Circuit and method for reducing interference from switched mode circuits

【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は一般にスイッチ・モード電子回路に関するものであって、更に詳細にはスイッチ・モード回路からの干渉を低減するための回路および方法に関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
長年にわたり、有線電話のような広い帯域幅をそれほど厳密に要求されないシステム中にＤ級のオーディオ電力増幅器（ＡＰＡ）が用いられてきた。 しかし、より近年では、新しい製造技術、そして特にパワートランジスタを製造するための新しい技術によって集積されたＤ級ＡＰＡが可能となった。 このことはそれらの応用可能性を、電池から電力を供給する携帯用の音楽プレーヤや無線通信装置を含む、より低電力、より広帯域幅のシステムへ拡げることとなった。
【０００３】
Ｄ級増幅器の主要な特長はその効率である。 一般に、オーディオ信号は、オーディオ信号の振幅とともに幅を変化させるパルスの比較的高周波の流れへと変換される。 このパルス幅変調された（ＰＷＭ）信号を用いて１組のパワー出力トランジスタをカットオフと飽和との間でスイッチングさせ、その結果として９０％を超える効率が得られる。 これとは対照的に、典型的なＡＢ級プッシュ・プル増幅器は、各半サイクル間で伝導性が線形に変化する出力トランジスタを用いており、％６０程度の効率を有する。 Ｄ級増幅器の効率が高いことによって、電力消費が減り、その結果、発熱が減って電池寿命が改善される。
【０００４】
同様に、スイッチ・モード電源は小型電子応用の設計に広く受け入れられるようになってきた。 中でも、スイッチ・モード電源はより小型の変圧器を有利に利用でき、従って典型的にはより小型で軽重量である。 このことは線形の電源よりも優れた効率が実現されることに更に付加されることになる。 更に、部品総数も減らすことができて、例えば、１つのパッケージに実装された１個のパワーＭＯＳＦＥＴダイと１個のＰＷＭコントローラ・ダイにまで減らすことができる。
【０００５】
電池寿命の改善、発熱の低減、および携帯用電子応用の設計および構築における部品寸法の最小化の重要性を考えると、進歩したスイッチ・モード技術は非常に多くの実用的特長を有することになろう。 これらの技術の可能な用途は数多いが、Ｄ級ＡＰＡおよびスイッチ・モード電源は取り上げるべき主要な２つの分野である。
【０００６】
（発明の概要）
本発明の原理に従って、選ばれたスイッチング周波数で動作するスイッチ・モード回路および無線受信機を含むシステムが開示されている。 無線受信機によって受信される信号の周波数の関数としてスイッチ・モード回路１１４／１１５のスイッチング周波数を設定するための回路が含まれる。
【０００７】
本発明の概念は、従来のスイッチ・モード装置の主要な欠点、すなわちスイッチング機構それ自身によって引き起こされる干渉（雑音）に対処する。 この干渉は、無線受信機や同様な干渉に敏感な回路を採用するシステムにおいて重要な関心事である。 本発明の原理に従えば、スイッチング周波数は受信される無線周波数の関数として、スイッチング周波数およびそれの高調波が受信信号の周波数帯域外に位置するようにシフトされる。 有利なことに、これらの原理は、パルス幅変調式の電源やＤ級増幅器を含む、異なるタイプのスイッチ回路にも適用できる。
【０００８】
本発明およびその特長をより完全に理解するために、ここで図面と一緒に以下の説明を参照されたい。
【０００９】
（好適な実施の形態の説明）
本発明の原理およびその特長は図面の図１−３に示された例示的な実施の形態を参照することによって最もよく理解される。 図面において同じ参照符号は同様な部品を指している。
【００１０】
図１は本発明の原理を具体化するディジタル・ラジオ１００の１チャネルの機能的ブロック図である。 ディジタル・ラジオ１００は、付随するアンテナ１０２から高周波（ＲＦ）信号を受信するアナログ区分あるいはフロントエンド１０１を含む。 アナログ・フロントエンド１０１は従来のＲＦダウン・コンバータであることが好ましく、システムの雑音指数を設定する低雑音増幅器（ＬＮＡ）１０３、帯域通過フィルタ１０４、およびアナログ局部発振器１０６によって駆動されるミキサー１０５を含む。 ミキシングおよびダウンコンバートされたアナログ信号は、次にアナログ・ディジタル変換器１０７によってディジタル形式へ変換される。
【００１１】
Ａ／Ｄ変換器１０７からのディジタル化されたデータ出力はディジタル処理区分１０８へ送られる。 一対のミキサー１０９ａ，ｂが、水晶発振器１１０からの対応する一対のクロック位相から同相（Ｉ）および直交相（Ｑ）の信号を発生する。 このＩおよびＱ信号は、次に帯域通過フィルタ１１１ａおよび１１１ｂを通ってディジタル・ベースバンド・プロセッサ１１２へ送られる。 処理されたディジタル信号は、次にＤ／Ａ変換器１１３によってアナログ（オーディオ）形式へ再変換される。
【００１２】
本発明の原理に従えば、以下で詳細に説明するように、スイッチ・モード（Ｄ級）オーディオ電力増幅器（ＡＰＡ）１１４を用いて外部のスピーカ・セットまたはヘッドセットを駆動する。 好ましくはディジタル・ラジオ１００の部品のうち少なくともいくつかはスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）１１４から電力を供給される。 電源１１４についても以下で詳しく説明する。
【００１３】
従来のスイッチ・モード装置を使用することの欠点の１つはスイッチング機構によって発生する干渉（放射および伝導）である。 この問題は特にラジオおよび同様のオーディオ回路を含む小型電子応用で関心事となる。 例えば、もしスイッチング周波数が公称３５０ｋＨｚであれば、７００ｋＨｚ、１０５０ｋＨｚ、および１４００ｋＨｚに高調波が発生するであろうが、これらはすべてＡＭの放送帯域に属する。 その他のポイントでシステム中に雑音が侵入するのを防止するとともに、これらの信号がラジオの受信帯と干渉しないことを保証するために、遮蔽および回路分離を使用することができる。 しかし、これらの代替物は低コストおよび小型電子応用またはそのいずれかでは実用的でない。
【００１４】
本発明の概念に従えば、もしラジオ１００がスイッチング周波数の高調波の１つに近い信号を受信していれば、スイッチング周波数を移動させて、結果のスイッチング雑音が受信信号と干渉しないようにされる。 ＡＰＡ１１４またはＳＭＰＳ１１５のいずれか、あるいは両方で使用される２つの可能なスイッチング信号ＡおよびＢがそれぞれ３５０ｋＨｚおよび３８０ｋＨｚのベース周波数を有すると仮定しよう。 （より高い分解能を提供するために２つよりも多い信号を使用することもできる）対応する高調波は次のようになる。
【００１５】

【００１６】

次に信号ＡおよびＢのうちの１つが受信信号の周波数の関数として選ばれる。 この例で、ＡＭラジオを想定している場合はこの選択は次のように行うことができる。

【００１７】

【００１８】

結果として、スイッチング信号によって発生する干渉およびその高調波は受信帯域より上または下の、それらの雑音性能への効果が最小化される領域へ移動させられる。

【００１９】

ディジタル的に制御されるシステムでは、受信帯域の選択はマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサによって実行されるため、それらはまたＰＷＭ制御回路に対して周波数を変更するように命令できる。 アナログ発振器の場合には、ＰＷＭ制御回路は局部発振器の周波数を計数して、それに従ってＰＷＭ周波数を選択できる。 複数の結晶を備える発振器または周波数分割のいずれかによって、異なるスイッチング周波数を発生させることができる。

【００２０】

図２はシステム１００の１チャネルでＡＰＡ１１４として使用するのに適したＤ級パルス幅変調（ＰＷＭ）増幅器２００の簡略化された機能ブロック図である。 注目すべき点は、基本的なフル・ブリッジの増幅器を示したが、本発明の概念を実現するためにはハーフ・ブリッジのＤ級増幅器を含むその他の回路設計を用いてもよいということである。

【００２１】

フル・ブリッジ方式では、４個のパワーＭＯＳＦＥＴ２０１ａ，ｄが用いられて、ゲートおよびドライバ２０２ａ，ｂの制御下で単一の電圧源Ｖｄｄからの差動出力を駆動する。 この実施の形態では、上側のトランジスタ対のうちの一方のトランジスタおよびＭＯＳＦＥＴの下側トランジスタ対のうちの一方のトランジスタのみがオンで飽和導通状態にあり、他方、各対の他方のトランジスタが完全にターンオフしている。

【００２２】

ゲート／ドライバ２０２ａ，ｂは、以下で説明するように、アナログ・オーディオ信号であるオーディオ入力を高速クロックおよびより低周波クロックと一緒に受信するディジタルＰＷＭコントローラ２０４で生成されるＰＷＭ変調信号によって制御される。 ＰＷＭコントローラはまた、ＭＯＳＦＥＴ対の出力からフィードバックを受ける。 ＰＷＭ信号発生法は、参照によってここに取り込まれる、”スイッチングを低減するためのデルタ・シグマＰＷＭ ＤＡＣ（Ｄｅｌｔａ Ｓｉｇｍａ ＰＷＭ ＤＡＣ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）”と題する、メランソン（Ｍｅｌａｎｓｏｎ）に与えられた同時譲渡の米国特許第５，８１５，１０２号に述べられている。 その結果は入力信号の振幅に比例するパルス幅を有するＰＷＭ信号である。 出力には低域通過フィルタ２０３が使用されて、増幅されたオーディオ入力信号を回復させる。

【００２３】

本発明の概念に従えば、低周波クロック（矩形波）の周波数は、上で述べたように、出力ＭＯＳＦＥＴ（ゲート／ドライバ２０２を介して）を駆動するＰＷＭスイッチング信号が受信帯域の外側へシフトするように調節できる。

【００２４】

発明の概念は、可変周波数の矩形波を発生するための少なくとも２つの方法を提供する。 （これらのオプションは図面中に破線によって一般的に示されている）１つの実施の形態に従えば、水晶発振器２０６は、異なる共振周波数を有する複数の結晶２０７のうちの１つから選択的に動作する。 マイクロコントローラ２０８は、選ばれた受信周波数または周波数帯域の関数としてその水晶発振器を選択し、従って周波数を選択する。 上で示したように、ディジタル的に制御されるラジオでは、受信周波数はチューナーの選択から知ることができ、アナログ・システムではＬＯを計数することから知ることができる。 この実施の形態に関する主要な特長はすべての分割比が同じに保たれるということである。

【００２５】

第２の実施の形態に従えば、ランプ発生器２０５を駆動するための多重クロック周波数を発生するためにプログラマブル周波数ディバイダ２０９が使用される。 ディバイダ２０９は、例えば、ｆｓをＡ／Ｄ変換過程で使用されるサンプリング周波数としたとき、５１２ｆｓのベース周波数からスタートして、次に６４で除算することによって８ｆｓの周波数を得ることができる。 結果の６４個のタイムスロットによって、０から６４までの周期幅のＰＷＭパルス幅を発生することが可能になる。 同様に、もし分割比を例えば７２に変更すれば、スイッチング周波数を８：９の比率で修正することによって、７２個のタイムスロットが利用可能となる。 ディバイダ２０９は、受信周波数の関数としてマイクロコントローラ２０８によって選択される分割比でプログラムできることが好ましい。

【００２６】

これらの概念はシステム１００中のＳＭＰＳ１１５のようなスイッチ・モード電源にも適用できる。 スイッチ・モード電源３００の簡略化された機能回路図が、発明の概念を例示するために図３に示されている。 注目すべき点は例示した実施の形態はアナログ・ランプ発生器およびアナログ比較器を採用しているが、この代わりに上で述べたのと同様のディジタルＰＷＭコントローラをＳＭＰＳ１１５中に用いることもできるということである。

【００２７】

ＳＭＰＳ３００は、インダクタ３０２および出力インピーダンス３０３を駆動するパワーＭＯＳＦＥＴまたは半導体スイッチ３０１をベースにしている。 インダクタ（コア）３０２は一般に電流リップルを濾過し、またキャパシタ３０４は電圧リップルを濾過するために含まれている。 フリーホイール・ダイオード３０５は電流が常にインダクタ３０２に流入することを保証する。 フィードバック・ループが差動誤差増幅器３０６によって表されているが、これは回路出力からのフィードバック信号を基準電圧Ｖｒｅｆと比較する。

【００２８】

誤差増幅器３０６からの出力は変調器３０７の非反転入力へ送られ、それの反転入力はランプ発生器３０８からの三角波または鋸歯状波を受け取る。 上で述べたように、ランプ発生器３０８への矩形波入力の周波数は、受信信号の周波数帯域に依存して変化する。 従って、ＳＷＰＳ３００もまた、マイクロコントローラ３１０によって制御される水晶発振器３０９を含む。 上で述べたように、発明の原理はスイッチング周波数を変更する少なくとも２つの方法を提供する。 １つのオプションでは、異なる共振周波数の複数個の結晶３１１が提供され、その場合、すべての分割比が同じに保たれる。 第２のオプションでは、上で述べたようにベース周波数を分割することによって多重周波数を発生するためにプログラマブル周波数ディバイダ３１２が使用される。

【００２９】

本発明について特定の実施の形態を参照しながら説明してきたが、これらの説明は限定的に解釈されることを意図していない。 本発明の説明を参考にすれば、開示された実施の形態に対して各種の修正が、本発明の代替的な実施の形態とともに、当業者には明らかになるであろう。 開示された本概念および特定の実施の形態は、本発明の同じ目的を実現するために、修正またはその他の構造を設計するためのベースとして容易に活用できることを当業者は理解するべきである。 更に当業者が理解すべき点は、そのような等価な構造が、特許請求の範囲に定義された本発明の精神および展望から外れないということである。

【００３０】

従って、特許請求の範囲は本発明の真のスコープに含まれるそのような任意の修正や実施の形態を包含するであろうことを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を具体化するディジタル・ラジオの１つのチャネルの回路図。

【図２】図１のシステムで、オーディオ電力増幅器として使用するのに適したＤ級パルス幅変調（ＰＷＭ）増幅器の回路図。

【図３】本発明の概念を示すための、スイッチ・モード電源の回路図。