JP2000333446A - バックコンバータ - Google Patents
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Abstract
供する。 【解決手段】 この発明のバックコンバータは、単一の
インダクタ、単一のパルス幅変調器集積回路、2つのM
OSFETに加えて電圧出力各々に対してさらなるMO
SFETおよび1つ以上のキャパシタを用いる。
Description
月6日出願の米国仮特許出願第60/132,820号
の利益を主張し、それはここに引用により援用される。
タ(buck converter)に関し、特に、デスクトップおよ
びポータブルコンピュータのためのDC−DCコンバー
タに関する。
y)を用いる隔離されていない逓降の直流コンバータが
用いられていた。それらは、それらの磁性体として単一
のインダクタのみを含み、変圧器を含まなかったからで
ある。さらなる巻線が加えられると磁性体のコストが急
増するため、できるだけ簡単な磁性体を用いることが重
要である。コストは製造コストだけでなく検査コストに
よっても増加する。さらに、磁性物質がより複雑になる
と組立時のエラーの可能性を増やし、これがコンバータ
の故障に繋がり得る。しかしながら、バックコンバータ
は単一の出力電圧しか生成できない。もし、2つ以上の
出力電圧が必要であれば、バックコンバータの出力にお
けるリニアレギュレータ、第1のコンバータの出力にお
ける第2のバックコンバータまたは並列バックコンバー
タのいずれかが必要であった。リニアレギュレータの使
用は低コストではあるが、効率は非常に悪く、熱問題を
伴う。第2のバックコンバータまたは並列バックコンバ
ータを使用すると、どちらの場合でも1つ以上のさらな
る完全なコンバータと、それらの磁性体、制御集積回路
などのすべてのもの、を必要とする。さらに、2つの周
波数コンバータを並列接続すると、システムの効率性が
半分になり得る。
圧バスを必要とする。特に、コンピュータのマザーボー
ドは大きな電流、たとえば3.3ボルトおよび2.0ボ
ルト両方を必要とする。従来の方法は、これらの2つの
電圧を発生させるため、各出力に対して別々のコンバー
タを備えることである。各コンバータは、制御集積回
路、同期変流のための2つのMOSFET、インダク
タ、1つ以上の出力キャパシタおよびさまざまな小さな
信号部分を含む。これらの多くの部品、特にインダクタ
は電力変換を非常に高価なものとする。より単純で費用
のかからない解決策が求められてきた。
パルス幅変調器集積回路、2つのMOSFETに加えて
各電圧出力についてさらなるMOSFETおよび1つ以
上のキャパシタを用いる、低コストの複数出力バックコ
ンバータを提供する。
クタ、パルス幅変調器集積回路および2つのMOSFE
Tに加えて1つのMOSFETを不要にする、低コスト
の複数出力バックコンバータを提供する。
単一のより高い電圧入力から得られる必要があるどのよ
うな場合にも、使用され得る複数出力バックコンバータ
を提供する。
ダクタを提供して複数バック出力を発生し、各出力調整
器を備える単一の複数出力バックコンバータを形成す
る。
付図面と関連して以下の詳細な説明を読むと、当業者に
は明らかとなる。
アル出力構成におけるこの発明の基本的な複数出力の単
一のインダクタのバックコンバータ10が示される。コ
ンバータ10の入力12は入力MOSFET14に接続
され、この入力MOSFET14は調整MOSFET1
6およびインダクタ18に接続される。
れ、インダクタ18は第1のMOSFET22に接続さ
れる。MOSFET22はキャパシタ24などの電荷蓄
積素子によって接地20に接続される。MOSFET2
2はさらに第1の電圧出力28に接続される。MOSF
ET22のゲートはパルス幅変調器26に接続され、パ
ルス幅変調器26はさらにMOSFET14および16
のゲートに接続される。
SFET30はインダクタ18とMOSFET22との
間に接続される。MOSFET30はキャパシタ32を
介して接地20および第2の電圧出力36に接続され
る。第2の電圧出力36はパルス幅変調器34に接続さ
れ、パルス幅変調器34はMOSFET30を制御す
る。異なったパルス幅変調器が示されるが、当業者には
それらは単一の半導体チップ上の1つの集積回路であり
得ることが明らかである。
けるこの発明の複数出力の単一のインダクタのバックコ
ンバータ50が示される。バックコンバータ50の電圧
入力52は入力MOSFET54に接続される。MOS
FET54は調整MOSFET56に接続され、調整M
OSFET56は接地58に接続される。MOSFET
54および56はインダクタ60に接続され、インダク
タ60はダイオード63を有する第1のMOSFET6
2に接続され、第1のMOSFET62は第1のキャパ
シタ64を介して接地58に接続される。MOSFET
62はさらにパルス幅変調器66に接続され、パルス幅
変調器66はMOSFET54および56のゲートに接
続される。第1のMOSFET62の出力はさらに第1
の電圧出力68に接続される。
体ダイオード69を有する第2のMOSFET70に接
続され、その出力は第2のキャパシタ72を介して接地
58および第2の電圧出力74に接続される。第2の電
圧出力74はパルス幅変調器71に接続され、パルス幅
変調器71はMOSFET70のゲートに接続される。
ンダクタのバックコンバータ100の単純化された図が
示される。電圧入力110は入力MOSFET112に
接続され、入力MOSFET112はダイオード114
に接続され、ダイオード114は接地116に接続され
る。MOSFET112はさらにインダクタ118に接
続され、インダクタ118はダイオード120に接続さ
れ、ダイオード120はキャパシタ122を介して接地
116および第1の電圧出力124に接続される。
MOSFET126に接続され、MOSFET126は
キャパシタ128によって接地116および第2の電圧
出力132に接続される。第2の電圧出力132はパル
ス幅変調器130に接続され、パルス幅変調器130は
MOSFET112および126のゲートに接続され
る。バックコンバータ100は、第2の電圧出力132
よりも第1の電圧出力124においてより高い電圧出力
を供給するように設けられる。
ックコンバータ100の動作中の構成要素が示される。
図3に用いられるのと同じ番号が図4に用いられる。し
たがって、電圧入力110、MOSFET112、イン
ダクタ118、ダイオード120および第1の電圧出力
124が示される。
るバックコンバータ100が示される。番号は図3に用
いられるのと同じであり、接地116に接続されるダイ
オード114、インダクタ118、ダイオード120お
よび第1の電圧出力124を含む。
るバックコンバータ100が示される。番号は図3に用
いられるのと同じであり、接地116に接続されるダイ
オード114、インダクタ118、MOSFET126
および第2の電圧出力132を含む。
ーションが示され、2ボルトの出力波形150を示す。
ーションが示され、3ボルトの出力波形152を示す。
0、50および100は、電圧出力の1つに対して通常
の単一入力のバックコンバータのように動作する。
は、一定のデューティサイクルで、MOSFET14お
よび16をオンおよびオフにし、同期整流を達成する。
MOSFET16は単方向スイッチとして働き、インダ
クタ18を通る電流を維持する。インダクタ18への入
力は差し当たって直流を有すると仮定され、インダクタ
18と出力キャパシタ24および32との間にそれぞれ
配置されるMOSFET22および30の状態に依存し
て、さまざまな出力キャパシタ24および30に送られ
る。第1の電圧出力28はMOSFET22を用いてイ
ンダクタ18から出力キャパシタ24への電流の流れを
制御する。第2の電圧出力36は、パルス幅変調器26
およびMOSFET30を用いて、インダクタ18から
出力キャパシタ32への電流の流れを制御する。
りである。まず、MOSFET22がオンになって、イ
ンダクタ電流が第1の電圧出力28へ流れるようにな
る。次にMOSFET22がオフになり、MOSFET
30がオンになると、パルス幅変調器34の制御下で第
2の電圧出力36へと電流が流れるようになる。
は、一定のデューティサイクルで、MOSFET54お
よび56をオンおよびオフにして、同期整流を達成す
る。MOSFET56は単方向スイッチとして働き、イ
ンダクタ60を通る電流を維持する。インダクタ60へ
の入力は差し当たって直流を有すると仮定され、インダ
クタ60と出力キャパシタ64および72との間に配置
されるMOSFET62および70の状態に依存して、
さまざまな出力キャパシタ64および72に送られる。
第1の電圧出力68の方がより高い電圧を有する。より
高い電圧出力68は、MOSFET62を用いて、イン
ダクタ60から出力キャパシタ64への電流の流れを制
御する。MOSFET62がオンのとき、出力68へ電
流が流れる。MOSFET62がオフのとき、インダク
タノードにおける電圧がMOSFET62における本体
ダイオード63の降下を加えた出力68電圧よりも高く
なければ、インダクタ電流は第1の電圧出力68へ流れ
ない。
りである。まず、MOSFET62がパルス幅変調器6
6によってオンになると、電流が出力68へ流れる。次
に、MOSFET62がオフになると、MOSFET6
2における本体ダイオード63が導通する。次に、第2
の電圧出力74に接結されるMOSFET70がオンに
なり、インダクタ60の電流を第1の電圧出力68から
第2の電圧出力74へ向ける。MOSFET70はパル
ス幅変調器71によってオフになり、1つのサイクルが
完了する。
6は、そのデューティサイクルを制御することによっ
て、第1の電圧出力68を調整する。第2の電圧出力7
4は、MOSFET70におけるオン時間を制御するこ
とにより、制御される。ダイオードの電圧降下のため、
第2の電圧出力74を調整するのに必要とされないすべ
ての電流は第1の電圧出力68へ向けられる。
OSFETを加えることによって、単一の制御回路の設
計で、さらなる出力につきたった1つの追加MOSFE
Tで複数出力を走らせることができることである。第2
に、単一の単一巻線インダクタのみが用いられる。第3
に、2次のMOSFETは電流源から給電されるため、
効率は複数のコンバータに匹敵するかまたはそれよりも
よい。
62および70などのダイオードを備えるMOSFET
は、それらの本体ダイオードと並列に、別個のショット
キーダイオードを有して、逆回復時間の問題を回避す
る。
ネルであるMOSFET62は、pチャネルのMOSF
ETおよびダイオードに代えられる。
70およびキャパシタ72でなされるように、さらなる
MOSFETおよびキャパシタを用いることによって、
さらなる出力が発生させられる。
タは同期する必要がない。第5代替モードにおいては、
出力電圧はフロントエンドMOSFETと同期または非
同期にスイッチする。
するために簡素化された、この発明のデュアル出力のバ
ックコンバータ100が示される。
OSFET112はオンであり、MOSFET126は
オフである。この状態Iでは、入力110への電圧は、
MOSFET112を通ってインダクタ118へダイオ
ード120を通って出力124へと通過する。
OSFET112はオフであり、MOSFET126は
オフである。この状態IIAでは、ダイオード114はイ
ンダクタ118およびダイオード120を通る出力12
4への電流を維持する。
は、MOSFET112はオフであり、MOSFET1
26はオンである。これが、ダイオード120をカット
オフし、ダイオード114が単方向スイッチとして働い
てインダクタ118およびMOSFET126を通る出
力132への電流を維持するような構成をもたらす。
ティサイクルは、上記状態に基づいて計算され、インダ
クタ118にかかるボルト対秒の関係のバランスをとる
ことに基づく。MOSFETおよびインダクタ118は
抵抗を有さず、ダイオード120は電流に依存しない順
電圧Vfを有すると仮定すると、次のようになる。
事実を表わす。
の流れに基づいており、インダクタは非常に大きいとい
う概算により、インダクタ電流は1周期にわたって一定
であるので、各出力が受取る平均電流は状態時間に依存
する。以下のように、電荷を保存する。
0)において、DCIIB=状態IIBのデューティサイク
ルである。式(11)、(12)のように、式(10)
を用いて式(1)および式(2)からt IIBを消去する
ことができる。式(12)を解くと式(13)のように
なる。次に、式(14)のように、式(11)へ式(1
3)を代入する。デューティサイクルの解は式(15)
のとおりとなる。
0に近づき、DCIは単一出力のバックコンバータの通
常のデューティサイクルに近づくことが注目される。
の通常のデューティサイクルを示す。Vfが0(ゼロ)
に近づくと、別の興味深い極限が得られる。式(17)
は単一の出力を備えるバックコンバータに対する式(1
8)の帰納である。
対するデューティサイクルは、総出力電流によって割ら
れるその出力電流のデューティサイクルを有する、また
は式(19)のようになる。デューティサイクルは式
(20)のとおりである。
び3ボルトについてそれぞれ定常の出力電圧が得られ
る。
明されるが、前記説明に鑑みて、当業者には多くの代
替、修正および変更が明らかとなることが理解される。
したがって、含まれる請求の範囲および精神の範囲内に
留まるそのような代替、修正および変動はすべて含むこ
とが意図される。ここに述べられ、添付図面に示される
すべての事柄は例示的で限定的でない意味に解釈され
る。
複数出力バックコンバータの図である。
バックコンバータの図である。
た、この発明の2つの出力のバックコンバータである。
図3のバックコンバータの図である。
図3のバックコンバータの図である。
図3のバックコンバータの図である。
すスイッチングシミュレーションの図である。
である。
2,30 MOSFET、18 インダクタ、20 接
地、26,34 パルス幅変調器、24,32キャパシ
タ、28,36 出力。
Claims (21)
- 【請求項1】 電圧入力と、 第1の電圧出力と、 第2の電圧出力と、 単一のインダクタと、 電圧入力に接続され、第1の電圧入力が単一のインダク
タに接続される時間を制御するための入力スイッチング
手段と、 入力スイッチング手段と単一のインダクタとの間に接続
され、単一のインダクタを通る電流を維持するための単
方向スイッチング手段と、 単一のインダクタおよび第1の電圧出力に接続される第
1の電圧出力回路と、 入力スイッチング手段、第1の電圧出力回路および第2
の電圧出力に接続されるパルス幅変調器と、 単一のインダクタおよび第2の電圧出力に接続される第
2の電圧出力回路とを含み、前記第2の電圧出力回路は
パルス幅変調器に接続される、バックコンバータ。 - 【請求項2】 第1の電圧出力回路は、 パルス幅変調器に接続され、単一のインダクタが第1の
電圧出力に接続される時間を制御するための第1のスイ
ッチング手段と、 第1のスイッチング手段と第1の電圧出力との間に接続
され、その間の電荷を蓄積するための第1の電荷蓄積手
段とを含む、請求項1に記載のバックコンバータ。 - 【請求項3】 第2の電圧出力回路は、 単一のインダクタと第2の電圧出力との間に接続され、
その間の電荷を蓄積するための第2の電荷蓄積手段と、 単一のインダクタと第2の電荷蓄積手段との間に配置さ
れ、第2の電荷蓄積手段における電荷を維持するための
第2の単方向スイッチング手段とを含む、請求項1に記
載のバックコンバータ。 - 【請求項4】 第2の電圧出力回路は、 第2のパルス幅変調器と、 第2のパルス幅変調器に接続され、単一のインダクタが
第2の電圧出力に接続される時間を制御するための第2
のスイッチング手段と、 第2のスイッチング手段と第2の電圧出力との間に接続
され、その間の電荷を制御するための第2の電荷蓄積手
段とを含む、請求項1に記載のバックコンバータ。 - 【請求項5】 第1の電圧出力回路は、 パルス幅変調器に接続され、単一のインダクタが第1の
電圧出力に接続される時間を制御するための第1のスイ
ッチング手段を含み、 第1のスイッチング手段は電流が第1のスイッチング手
段を通ることを可能にするための第1の単方向スイッチ
ング手段を含み、 第2のスイッチング手段は電流が第2のスイッチング手
段を通ることを可能にするための第2の単方向スイッチ
ング手段を含む、請求項4に記載のバックコンバータ。 - 【請求項6】 パルス幅変調器によって、入力スイッチ
ング手段が第1の電圧出力回路と同期して動作する、請
求項1に記載のバックコンバータ。 - 【請求項7】 パルス幅変調器によって、入力スイッチ
ング手段が第1の電圧出力回路と非同期に動作する、請
求項1に記載のバックコンバータ。 - 【請求項8】 電圧入力と、 第1の電圧出力と、 第2の電圧出力と、 単一のインダクタと、 電圧入力に接続され、第1の電圧入力が単一のインダク
タに接続される時間を制御する入力トランジスタと、 入力トランジスタと単一のインダクタとの間に接続さ
れ、単一のインダクタを通る電流を調整するダイオード
と、 単一のインダクタと第1の電圧出力とに接続される第1
の電圧出力回路と、 入力トランジスタ、第1の電圧出力回路および第2の電
圧出力に接続されるパルス幅変調器と、 単一のインダクタおよび第2の電圧出力に接続される第
2の電圧出力回路とを含み、前記第2の電圧出力回路は
パルス幅変調器に接続される、バックコンバータ。 - 【請求項9】 第1の電圧出力回路は、 パルス幅変調器に接続され、単一のインダクタが第1の
電圧出力に接続される時間を制御する第1のトランジス
タと、 第1のトランジスタと第1の電圧出力との間に接続さ
れ、その間の電荷を蓄積するための第1の電荷蓄積手段
とを含む、請求項8に記載のバックコンバータ。 - 【請求項10】 第2の電圧出力回路は、 単一のインダクタと第2の電圧出力との間に接続され、
その間の電荷を蓄積する第2のキャパシタと、 単一のインダクタと第2のキャパシタとの間に配置さ
れ、第2のキャパシタにおける電荷を調整する第2のダ
イオードとを含む、請求項8に記載のバックコンバー
タ。 - 【請求項11】 第2の電圧出力回路は、 第2のパルス幅変調器と、 第2のパルス幅変調器に接続され、単一のインダクタが
第2の電圧出力に接続される時間を制御する第2のトラ
ンジスタと、 第2のトランジスタと第2の電圧出力との間に接続さ
れ、その間の電荷を制御する第2のキャパシタとを含
む、請求項8に記載のバックコンバータ。 - 【請求項12】 第1の電圧出力回路は、 パルス幅変調器に接続され、単一のインダクタが第1の
電圧出力に接続される時間を制御する第1のトランジス
タを含み、 第1のトランジスタは第1のダイオードを含んで第1の
トランジスタを通る電流を調整し、 第2のトランジスタは第2のダイオードを含んで第2の
トランジスタを通る電流を調整する、請求項11に記載
のバックコンバータ。 - 【請求項13】 パルス幅変調器によって、入力トラン
ジスタが第1の電圧出力回路と同期して動作する、請求
項8に記載のバックコンバータ。 - 【請求項14】 パルス幅変調器によって、入力トラン
ジスタが第1の電圧出力回路と非同期に動作する、請求
項8に記載のバックコンバータ。 - 【請求項15】 電圧入力と、 第1の電圧出力と、 接地と、 第2の電圧出力と、 単一のインダクタと、 電圧入力に接続され、第1の電圧入力が単一のインダク
タに接続される時間を制御する入力MOSFETと、 入力MOSFETおよび第2の電圧出力に接続されるパ
ルス幅変調器と、 入力MOSFETと単一のインダクタとの間に接続され
る単方向スイッチング手段とを含み、単方向スイッチン
グ手段は接地されて単一のインダクタを通る電流を維持
し、 さらに、単一のインダクタ、第1の電圧出力および接地
に接続される第1の電圧出力回路と、 単一のインダクタ、第2の電圧出力および接地に接続さ
れる第2の電圧出力回路とを含み、前記第2の電圧出力
回路はパルス幅変調器に接続される、バックコンバー
タ。 - 【請求項16】 第1の電圧出力回路は、 パルス幅変調器に接続され、単一のインダクタが第1の
電圧出力に接続される時間を制御する第1のMOSFE
Tと、 第1のMOSFETと第1の電圧出力との間に接続さ
れ、その間の電荷を蓄積し、接地される第1のキャパシ
タとを含む、請求項15に記載のバックコンバータ。 - 【請求項17】 第2の電圧出力回路は、 単一のインダクタと第2の電圧出力との間に接続され、
その間の電荷を蓄積し、接地される第2のキャパシタ
と、 単一のインダクタと第2のキャパシタとの間に配置さ
れ、第2のキャパシタにおける電荷を調整する第2のダ
イオードとを含む、請求項15に記載のバックコンバー
タ。 - 【請求項18】 第2の電圧出力回路は、 第2のパルス幅変調器と、 第2のパルス幅変調器に接続され、単一のインダクタが
第2の電圧出力に接続される時間を制御する第2のMO
SFETと、 第2のMOSFETと第2の電圧出力との間に接続さ
れ、その間の電荷を制御し、接地される第2のキャパシ
タとを含む、請求項15に記載のバックコンバータ。 - 【請求項19】 第1の電圧出力回路は、 パルス幅変調器に接続され、単一のインダクタが第1の
電圧出力に接続される時間を制御する第1のMOSFE
Tを含み、 第1のMOSFETは第1のダイオードを含んで第1の
MOSFETを通る電流を調整し、 第2のMOSFETは第2のダイオードを含んで第2の
MOSFETを通る電流を調整する、請求項18に記載
のバックコンバータ。 - 【請求項20】 パルス幅変調器によって、入力トラン
ジスタが第1の電圧出力回路と同期して動作する、請求
項15に記載のバックコンバータ。 - 【請求項21】 パルス幅変調器によって、入力トラン
ジスタが第1の電圧出力回路と非同期に動作する、請求
項15に記載のバックコンバータ。
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