制御電圧Vcと比較される。回
路18の利得がドライバ及びスイツチ10が線形モードにて
動作している間に発振に対してレギユレータの安定が保
持できるようにセツトされる。回路18からの出力電圧Vf
bはアースに対して正であり、レギユレータ出力Voと調
整制御電圧Vcとの間にエラー差が存在しないことを表わ
す公称値の間で変動する。このフイード バツク信号は
第２図との関連で説明されるリミツタ及び電圧シフト回
路19に加えられるが、この回路19はVcg及びVcb基準制御
電圧を生成する。より具体的には、これらの制御電圧は
レギユレータ動作が開始されたとき、回路19の動作によ
つてあるいはVoutが加えられるシステム内の固有の制約
によつて、いずれかのスイツチが０％衝撃係数（継続的
に開かれた状態）あるいは100％衝撃係数（継続的に閉
じられた状態）にて動作するのを防ぐ値に制限される。
さらに、VcgとVcbとの間の電圧差がレギユレータの効率
とレギユレータの最大達成可能出力電圧の間の有利な妥
協が得られる所定の最大値に制限される。

さらに電流リミツタ20がレギユレータ スイツチを例え
ばパワーの上げ下げのような変化機能の際に発生する過
多の電流から保護するために提供される。リミツタ20へ
の入力は、例えば、電流ミラー タイプの回路（図示な
し）によつて、バツテリー スイツチ電流に応答するよ
うに結合される。この電流がドライバ及びスイツチ回路
19の回路要素を損傷することなく有効であることが知ら
れている所定のレベルを越えると、クランピング回路が
ランプ波発振器の出力をVcgあるいはVcbのいづれかが達
成することができるよりも高い電圧にクランプするため
に起動される。（ここで説明の一例としての実施態様に
おいては、比較器及び結合器装置は好ましくはサイクル
のスイツチ開放部分がスイツチ制御電圧VcgあるいはVcb
がランプ波信号よりも小さなときと一致するように実現
される。一方、トウマニ（Toumani）特許においては、
サイクルのスイツチ開放部分がランプ信号よりも大きな
ときと一致する。）このクランプ動作はレギユレータの
両方のスイツチをランプ波発生器のサイクルの残りの部
分のあいだ正規の動作が再開されるまで開放された状態
にする。両方のスイツチが開放されているあいだは過多
の負荷電流がフイルタ16内で安全に放電する。

第２図は１つの実施態様に使用されるリミツタ及び電圧
シフタ回路19の詳細を示すが、ここでVcb及びVcgに対し
て回路19の動作によつて幾らかの制限が課せられると同
時に回路19が採用されるシステムの固有の動作の結果と
しての制限が課せられる。この回路は回路18を介して入
力端子26の所に受信されるレギユレータ出力からのフイ
ード バツクVfbに応答して、それぞれ出力端子27及び2
8の所に上述の制限された制御信号Vcg及びVcbを生成す
る。回路19はそれぞれ正の電圧源29と負の電圧源30の間
で動作する。これらは簡略的に丸で囲まれた極性符号に
て示されるが、これは示される回路ポイントに接続され
た示される極性の端子、及びアースに接続された反対の
極性の端子を持つ例えばバツテリーのような電源を表わ
す。

pnpトランジスタQ1のベース端子に加えられるバイアス
電圧は電圧源29から抵抗体31を通じてpnpトランジスタQ
2、Q3、及びQ4を含む電流ミラーに供給される入力電流
のレベルを定める。トランジスタQ3及びQ4のエミツタ端
子はそれぞれ抵抗体32及び33を通じて電圧源30に接続さ
れ、補助トランジスタQ2のコレクタ端子は直接にアース
に接続される。こうして、トランジスタQ4は、例えば、
100マイクロアンペアの電流の電流源として動作する。

入力信号Vfbはnpn電圧のフオロアー トランジスタQ5の
ベース端子に加えられそのコレクターエミツタ電圧降
下、従つて、抵抗体38の向い合う端子36及び37のアース
に対する電圧レベルを変動させる。この抵抗体38はトラ
ンジスタQ5の内部コレクターエミツタ経路と直列に電圧
源29とトランジスタQ4のコレクタ端子との間に接続され
る。抵抗体38は制御電圧Vcb及びVcgを生成する回路を結
合し、そして、これが概むね電流源トランジスタQ4のフ
ル電流を導電すると、この抵抗体間の電圧降下が電圧Vc
bとVcgとの間の最大差を定める。抵抗体38がこのフル電
流以下を導電するときは、これはスラツク結合リンクと
なり、そしてVcbとVcgとの間の電圧差はこの最大差より
小さくなる。一例としての実施態様においては、このフ
ル電流降下は好ましくは約１ボルトである。端子36はpn
pトランジスタQ6のベース端子に接続されるが、このpnp
トランジスタQ6は抵抗体39及び電流源に接続されたpnp
トランジスタQ8と直列に電圧源29と30の間に接続され
る。トランジスタQ6のエミツタ端子もまた出力端子28に
接続される。トランジスタQ5のベース−エミツタ ジヤ
ンクシヨンの間の電圧降下はトランジスタQ6のベース−
エミツタ ジヤンクシヨンの間の電圧の上昇によつて相
殺されるため、出力制御電圧Vcbは基本的に入力電圧Vfb
と同一となる。しかし、pnpトランジスタQ10がVcbの正
の方向への行程を例えば2.7ボルトの電圧に制限するた
めにトランジスタQ6のエミツタとアースとの間に接続さ
れる。この電圧制限は電圧源29とアースとの間に直列に
接続された抵抗体40、41、42及び43を含む分圧器への接
続によつてトランジスタQ10のベース端子の所でセツト
される。Vcbに対する2.7ボルト制限は通常の動作におけ
るランプ波出力ピークよりも大きいが、電流リミツタ20
の制限動作の最中に引かれる出力のレベルよりも小さ
い。

トランジスタQ10の制限動作は説明のごとく、Vcbが過渡
的にこれが加えられる比較器13の入力トランジスタを飽
和するほど高くなるのを防止するようにセツトされる。
システムの設計（例えば、要求される最大出力電圧）に
よりVcbが正規の動作において内在的にバツテリー ス
イツチに対する95％衝撃係数を越えないレベルに制限さ
れるものと仮定される。このような仮定が困難なとき
は、抵抗対40−43をトランジスタQ10がこの衝動係数限
界を達成するように調節する。つまり、Vcbを例えばプ
ラス1.9ボルト以内に保持する。レギユレータの全負荷
状態においてはバツテリー スイツチは通常10％以上の
時間閉じており、これは０％衝撃係数付近に接近できな
いためVcbに対する最低制限は必要でない。無負荷状態
においては、バツテリー スイツチの実際の利得につい
ての不確実さは無負荷状態のフイルタ16の低利得によつ
て相殺されたレギユレータ ループが不安定になるのが
防止される。

低抗体38の端子37は抵抗体46を介してpnpトランジスタQ
7のベース端子に接続され、そしてこのトランジスタQ7
は電圧源29と30の間で抵抗体47と電流源に接続されたpn
pトランジスタQ9と直列に接続される。トランジスタQ8
及びQ9は同一のベース バイアス電流源を持ち、それぞ
れがトランジスタQ6及びQ7を動作の全ての時間において
導電状態に保持するためにこのトランジスタQ6及びQ7の
関連する１つに電流、例えば、50マイクロアンペアを供
給するように設計される。トランジスタQ7のエミツタ端
子は電圧Vcgが端子37の所の電圧に抵抗体46の間の電圧
降下及びトランジスタQ7のベース−エミツタ ジヤンク
シヨン電圧を加えたのに等しいレベルになるように出力
端子27に接続される。電圧VcgはVfbの下側方向にシフト
されバージヨンであると言うこともでき、回路19に用語
“シフタ”が使用されるのはこのためである。

Vcgの正の方向への行程は抵抗体41と42の間の電圧フオ
ロアnpnトランジスタQ11及びpnpトランジスタQ13を通じ
て結合された端子47の所の電圧に制限される。このトラ
ンジスタQ13は端子27とアースとの間に接続される。端
子47の電圧は端子28に対する制限値より低く、好ましく
は、約50％の最大衝撃係数サイクル制限を定めるためラ
ンプ波発振器11の出力の掃引レンジのほぼ中間とされ
る。この衝撃係数限界はレギユレータが正規の動作の最
中では最大出力電圧を達成することができるが、第１図
の基準電圧Vcが突然にさらに正となるような過渡状態に
おいては接地スイツチが50％衝撃係数を越えないように
設定される。これは接地スイツチが約70％の衝撃係数以
上で動作されると、フイルタ16内の誘導子内のエネルギ
ーが負荷に移動するのに十分な時間が確保されなくなる
ことが知られているためである。このような状態におい
ては、Voutが落ち、これはVcをさらに正にし、問題をさ
らに顕著にさせる。この状態が継続すると、レギユレー
タは最終的に回復不能な状態に“ラツチ アツプ”す
る。接地スイツチを50％衝撃係数に制限することによつ
て、常に誘電子エネルギーが移動するのに十分な時間が
確保される。

npnトランジスタQ12の内部コレクタ−エミツタ経路は電
圧源29とトランジスタQ7のベースとの間に接続される。
トランジスタQ12のベース端子は制限機能を提供するた
めに抵抗体42と43の間で端子48に接続される。抵抗体38
の間に最大電圧差が出現すると、端子37の所の電圧はベ
ース バイアス、例えば、0.2ボルトとトランジスタQ12
のベース−エミツタ ジヤンクシヨン降下の合計よりも
さらに正となり、トランジスタQ12は非導電状態とな
る。しかし、Vfbが端子37の所の電圧がこの合計よりも
低くなるほど負にスイングすると、トランジスタQ12は
導電し、トランジスタQ7のベースがそのレベルにクラン
プされ、これによつてVcgの負の方向への行程がさらに
進むのが防止される。これは接地スイツチの最低衝撃係
数、例えば、10％を定める。Q12が導電すると、電流が
低抗体46を通じてトランジスタQ4に流れそのトランジス
タ内のトランジスタQ5からの電流シエアを減少させ、抵
抗体38を通る電流を減少させ、電圧を降下させる。

抵抗体38通しての電圧降下に起因する最大差異によつて
レギユレータが最大限の効率にて全ての所望の出力電圧
を達成することが可能である。レギユレータは任意の出
力電圧に対しては、その電圧がバツテリー スイツチの
みを動作することによつて生成されたときのほうがより
効率的である。しかし、前述したようにレギユレータ制
御の衝撃係数に関連する問題から接地スイツチが少なく
とも約10％の衝撃係数にて動作することが必要である。
これに加えて、いずれのスイツチも95％の衝撃係数を越
えることなくレギユレータの最大ブースト出力を生成で
きることが必要である。リミツタ／シフタ回路19に起因
する１ボルト差異は上記の２つの衝撃係数についての要
件の範囲内で任意の出力電圧に対するバツテリー スイ
ツチ衝撃係数を最大限にする。

本発明は１つの特定の実施態様と関連して説明された
が、当業者においては本発明の精神及び範囲から逸脱す
ることなくこれ以外の実施態様、用途、及び修正が可能
なことは明白である。

［発明の効果］ 以上により、より正確に制御された出力が得られる回路
を有するバック ブースト スイッチング レギュレー
タを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるスイツチング レギユレータの簡
略ブロツク及び線図であり、そして 第２図は第１図のレギユレータに有効である衝撃係数制
御回路の簡略図を示す。 ＜主要部分の符号の説明＞ ドライバ及びスイツチ……10 ランプ波発生器……11 比較器……12、13 帰還回路……18 リミツタ及び電圧シフタ……19 電流リミツタ……20

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インダクタンスの向い合う端子を動作電圧
   を受信するための異なる端子に調節可能な衝撃係数にて
   接続するための第１及び第２のスイッチを含む衝撃係数
   制限バック ブースト スイッチング レギュレータに
   おいて、該レギュレータが レギュレータ入力制御信号に応答して該第１及び第２の
   スイッチの衝撃係数を調節するための第１及び第２の衝
   撃係数制御信号を生成する第１及び第２の手段、及び 該制御信号の間の電圧差を該スイッチの１つの衝撃係数
   調節の最大レンジに相当する値よりも実質的に低い最大
   値に制限する手段を含むことを特徴とするレギュレー
   タ。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載のレギュレー
   タにおいて、該制限手段が 該第１と第２の生成手段の間に接続されたスラック リ
   ンク結合手段を含み、該結合手段が 所定のレンジ内のレギュレータ入力制御信号の全変動に
   応答して調整される衝撃係数にて該第１のスイッチをリ
   ード スイッチとして制御するために該生成手段を動作
   するための該第１の生成手段内の手段、及び 制御信号が増加を続けて該電圧差が該最大値よりも大き
   くなるのを防止し、反対に制御信号が減少を続けたとき
   該電圧差の該最大値を該第２のスイッチに対する所定の
   電圧調整範囲内で可能なレベルに保持するためにこのよ
   うな事態が発生するレギュレータ入力制御信号の変動に
   のみ応答して調整される衝撃係数にて該第２のスイッチ
   をラグ スイッチとして制御するために該生成手段を該
   結合手段と協力して動作するための該第２の生成手段内
   の手段を含むことを特徴とするレギュレータ。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項に記載のレギュレー
   タにおいて、 該第２の生成手段が該第２の制御信号を、該電圧差より
   も低い最小値を持ち、かつ０％よりも実質的に大きな第
   ２のスイッチの衝動係数に相当する電圧レンジに制限す
   るための手段を含むことを特徴とするレギュレータ。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項に記載のレギュレー
   タにおいて、該電圧差制御手段が直列に接続された抵抗
   体及び電流源、 レギュレータ制御入力信号に応答して該抵抗体による一
   定の電圧降下を該降下の大きさに実質的に変動を与える
   ことなく異なる電圧レベルにシフトするための手段、及
   び 該衝撃係数制御信号を該抵抗体の向い合う端から発生さ
   せるための手段を含むことを特徴とするレギュレータ。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項に記載のレギュレー
   タにおいて、該発生させる装置が、 該衝撃係数制御信号の少なくとも１つの行程の大きさを
   制限するための手段を含むことを特徴とするレギュレー
   タ。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第５項に記載のレギュレー
   タにおいて、該行程を制限する手段が、 該抵抗体の低電圧端の所に発生される衝撃係数制御信号
   に応答して、前述の制御信号の最大行程を100％未満の
   衝撃係数に相当するレベルに制限し、また該制御信号の
   最低行程を０％を越える衝撃係数に相当するレベルに制
   限するための手段を含むことを特徴とするレギュレー
   タ。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項に記載のレギュレー
   タにおいて、該行程制限手段がさらに異なる電圧ポイン
   トに複数のタップを持つ抵抗体分圧器、 該最大行程制限手段に対する閾値をセットするために該
   タップの高い電圧の方のタップを結合するための手段、
   及び 該最低行程制限手段に対する閾値をセットするために該
   タップの低い電圧の方のタップを結合するための手段を
   含むことを特徴とするレギュレータ。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第７項に記載のレギュレー
   タにおいて、該行程制限手段がさらに 該タップの該低い電圧の方のタップの所の電圧と該抵抗
   体の該低い方の電圧端の所の電圧とを比較し、該抵抗体
   の低い方の電圧端の所の電圧の方が低いときは電流を該
   電流源に導き、これによって該第２の発生手段を該タッ
   プの該低い電圧の方のタップの所の電圧にほぼ等しい電
   圧にクランプするための手段を含むことを特徴とするレ
   ギュレータ。
9. 【請求項９】特許請求の範囲第１項に記載のレギュレー
   タにおいて、さらに 反復ランプ波信号を生成するための手段、 各々が該第１及び第２のスイッチの異なる１つを開閉す
   るために接続された１つの出力及び該ランプ波信号及び
   該基準信号の異なる１つを受信するために接続された複
   数の入力を持つ第１及び第２の比較器、及び 該スイッチの片方のスイッチ内の少なくとも所定のレベ
   ルの電流に応答して該生成手段の出力を該スイッチ両方
   に対して０％衝動係数に相当する値にクランプするため
   の手段を含むことを特徴とするレギュレータ。