JP2005057763A - 電力変換回路および電力変換方法 - Google Patents

電力変換回路および電力変換方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、既知の従来回路をオフセットを抑えるよう改良し、この改良された回路とフィードバック型電力変換器の組合せによって低出力オフセット、高速および高電流効率を実現する、改良された変換回路を提供する。
【解決手段】 本発明の第一の態様によると、電圧変換回路は、直列接続された第一および第二のゲインステージと、第二のゲインステージおよび変換回路の出力との間に配置された切替手段とを備え、ここで第一のゲインステージのゲインは第二のゲインステージのゲインより大きく、第二のゲインステージの帯域幅は第一のゲインステージの帯域幅より大きい。本発明の第二の態様によると、電圧変換方法は、第一および第二のゲインステージを直列接続して第二のゲインステージおよび出力端子との間に配置された切替手段を提供し、第一のゲインステージを第二のゲインステージよりゲインが大きくなるよう選択し、第二のゲインステージを第一のゲインステージより帯域幅が大きくなるよう選択する、ことを含む。
【選択図】 図7

Description

本発明は、電力変換回路および電力変換方法に関する。
集積回路(IC)では、現在、オンチップ電源の需要が高い。ICでは異なる電源電圧レベルが必要とされることが多いため、オンチップ電源があるレベル、すなわち比較的高いレベルの電圧を、同一IC内で使用するために別のレベル、すなわちより低いレベルの電圧に変換することが必要となる。同一IC内での使用のための高電圧レベルから低電圧レベルへの変換は、通常、インダクタおよびコンデンサのような外部部品を使用する切換変換器、または半導体ICに完全に組込みが可能な線形または切換変換器のいずれかによっておこなわれる。
組込み型の変換器としては、線形変換器が一般的に望ましい。これは、回路部品が少なくて済み、よって電圧変換プロセスのためのIC回路配置に必要な装置が少なくて済むためである。したがって、携帯装置用に設計されるICに使用するには、電力効率がよりよい切換変換器と比較しても、線形変換器の方がより適すると考えられる。
線形電力変換器は、外部電源および負荷の間に、自動調整可能な電気抵抗を与えることにより機能する。抵抗は負荷および出力電流に応じて自己調整するため、負荷端子における電圧は一定となる。
Figure 2005057763
Figure 2005057763
よって、電圧変換器の電力効率は次の式により求められる。
Figure 2005057763
Figure 2005057763
電力変換器においては、その回路の制御部においていくらかの電流を消費する。よって、変換器の効率は常に1未満である。
図1に線形電力変換器の典型例を示す。これはプルダウン変換器の一例である。このプルダウン回路において、差動増幅器2は比較器として働き、出力ノード6での電圧が基準電圧Vrefと比較し高いか低いかに応じて、トランジスタ4の形式で、固体スイッチのオンオフを切り替える。トランジスタ4は、負荷8に直列接続され、電圧源VDDに接続される。図2に同じ回路のプルアップ版を示す。スイッチはこれらの回路において、出力電圧が基準電圧よりも低ければオンに、高ければオフに切り替えられる。
図3は、より簡易的なプルダウン線形変換器を示す。これは負荷12に直列接続されたPMOSトランジスタ10で構成される。このプルダウン回路において、PMOSトランジスタ10のゲート電圧は、基準電圧と等価なバイアス電圧に加え、PMOSトランジスタの閾値電圧よりもわずかに高い所定の電圧により固定される。したがって、出力ノード14での電圧が上昇すると、PMOSトランジスタのソース・ゲート電圧もこれにならい、負荷12を介してPMOSトランジスに流れ込む電流も同様である。つまり、PMOSトランジスタは、実質的にダイオードとして機能する。この電流は、負荷電流ILの比較的小さい変動にも適切に機能する。しかし、この回路の出力抵抗は大きく、さらに変動しやすいため、負荷電流も変化し、出力電圧には比較的大きく非線形の変動が起こる。したがって、負荷電流に比較的大きい変動があると、出力電圧において、許容範囲を超えて大きく、非線形の、制御する必要のある変動が起こる。図4にNMOSトランジスタ16をスイッチとして使用する、同じ回路のプルダウン版を示す。
現在使われている電力変換装置はまた、次の二つの問題を抱えている。電流効率の低さ、および負荷電流の変化への対応が通常遅いという点である。
負荷電流の変動が大きくなく大変速くもない場合は、既知の回路も十分に機能する。より簡易的な回路では出力抵抗が大きいため、負荷電流の変動が大きすぎると出力における電圧中に大きなオフセットを引き起こす。このオフセットは、ダイオードスイッチとして機能するトランジスタを物理的に大きくすることによってのみ減少することができる。しかし、これはIC配置上の限られた面積を大きく占拠してしまい、十分な対処法とはいえない。
より複雑な既知の回路では、スイッチを大きくすることなく出力抵抗を減少させるために、増幅されたフィードバックを使用する。この場合、フィードバック増幅器のゲイン(増幅率)と等価な係数によって、スイッチの出力抵抗を減少させる。しかし、高ゲインのフィードバック増幅器は、次の二つの問題を引き起こす。一つは、回路のループゲインが高いため回路の安定性が下がり、回路を安定させるために何らかの形で補正が通常必要となる点である。ここでさらに、これに対処することにより回路速度が落ち、負荷電流が大変急速に変動すると回路は対応できない。二点目は、切換トランジスタは通常大型であるため、そのゲート容量もまた大きいという問題である。このため、フィードバック増幅器は、負荷電流が変化するたびにこのゲート容量を帯電および放電する比較的大量の電流を消費することになる。これにより、回路の電流効率が減少する。
したがって、本発明の目的は、上記の問題を少なくとも実質的に緩和した、改良版のインバータ回路を提供することである。本発明に係る回路は、既知の従来回路をオフセットを減少させるよう改良し、この改良された回路とフィードバック型電力変換器の組合せによって低出力オフセット、高速および高電流効率を実現する。
本発明の第一の態様によると、電圧変換回路は、直列接続された第一および第二のゲインステージと、第二のゲインステージおよび変換回路との出力との間に配置された切替手段とを備え、ここで第一のゲインステージのゲインは第二のゲインステージのゲインより大きく、第二のゲインステージの帯域幅は第一のゲインステージの帯域幅より大きい。
本発明の第二の態様によると、電圧変換方法は、第一および第二のゲインステージを直列接続して第二のゲインステージおよび出力端子との間に配置された切替手段を提供し、第一のゲインステージを第二のゲインステージよりゲインが大きくなるよう選択し、第二のゲインステージを第一のゲインステージより帯域幅が大きくなるよう選択する、ことを含む。
詳細を例示するために、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図5は、本発明に係るプルダウン電力変換回路の概念を示す。実質的に、この回路は、負荷22を介して電流を調整するMOSスイッチ20と、MOSスイッチ20を制御する高速電流検出増幅器24と、電流検出増幅器24に対しバイアス電圧を与える高ゲインで比較的低速のフィードバック増幅器26とを含むと考えられる。したがって、ゲインについてはフィードバック増幅器26の方が高速電流検出増幅器24よりも高いが、帯域幅については高速で動作するその性能により高速電流検出増幅器24の方が、比較的低速のフィードバック増幅器26よりも広い。高速電流検出増幅器は、図5に示す例においては、制御可能な変換特性を備える。
反転および非反転増幅器のいずれにも、変換特性として知られる入出力特性が備わっており、その中央部ではこの特性の傾斜により増幅器のゲインが与えられる。増幅器の入力電圧をVin、出力電圧をVoutとすると、この増幅器のゲインは次の式で求められる。
outの変化÷Vinの変化
この特性の中央部の各端部では、Vinが低すぎるまたは高すぎる場合、ゲインはゼロとなる。すなわち、Vinが多少増加または減少しても、Voutは実質的に変化しない。したがって、高ゲインの領域はこの特性の中央部であると考えられる。
増幅器が制御可能な特性を備える場合、この技術においては、制御電圧Vcontを増加/減少(または減少/増加)することによりシフトする入出力特性を備えると考えられる。
非反転増幅器の場合、Vcontが増加すると、変換特性は、この特性の高ゲイン中央部がVinの値がより高い点にくるようシフトする。もちろん、増幅器の種類によっては、この特性の中央部がVinの値がより低い点にくるようシフトするものもある。
同じ原則が反転増幅器にも当てはまるが、変換特性は非反転増幅器の場合と比べて逆の傾斜を描く。
図5に示す実施形態では、高速増幅器24は負荷電流を直接検出することにより動作し、スイッチトランジスタ20のゲートにおける電圧は、負荷電流の増加または減少に応じて増加または減少される。スイッチトランジスタ20には、負荷22への正確な電流量が流れ込み、出力電圧Voutが上昇するのを防ぐ。高速増幅器24の動作に必要な電流は、リンク28を介して負荷電流によって部分的に供給される。最小負荷電流が高速増幅器24に必要な電流よりも大きい場合、この高速増幅回路の電流消費全量は負荷22から流れ込み、回路の高速増幅器部による総電流消費をゼロとし、全体の電流効率が向上される。
高速増幅器24の動作に必要なバイアス電圧は、ゲインは大変高いが比較的低速のフィードバック増幅器26によって適応的に生成される。回路のこの部分により、電力変換回路全体のオフセットが低く保たれる。電力変換器の出力電圧Voutが基準電圧Vrefと等価でない場合、これを差動増幅器としてのフィードバック増幅器26が検出すると、高速増幅器に与えられたバイアス電圧は出力電圧Voutが基準電圧Vrefと等価になるように制御される。フィードバック増幅器26は動作が大変遅いため、電力消費要件の長期平均をおこない、高速増幅器24のバイアス電圧を最適なレベルに維持するよう調整する。増幅器26は大変低速であるため、その電力消費も大変小さい。つまり、負荷によって少なくとも部分的に供給される比較的高速な増幅器24の動作に必要な電流と組み合わせると、回路全体の総電流消費は極めて小さく、回路全体の電流効率が大変高くなる。また、ICに組み込まれるこの回路に必要な面積は、図1に示す回路の面積よりも小さく、既知の線形電力変換器に比べてさらに有益である。
図5は、変換特性の負の傾斜として示される反転増幅器を含む高速増幅器24を備えた、プルアップ型線形電力変換器を示す。しかし、本発明の原則は、図6に示す高速増幅器24として非反転型増幅器を使用しているプルダウン変換回路や、図7に示すプルアップおよびプルダウン機能を備えた電力変換器にも適用できる。図7に示されるように、高速増幅器において回路のプルアップおよびプルダウン部としてそれぞれ使用される反転および非反転増幅器は、高ゲイン増幅器26を共有し、高ゲイン増幅器26および高速増幅器24の間に、変換特性の高ゲイン部上での高増幅器24の動作を最適化するためのレベルシフタ回路30をそれぞれ備える。高ゲイン増幅器26を共有することにより、個別のプルアップおよびプルダウン変換器を使用する場合と比較し、特に高速増幅器の電流消費がリンク28を介して負荷からのものである場合に、回路効率が改善される。
図8aおよび図8bは、それぞれ図5に示すプルアップ回路および図6に示すプルダウン回路の実装例を示す。図8aのプルアップ回路において、スイッチ20はNMOSトランジスタ32により実施される。図8bのプルダウン回路において、スイッチはPMOSトランジスタ34により実施される。これらの各回路例では、高速増幅器が高速差動増幅器として構成され、各回路は、高速増幅器が確実に変換特性の最適部上で動作するためのレベルシフタ回路を含む。
図9aは、スイッチとしてPMOSトランジスタ36を使用したプルアップ変換器の一例を示す。図9bは、スイッチとしてNMOSトランジスタ38を使用したプルダウン変換器の一例を示す。9aおよび9bに示す例は、高速増幅器24および高ゲイン増幅器26への入力が図8aおよび8bに示すものの反対である点を除き、図8aおよび8bに示す例と同じである。
図10aは、プルアップおよびプルダウン機能を有する変換器の一例を示す。回路のプルアップ部40中のスイッチとしてPMOSトランジスタを使用し、回路のプルダウン部42中のスイッチとしてNMOSトランジスタを使用する。本例では、変換器のプルアップ部40およびプルダウン部42は高ゲイン増幅器26を共有する。
図10bもプルアップおよびプルダウン機能を有する変換器の一例を示す。ここでは回路のプルアップ部40中のスイッチとしてNMOSトランジスタを使用し、回路のプルダウン部42中のスイッチとしてPMOSトランジスタを使用する。本例においても、変換器のプルアップ部40およびプルダウン部42は高ゲイン増幅器26を共有する。しかし、本例では高速増幅器24に供給する差動増幅器の負の入力は、出力ノードに負荷22へと接続される。
図10cは、プルアップおよびプルダウン機能を有する変換器の別の例を示す。ここでは回路のプルアップ部40および回路のプルダウン部42中のスイッチとしてNMOSトランジスタを使用する。本例では、プルアップ部高速増幅器の負の入力およびプルダウン部高速増幅器の正の入力が、ノードに負荷22へと接続される。
図10dは、プルアップおよびプルダウン機能を有する変換器のさらに別の例を示す。ここでは回路のプルアップ部40および回路のプルダウン部42中のスイッチとしてPMOSトランジスタを使用し、高速差動増幅器の正および負の入力に適切に接続される。
図11は、図8aに示す回路の実用的な実装を概略的に示す図であり、高速増幅器は電流シンクI1および電流ソースI2の間に直列配置されたPMOSトランジスタ44を備える。電流ソースI2からの電流値は、電流シンクI1に流れ込む電流、つまり負荷電流ILの最小期待値よりもわずかに大きい。これはいかなる状態においても、高速増幅器24の適切な動作を保証するためである。しかし、一般的には、負荷電流の最小期待値は電流ソースI1から供給される電流よりも大きいことが知られており、したがって電流シンクI2は必ずしも必要ではない。このような場合、回路は高ゲイン増幅器26が必要とする電流のみを消費する。つまり、高ゲイン増幅器は低速で動作するため、消費量は大変少ない。したがって、このような状況において、回路全体の電流効率は大変高い。
図12は、図9aに示す回路の実用的な実装を概略的に示す図であり、高速増幅器24は電流ソースI1および電流シンクI2の間に直列配置されたNMOSトランジスタ46を備える。本例において、I2の値はI1、すなわち負荷電流の最小期待値よりもわずかに大きくなるよう構成される。図11に示す回路と同様に、負荷電流の最小期待値はI1よりも大きく、したがって電流シンクI2は必ずしも必要ではない。この状況においても、回路は高ゲイン増幅器26が必要とする電流のみを消費する。つまり、消費量は大変少なく、回路全体の効率は大変高い。
図13は、図10aに示す回路の実用的な実装を示す。これはプルアップおよびプルダウン機能を備える。本例では、回路40のプルアップ部の高速増幅器は、電流ソースI1に直列配置されたNMOSトランジスタを備え、この回路のプルダウン部の高速増幅器は、電流シンクI2に直列配置されたPMOSトランジスタを備える。図11に示すプルダウン変換器または図12に示すプルアップ変換器と違い、I1およびI2からの電流は回路のいかなる動作中にも流れ続ける。これにより図11および図12に示す回路と比較し電流効率が落ちるが、それでも従来回路と比較すると電流効率は大変高い。これは、両高速増幅器24が高ゲインフィードバック増幅器26を共有し、I1およびI2の値がいずれも負荷電流を下回るからである。
図14は、図11に示すプルダウン変換器の実用的な実装を示す。高ゲインフィードバック増幅器26は、単純差動対であるPMOSトランジスタ60および62、ならびにNMOSトランジスタ64および66で構成される。また、高速増幅器24の電流ソースおよび電流ドレインとして、単純PMOSトランジスタ68およびNMOSトランジスタ70を備える。本例では、フィードバック増幅器26は、ミラー補償によって安定化される。
図15は、図12に示すプルアップ変換回路の実用的な実装を示す。図14に示す回路と同様に、フィードバック増幅器は単純差動対であり、高速増幅器の電流ソースおよび電流ドレインは単純PMOSおよびNMOSトランジスタからなる。
図16は、図13に示す回路の実用的な実装を示し、プルアップおよびプルダウン機能を備える。高ゲインフィードバック増幅器および高速増幅器は、図13および図14に示す回路と同様の回路部品によって製造される。しかし、本実装においては、レベルシフタ回路を使用し、回路のプルアップおよびプルダウン高速部の両方を同一のフィードバック増幅器により制御する。
本発明は、いかなる設計の電圧変換器にも適用可能であるが、特に負荷電流が大変高く速い場合の用途に適する。これには、デジタルスイッチを電圧変換器によって制御する必要のある場合も含まれる。本変換回路はまた、ICの設計において省スペース要件を満たすための大変高い電流効率を提供する。
本回路は、用途が大変広く、線形電力調整器が必要な用途に使用可能である。これには内蔵ICのあらゆる用途が含まれる。
本書の記載はあくまで一例示であり、本発明はその範囲から逸脱することなく、当業者の知識に基づき変更を加えて実施可能である。
図1は、既知のフィードバック補助プルダウン電力変換回路を示す。 図2は、既知のフィードバック補助プルアップ電力変換回路を示す。 図3は、既知のPMOSダイオード型プルダウン変換回路を示す。 図4は、既知のNMOSダイオード型プルダウン変換回路を示す。 図5は、本発明に係るプルアップ変換回路を示す。 図6は、本発明に係るプルダウン変換回路を示す。 図7は、プルアップおよびプルダウン機能を有する、本発明に係る変換回路を示す。 図8aは、スイッチとしてNMOSトランジスタを組み込んだ、本発明に係るプルダウン変換回路の一例を示す。 図8bは、スイッチとしてPMOSトランジスタを組み込んだ、本発明に係るプルダウン変換回路の一例を示す。 図9aは、スイッチとしてのPMOSトランジスタを、ならびにゲインステージ間にレベルシフタ回路を組み込んだ、本発明に係るプルアップ変換回路の一例を示す。 図9bは、スイッチとしてのNMOSトランジスタを、ならびにゲインステージ間にレベルシフタ回路を組み込んだ、本発明に係るプルアップ変換回路の一例を示す。 図10aは、プルアップスイッチとしてのPMOSトランジスタ、およびプルダウンスイッチとしてのNMOSトランジスタを備えた、プルアップおよびプルダウン機能を有する変換回路の一例を示す。 図10bは、プルアップスイッチとしてのNMOSトランジスタ、およびプルダウンスイッチとしてのPMOSトランジスタを備えた、プルアップおよびプルダウン機能を有する変換回路の一例を示す。図10bは、プルアップスイッチとしてのNMOSトランジスタ、およびプルダウンスイッチとしてのPMOSトランジスタを備えた、プルアップおよびプルダウン機能を有する変換回路の一例を示す。 図10cは、プルアップスイッチおよびプルダウンスイッチとしてのNMOSトランジスタを備えた、プルアップおよびプルダウン機能を有する変換回路の一例を示す。 図10dは、プルアップスイッチおよびプルダウンスイッチとしてのPMOSトランジスタを備えた、プルアップおよびプルダウン機能を有する変換回路の一例を示す。 図11は、プルダウン機能および高電流効率を有する、本発明に係る変換回路を示す。 図12は、プルアップ機能および高電流効率を有する、本発明に係る変換回路を示す。 図13は、プルアップおよびプルダウン機能、ならびに高電流効率を有する、本発明に係る変換回路を示す。 図14は、図11に示す回路の実用的な実装を示す。 図15は、図12に示す回路の実用的な実装を示す。 図16は、両ゲインステージに共通のフィードバック増幅器を備え、レベルシフタ回路を組み込んだ、プルアップおよびプルダウン機能を有する変換回路の実用的な実装を示す。
符号の説明
2 差動増幅器
4 トランジスタ
6、14 出力ノード
8、12、22 負荷
10、34、36 PMOSトランジスタ
16、32、38 NMOSトランジスタ
20 MOSスイッチ
24 高速電流検出増幅器
26 フィードバック増幅器
28 リンク
30 レベルシフタ回路
40 プルアップ部
42 プルダウン部

Claims (20)

  1. 直列接続された第一および第二のゲインステージと、
    前記第二のゲインステージおよび前記変換回路の出力との間に配置された切替手段とを含み、
    ここで前記第一のゲインステージのゲインは前記第二のゲインステージのゲインより大きく、
    前記第二のゲインステージの帯域幅は前記第一のゲインステージの帯域幅より大きい、電圧変換回路。
  2. 前記第一のゲインステージのゲインは前記変換回路の出力における出力電圧および前記第一のゲインステージの入力が受け取る基準電圧との差を所定回数の前記出力電圧について平均したものによって決まり、
    前記第二のゲインステージの帯域幅は前記出力電圧の最大瞬時周波数によって決まる、
    請求項1に記載の変換回路。
  3. 前記切替手段がMOSトランジスタを含む、請求項1または2に記載の変換回路。
  4. 前記第二のゲインステージが第一の電流ソースに直列接続されたMOSトランジスタを含む、請求項1乃至3のいずれかに記載の変換回路。
  5. 前記第二のゲインステージがもう一つの電流ソースを含み、
    前記ゲインステージMOSトランジスタが前記第一およびもう一つの電流ソースとの間に直列接続された、
    請求項4に記載の変換回路。
  6. 前記第一およびもう一つの電流ソースがCMOSトランジスタを含む、請求項5に記載の変換回路。
  7. 前記第一のゲインステージが前記変換回路の出力に接続されたフィードバック入力を備えるフィードバック増幅器を含む、請求項1乃至6のいずれかに記載の変換回路。
  8. もう一つの第二のゲインステージと、
    前記もう一つの第二のゲインステージおよび前記変換回路の出力との間に配置されたもう一つの切替手段と、
    をさらに含む、請求項1乃至7のいずれかに記載の変換回路。
  9. 前記もう一つの第二のゲインステージは前記第二のゲインステージのMOSトランジスタとは導電型が反対のMOSトランジスタを含み、
    前記もう一つの切換手段は前記切換手段のMOSトランジスタとは導電型が反対のMOSトランジスタ含む、
    請求項4に従属し請求項3に従属する場合の、請求項8に記載の変換回路。
  10. 前記第一のゲインステージおよび前記第二のゲインステージとの間、および前記もう一つの第二のゲインステージとの間に接続されたそれぞれのレベルシフタ回路を含む、請求項8または9に記載の変換回路。
  11. 第一および第二のゲインステージを直列接続して前記第二のゲインステージおよび出力端子との間に配置された切替手段を提供し、
    前記第一のゲインステージを前記第二のゲインステージよりゲインが大きくなるよう選択し、
    前記第二のゲインステージを前記第一のゲインステージより帯域幅が大きくなるよう選択する、
    を含む電圧変換方法。
  12. 前記第一のゲインステージのゲインは前記電圧変換より起こる出力電圧および前記第一のゲインステージの入力に供給される基準電圧との差を所定回数の前記出力電圧について平均したものによって決まり、
    前記第二のゲインステージの帯域幅は前記出力電圧の最大瞬時周波数によって決まる、
    請求項11に記載の方法。
  13. 前記切替手段がMOSトランジスタを含むよう選択される、請求項10または11に記載の方法。
  14. 前記第二のゲインステージが第一の電流ソースに直列接続されたMOSトランジスタを含むよう選択される、請求項10乃至13のいずれかに記載の方法。
  15. 前記第二のゲインステージがもう一つの電流ソースを含むよう選択され、
    前記ゲインステージMOSトランジスタが前記第一およびもう一つの電流ソースとの間に直列接続される、
    請求項14に記載の方法。
  16. 前記第一およびもう一つの電流ソースがCMOSトランジスタを含むよう選択される、請求項15に記載の方法。
  17. 前記第一のゲインステージが前記出力端子に接続されたフィードバック入力を備えるフィードバック増幅器含むよう選択される、請求項1乃至16のいずれかに記載の方法。
  18. もう一つの第二のゲインステージと、
    前記もう一つの第二のゲインステージおよび前記出力端子との間に配置されたもう一つの切替手段とを提供する、
    を含む、請求項10乃至17のいずれかに記載の方法。
  19. 前記もう一つの第二のゲインステージを前記第二のゲインステージのMOSトランジスタとは導電型が反対のMOSトランジスタとして提供し、
    前記もう一つの切換手段を前記切換手段のMOSトランジスタとは導電型が反対のMOSトランジスタとして提供する、
    を含む、請求項14に従属し請求項13に従属する場合の、請求項18に記載の方法。
  20. 前記第一のゲインステージおよび前記第二のゲインステージとの間、および前記もう一つの第二のゲインステージとの間に接続されたそれぞれのレベルシフタ回路を提供する、を含む、請求項10乃至19のいずれかに記載の方法。
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