JP2007509593A

JP2007509593A - 全体的フィードフォワードスイッチング電源制御

Info

Publication number: JP2007509593A
Application number: JP2006535410A
Authority: JP
Inventors: ブラウン・ジェイムズ・スティーブン
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2007-04-12
Also published as: US6954054B2; US20050083025A1; WO2005039029A3; DE112004001969T5; WO2005039029A2

Abstract

【課題】
【解決手段】開示された電源は、制御信号によって制御可能でありＤＣ入力電圧から所望の出力を供給するスイッチング式変換器と、スイッチング式変換器のスイッチのゲート駆動電圧，温度測定値などをアナログ入力として受信し、アナログ入力をデジタル入力信号に変換するアナログデジタル変換器と、デジタル入力信号を受信して、スイッチを駆動する制御信号を生成するデジタルプロセッサと、デジタル入力信号をスイッチング式変換器の所望の出力に関連付けるデータを記憶して、制御信号の生成に用いるメモリ出力信号をデジタルプロセッサに提供するメモリとを備える。
【選択図】図１

Description

従来のスイッチング電源は、内部基準と比較したフィードバックを用いて、出力を指定範囲内に制御する。直流（ＤＣ）の観点から、上記のことは、出力が所望の精度で実際に制御されるため理想的である。交流（ＡＣ）や過渡電流の観点からは、「入力」の変化に応答するために必要となる有限時間のため、理想的とは言えない。

この場合、「入力」とは、電源の出力電圧に影響しうる以下の要素のいずれかを指す。
・入力電圧
・電源スイッチ駆動電圧
・出力電流
・電源の温度
・電源の周波数

入力電圧および出力電流は、非常に急速に変化する場合がある。従来の出力電圧フィードバックは、その変化によって出力電圧の変化が引き起こされるまでは、その変化を検出することができない。さらに、ハードウェアの制限や安定性の基準により、制御システムは、出力電圧の変化に即座に応答することができない。

最終的な結果は、高速な応答と無条件の安定性との間の妥協点に落ち着く。これで十分なことが多いが、一部の場合では、所望の性能を実現するために、フィードフォワード要素を組み込む必要がある。この例としては、固有の入力電圧フィードフォワードを有する電流モード制御の例がある。これは、ノートパソコンなど、ある入力源から他の入力源に迅速に切り替える用途で、特に有用である。

フィードバックが決して最適ではない別の状況としては、高性能マイクロプロセッサ電源で生じるような高出力負荷過渡電流の状況がある。今のところ、この課題に対処するのに十分なフィードフォワードの方法は開発されていないため、実際的な解決法では、電源が出力電圧の変化に応答する時間を最小化することを焦点としている。

いくつかの入力に関する電源の伝達関数を正確に決定できる場合には、これらの入力の値に従って電源のデューティ比を設定して、出力電圧の正確な制御を実現できる。

電源の出力は、すべての入力条件にわたって対応付けられて、「記憶」される必要がある。この対応付けは、動作の離散点を記憶することを含んでもよいし、各入力の数学的な伝達関数を記憶することに基づいてもよいし、その二つの組み合わせによって実現されてもよい。

理論的には、出力電圧を監視する必要はないが、監視を行うことで、障害検出など、いくつかの潜在的な利点がある。

この全体的なフィードフォワードの方法は、アナログ回路では完全に可能であるが、必要となる複雑さとコストのため、概して実用的ではない。したがって、本発明は、全体的なフィードフォワード制御をデジタルによって実現することを目的とするが、その概念は、アナログの同等物にも適用可能である。

本発明の目的は、電源であって、ＤＣ入力電圧から所望の出力を供給するよう、制御信号によって制御可能なスイッチング式変換器と、前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチのゲート駆動電圧と、前記スイッチング式変換器の温度に関する測定値と、前記ＤＣ入力電圧と、前記スイッチング式変換器の出力電流とを、アナログ入力として受信し、前記アナログ入力をデジタル入力信号に変換するアナログデジタル変換器と、前記デジタル入力信号を受信して、前記スイッチング式変換器の出力を前記所望の出力に駆動するように前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチを駆動するための前記制御信号を生成するデジタルプロセッサと、前記デジタル入力信号を前記スイッチング式変換器の所望の出力に関連付けるデジタルデータを格納すると共に、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力を供給するように前記少なくとも一つのスイッチを駆動するための前記制御信号を前記プロセッサが生成することを可能にするメモリ出力信号を、前記デジタルプロセッサに供給するメモリとを備える電源によって実現される。

また、本発明の目的は、電源であって、ＤＣ入力電圧から所望の出力を供給するよう、制御信号によって制御可能なスイッチング式変換器と、少なくとも１つの入力信号を受信するプロセッサと、を備え、前記少なくとも一つの入力信号は、前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチのゲート駆動電圧と、前記スイッチング式変換器の温度に関する測定値と、前記ＤＣ入力電圧と、前記スイッチング式変換器の出力電流との中の一つまたは複数を含み、前記プロセッサは、前記スイッチング式変換器の出力を前記所望の出力に駆動するように前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチを駆動するための前記制御信号を生成し、前記電源は、さらに、前記少なくとも一つの入力信号を前記スイッチング式変換器の所望の出力に関連付けると共に、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力を供給するように前記少なくとも一つのスイッチを駆動するための前記制御信号を前記プロセッサが生成することを可能にする出力信号を、前記プロセッサに供給する入力／出力相関器を備える電源によって実現される。

さらに、本発明の目的は、ＤＣ入力電圧から所望の出力を供給するよう、制御信号によって制御可能なスイッチング式変換器の出力を制御する方法であって、前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチのゲート駆動電圧と、前記スイッチング式変換器の温度に関する測定値と、前記ＤＣ入力電圧と、前記スイッチング式変換器の出力電流とを、入力として受信する工程と、前記入力と前記スイッチング式変換器の所望の出力との関連付けを行う工程と、前記関連付けからの情報をプロセッサに供給することで、前記スイッチング式変換器の前記所望の出力を供給するように前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチを駆動するための制御信号を前記プロセッサが生成することを可能にする工程とを備える方法によって実現される。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して行う以下の説明から明らかになる。

マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）、論理状態機械、または、その他のデジタル装置（プロセッサ）の形態のデジタル制御と、入力を取得するための混合信号回路とを組み合わせて用いることにより、本技術の実用的な実現が可能である。

図１を参照して、電源変換器１０は、バック、ブースト、バック／ブースト、フライバックなど、任意のスイッチング電源トポロジであってよい。ハイサイド（ＨＳ）およびローサイド（ＬＳ）スイッチと、出力インダクタＬと、出力コンデンサＣとを備えるバック型の変換器トポロジが図示されている。ＤＣバスは、電圧Ｖｉｎで示されている。この制御方法は、理論的には任意のトポロジに有効であるが、出力が、軽負荷での蓄積インダクタンスの関数ではない同期整流トポロジで用いられると、最も効果的である。スイッチのゲート駆動電圧を検知するためのゲート駆動電圧センサ（ＧＤＳ）が備えられている。一方または両方のスイッチに、温度センサ（ＴＳ）が備えられてもよいが、図に示したバック型の変換器については、かかる検知は、ローサイド素子ＬＳに１つのセンサＴＳを備えることで十分に実現できる。

すべての電圧または電流の入力に対して、Ａ／Ｄ変換器２０が備えられている。これらの入力は、図に示すように、入力電圧と、ゲート駆動電圧と、出力電流と、電源の温度とを含んでよい。抵抗器Ｒｓｅｎｓｅ、ＦＥＴスイッチＲ_DSON、誘導抵抗、変流器、または任意の適切な手段を通る出力電流が検知されてよい。動作周波数はプロセッサ３０に制御されるため、既知であり、測定する必要はない。多次元ルックアップテーブルによって直接的に、または、応答をモデル化する多入力数学関数によって、上記の入力の各々に対する電源の出力応答を格納する相関器（例えば、メモリ４０）が、プロセッサ３０に接続されている。必要な精度に応じて、典型的な全体の性能または起動時のキャリブレーション中の個々の供給性能を記憶したもの、もしくは、通常動作中の個々の供給の実際の履歴を記憶したものであってよい。出力電圧を測定して障害検出を円滑にすることも望ましいが、必須ではない。これは図示されていない。また、出力電圧の検知を用いて、電源の多入力伝達関数または多次元ルックアップテーブルを連続的に更新し、経年劣化の影響を補償する、または、電源が、様々な入力に対するパルス幅変調や伝達関数に適切なデューティ比を「独学」、すなわち、適切なデューティ比に適応できるようにしてもよい。ＰＷＭプロセッサ３０は、格納された応答を考慮しつつ入力を処理し、スイッチＨＳおよびＬＳのパルス幅変調（ＰＷＭ）に適切なデューティ比を選択する機能を有する。

設計者は、様々な入力の関数として電源の伝達関数を特性化する必要がある。これは、それらの推定値に必要とされる精度に応じて、実験的または理論的に実行されてよい。実際には、統計的に有効な性能のサンプルを設計時に取得できないため、実験的な方法と理論的な方法とを組み合わせて用いることも好ましい。

電源を用いる方法によっては、この設計時の特性化だけが、電源の寿命にとって必要である場合がある。より高い精度が必要な場合には、さらなるキャリブレーションが必要となる。ランタイムキャリブレーションを用いる場合には、設計時の精度は、最初の起動時の予測可能な動作を保証するのに十分なほど良好であればよい。

ランタイムキャリブレーションは、すべての用途に必要とは限らない。必要な場合には、例えば、以下のいくつかの方法で実行できる。
・外部の機器、情報、および通信を用いて、一連の入力強制関数を適用しつつ、最初の起動時の電源を特性化および「プログラム」する方法
・電源の機器および情報を用いて、一連の入力強制関数を適用しつつ、電源自身を特性化する方法
・上述の方法のいずれかを、内部の機器および情報を用いた継続的かつ定期的な再キャリブレーションと組み合わせる方法

いずれの場合でも、様々な強制関数を準備するために、外部の装置が必要になる。

本発明は、以下に示すいくつかの利点を有する。
・実際的な即時の負荷過渡応答およびライン過渡応答：
応答に必要な時間は、変更された入力を取得する時間とほぼ等しい。従来のフィードバック制御方式と異なり、デューティ比は、新しい入力が処理されるとすぐに、新しい最終値に変更される。
・無条件の安定性：
従来のフィードバック方式では、利用可能なフィードバック周波数範囲にわたって十分な位相余裕を維持して、再生と、その結果生じる不安定とを防止する必要がある。この場合、フィードバックの周波数応答を調整する必要があり、それによって通例は上述のように、電源の応答が遅くなる。従来の意味では、「フィードバック」がないため、従来の安定性は問題にならない。遅延なしに、新しい入力情報を処理することができる。
・デジタル電源制御方式の簡略化：
従来のフィードバックは必要ないため、計算集約的なフィルタリング方式を用いる必要がない。これにより、デジタル制御に必要な処理能力／速度が低減される。

本発明は、具体的な実施形態に関連して説明されているが、多くの他の変更例および変形例、他の用途が存在することは、当業者にとって明らかなことである。したがって、本発明は、本明細書の具体的な開示によっては限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明の回路のブロック図。

Claims

電源であって、
制御信号によって制御可能であり、直流入力電圧から所望の出力を供給するスイッチング式変換器と、
前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチのゲート駆動電圧，前記スイッチング式変換器の温度に関する測定値，前記直流入力電圧，前記スイッチング式変換器の出力電流を、アナログ入力として受信し、該アナログ入力をデジタル入力信号に変換するアナログデジタル変換器と、
前記デジタル入力信号を受信して、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を生成するデジタルプロセッサと、
前記デジタル入力信号を前記スイッチング式変換器の所望の出力に関連付けるデジタルデータを記憶して、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を前記プロセッサが生成することを可能にするメモリ出力信号を該デジタルプロセッサに提供するメモリと
を備える電源。
請求項１記載の電源であって、
前記メモリは、多次元ルックアップテーブルを含むデジタルデータを記憶し、
前記多次元ルックアップテーブルは、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記スイッチング式変換器の前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を前記プロセッサが生成することを可能にするために該プロセッサに提供される前記メモリ出力信号に、前記デジタル入力信号を関連付けた電源。
請求項１記載の電源であって、
前記メモリは、数学関数を含むデジタルデータを記憶し、
前記数学関数は、前記メモリ出力信号が前記デジタル入力信号に応じて前記プロセッサに提供されるように該デジタル入力信号に対する前記スイッチング式変換器の前記所望の出力をモデル化し、
前記プロセッサは、前記数学関数に基づいて、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記スイッチング式変換器の前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を生成する電源。
請求項１記載の電源であって、
前記メモリは、
前記プロセッサに提供される前記メモリ出力信号に前記デジタル入力信号を関連付けた多次元ルックアップテーブルを含むデジタルデータと、
前記メモリ出力信号が前記デジタル入力信号に応じて前記プロセッサに提供されるように該デジタル入力信号に対する前記スイッチング式変換器の前記所望の出力をモデル化した数学関数を含むデジタルデータと
を記憶し、
前記プロセッサは、前記多次元ルックアップテーブルおよび前記数学関数の少なくとも一方に基づいて、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記スイッチング式変換器の前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を生成する電源。
前記制御信号はパルス幅変調信号である請求項１記載の電源。
前記デジタルプロセッサは、前記デジタル入力信号を定期的に受信して、前記制御信号を前記スイッチング式変換器に定期的に提供する請求項１記載の電源。
更に、前記スイッチング式変換器に接続され前記アナログ入力の各々を検知するセンサを備える請求項１記載の電源。
更に、前記スイッチング式変換器の前記出力電圧を検知するセンサを備える請求項７記載の電源。
更に、前記出力電圧を、前記プロセッサに提供されるデジタル入力信号に変換するアナログデジタル変換器を備える請求項８記載の電源。
前記出力電圧は、故障保護を実現するため、または、当該電源の経年劣化の影響を補償するために用いられる請求項９記載の電源。
前記出力電圧は、当該電源の経年劣化の影響を補償するため、または、変動する入力に応じたパルス幅変調または伝達関数の適切なデューティ比を得るために、前記メモリにおける前記デジタルデータの更新に用いられる請求項１０記載の電源。
前記プロセッサは、マイクロコントローラ，マイクロプロセッサ，論理状態機械のいずれかを備える請求項１記載の電源。
電源であって、
制御信号によって制御可能であり、直流入力電圧から所望の出力を供給するスイッチング式変換器と、
少なくとも一つの入力信号を受信して、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を生成するプロセッサであって、前記少なくとも一つの入力信号は、前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチのゲート駆動電圧，前記スイッチング式変換器の温度に関連する測定値，前記直流入力電圧，前記スイッチング式変換器の出力電流の少なくとも一つを含むプロセッサと、
前記少なくとも一つの入力信号を前記スイッチング式変換器の所望の出力に関連付けて、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を前記プロセッサが生成することを可能にする出力信号を該プロセッサに提供する入出力相関器と
を備える電源。
請求項１３記載の電源であって、
前記入出力相関器は、多次元ルックアップテーブルを含むデータを記憶するメモリを備え、
前記多次元ルックアップテーブルは、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記スイッチング式変換器の前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を前記プロセッサが生成することを可能にするために該プロセッサに提供されるメモリ出力信号に、前記少なくとも一つの入力信号を関連付けた電源。
請求項１３記載の電源であって、
前記入出力相関器は、数学関数を含むデータを記憶するメモリを備え、
前記数学関数は、メモリ出力信号が前記少なくとも一つの入力信号に応じて前記プロセッサに提供されるように該入力信号に対する前記スイッチング式変換器の前記所望の出力をモデル化し、
前記プロセッサは、前記数学関数に基づいて、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記スイッチング式変換器の前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を生成する電源。
請求項１３記載の電源であって、
前記入出力相関器は、
前記プロセッサに提供される相関器出力信号に前記入力信号を関連付けた多次元ルックアップテーブルを含むデータと、
前記出力信号が前記入力信号に応じて前記プロセッサに提供されるように該入力信号に対する前記スイッチング式変換器の前記所望の出力をモデル化した数学関数を含むデータと
を記憶し、
前記プロセッサは、前記多次元ルックアップテーブルおよび前記数学関数の少なくとも一方に基づいて、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記スイッチング式変換器の前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を生成する電源。
前記制御信号はパルス幅変調信号である請求項１３記載の電源。
前記プロセッサは、前記少なくとも一つの入力信号を定期的に受信して、前記制御信号を前記スイッチング式変換器に定期的に供給する請求項１３記載の電源。
更に、前記スイッチング式変換器に接続され前記少なくとも一つの入力を検知するセンサを備える請求項１３記載の電源。
更に、前記変換器の前記出力電圧を検知するセンサを備える請求項１９記載の電源。
前記出力電圧は、故障保護を提供するため、または、当該電源の経年劣化の影響を補償するために用いられる請求項２０記載の電源。
前記出力電圧は、当該電源の経年劣化の影響を補償するため、または、変動する入力に応じたパルス幅変調または伝達関数の適切なデューティ比を得るために、前記入出力相関器における前記データの更新に用いられる請求項２１記載の電源。
前記プロセッサは、マイクロコントローラ，マイクロプロセッサ，デジタルシグナルプロセッサ，論理状態機械のいずれかを備える請求項１３記載の電源。
制御信号によって制御可能であり直流入力電圧から所望の出力を供給するスイッチング式変換器の出力を制御する方法であって、
前記スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチのゲート駆動電圧，前記スイッチング式変換器の温度に関する測定値，前記ＤＣ入力電圧，前記スイッチング式変換器の出力電流を、入力として受信する工程と、
前記入力を前記スイッチング式変換器の所望の出力に関連付ける関連付け処理を行う工程と、
前記関連付け処理に基づく情報をプロセッサに提供して、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように該スイッチング式変換器の少なくとも一つのスイッチを駆動する制御信号を該プロセッサが生成することを可能にする工程と、
を備える方法。
請求項２４記載の方法であって、更に、
前記入力をアナログ信号として受信する工程と、
前記入力をデジタル入力信号に変換する工程と、
前記デジタル入力信号を前記プロセッサに提供する工程と、
を備える方法。
請求項２５記載の方法であって、
前記入力を前記スイッチング式変換器の所望の出力に関連付ける工程は、多次元ルックアップテーブルを含むデジタルデータをメモリ内に格納する工程を備え、
前記多次元ルックアップテーブルは、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給されるように前記スイッチング式変換器の前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を前記プロセッサが生成することを可能にするために該プロセッサに提供されるメモリ出力信号に、前記デジタル入力信号を関連付けた方法。
請求項２５記載の方法であって、
前記入力を前記スイッチング式変換器の所望の出力に関連付ける工程は、数学関数を格納する工程を備え、
前記数学関数は、出力信号が前記入力信号に応じて前記プロセッサに提供されるように該入力信号に対する前記スイッチング式変換器の前記所望の出力をモデル化し、
前記プロセッサは、前記数学関数に基づいて、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給するように前記スイッチング式変換器の前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を生成する方法。
請求項２５記載の方法であって、
前記入力を前記スイッチング式変換器の所望の出力に関連付ける工程は、
前記プロセッサに提供されるメモリ出力信号に前記デジタル入力信号を関連付ける多次元ルックアップテーブルを含むデジタルデータをメモリ内に格納する工程と、
出力信号が前記入力信号に応じて前記プロセッサに提供されるように該入力信号に対する前記スイッチング式変換器の前記所望の出力をモデル化した数学関数を格納する工程と
を備え、
前記プロセッサは、前記多次元ルックアップテーブルおよび前記数学関数の少なくとも一方に基づいて、前記スイッチング式変換器から前記所望の出力が供給するように前記スイッチング式変換器の前記少なくとも一つのスイッチを駆動する前記制御信号を生成する方法。
前記制御信号はパルス幅変調信号である請求項２４記載の方法。
請求項２４記載の方法であって、更に、
前記入力を定期的に受信する工程と、
前記制御信号を前記スイッチング式変換器に定期的に提供する工程と
を備える方法。
更に、前記スイッチング式変換器に接続されたセンサを用いて前記入力の各々を検知する工程を備える請求項２４記載の方法。
更に、前記スイッチング式変換器の前記出力電圧を検知する工程を備える請求項３１記載の方法。
更に、前記出力電圧を、前記プロセッサに提供されるデジタル入力信号に変換する工程を備える請求項３２記載の方法。
更に、故障保護を提供するため、または、前記電源の経年劣化の影響を補償するために、前記出力電圧を用いる工程を備える請求項３３記載の方法。
前記入力を前記スイッチング式変換器の前記所望の出力に関連付ける工程において、前記電源の経年劣化の影響を補償するため、または、変動する入力に応じたパルス幅変調または伝達関数の適切なデューティ比を得るために、前記出力電圧を用いる工程を更に備える請求項３４記載の方法。