JP2007514311A

JP2007514311A - 変圧器ベースの電圧電源

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Inventors: マーティン、ポール、ウィルソン
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Filing date: 2004-12-07
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Abstract

１次側及び２次側を有する変圧器を含み、加算されるべき第１の電圧が１次側に接続され、加算されるべき第２の電圧が２次側に接続される、電圧加算器が開示される。１次巻線及び２次巻線を備え、１次巻線対２次巻線のｘ：ｙの巻数比を有し、１次巻線内に直列のｘ回の巻を設け、２次巻線内に直列のｙ回の巻を設け、１次巻線と２次巻線に等しい回数の巻を設け、１次巻線の各巻を２次巻線の巻と密接に結合する、変圧器がさらに開示される。

Description

本発明は電圧の供給に関係する。本発明は、特に、電源電圧が選択可能である配置における電力増幅器への電源電圧の供給に関係があるが、それに限られない。本発明は、広いダイナミックレンジを有する広帯域無線周波（ＲＦ）増幅器のような増幅器への電源電圧の制御に関係があるが、それに限られない。

トランジスタ増幅器は、幾何学的性質（すなわち、回路コンポーネント及びレイアウト）、負荷及び電源電圧の関数である特定の入力電力に対してピーク効率を有する。従来の無線周波（ＲＦ）電力増幅器では、これらの特性は期待されるピーク入力レベルに基づいて固定されている。広いダイナミックレンジを有する入力信号が与えられる増幅器では、入力信号がピークレベルに達するのは稀であり、殆どの場合にピークレベルより下で動作する。したがって、増幅器は低い全体的効率を示す。

低い増幅器効率の問題に対する解決策は、入力信号に応じて上記の特性（幾何学的性質、負荷、電源電圧）のうちの一つ以上を変化させることである。これらの特性のうちの一つ以上を変化させる技術は当技術分野で知られている。

装置の幾何学的性質及び負荷を変化させる技術は、使用される特定の電力増幅器のトポロジーに依存して変化する傾向があり、一般的に困難であるが興味深いＲＦ問題をもたらす。製造におけるこのような設計の再現性は一般的に問題である。

電源電圧に基づいて増幅器効率を高める様々な技術が当技術分野で知られている。電源電圧に基づく効率増加スキームは、二つの解決策に大分類される。これらの解決策は、
（ｉ）ＥＥＲ（エンベロープエリミネーションおよびリストレーション）と
（ｉｉ）エンベロープトラッキング
である。

エンベロープエリミネーションおよびリストレーションは、増幅器が飽和動作させられ、すべてのエンベロープ情報が増幅器電源を介して供給されることを必要とする。この技術は、一般的に、高い変調帯域幅を使用するときに電源変調器に対して非常に要求が厳しいので、実用に際して有用性が制限される。

エンベロープトラッキングを用いると、増幅器は実質的に線形的に動作させられる。エンベロープトラッキングは、高い変調電力帯域幅を実現する能力をもつ効率的な電力供給を必要とする。知られている技術では、スイッチモードパルス幅変調器（一般的にＳ級と称される）が電力増幅器への効率的な可変電源を実現するため使用される。しかし、全帯域幅で動作するため、電源は変調の帯域幅の何倍もの帯域幅で切り替わる必要があり、この過度に高いスイッチング速度は変調器効率を悪くする。

別の従来技術のエンベロープトラッキング技術では、複数台の非常に効率的な中間電源が設けられ、その電源がエンベロープレベルによる要求に応じて切り替えられる。このスイッチングは、高次の混変調積でスペクトルを劣化させる一時的障害を生じ、入力に依存する非線形性と共に電源に依存する非線形性を取り込むことにより線形化を難しくさせる。

この技術へのさらなる修正では、電源のスイッチングは、スイッチレベルの間に滑らかな遷移を与え、電源に依存する線形化要件を取り除くために、線形増幅器と組み合わされる。このエンベロープトラッキングの方法の目的は、エンベロープレベル毎に一意の電源電圧の値を与えることである。しかし、トラッキング速度能力に影響を与えることなくこの目的を達成するには問題がある。

可変レベル電源は、必要な様々の電圧電源レベルを提供するために、異なる電源レベルの間で切り替わる能力が必要である。これを実現する一つの知られている方法は、数台の電圧源の間の粗いスイッチングの手段を設けることである。しかし、この粗いスイッチングは、図１に示されるように、電圧電源信号に誤差を生じさせる。図１を参照すると、参照符号１０６は、電源電圧の理想的なエンベロープを表現する破線を示す。この理想的な電源エンベロープ１０６は、好ましくは、電力増幅器のような電源が駆動している装置への入力信号のエンベロープを追跡する。参照符号１０２は、装置への入力信号のエンベロープを表現する線を示す。

しかし、実際上、粗いスイッチングを使用すると、電源エンベロープは階段状の曲線１０４によって表現されるような形状に従う。図１に関して示された実施例では、切り替えられた電源は、４個の粗いレベルＶ_１〜Ｖ_４を有することが仮定されている。装置への入力信号のエンベロープのように、参照符号１０２は、電力レベルＶ_１〜Ｖ_４の一つに到達し、電源電圧は適切に切り替わる。したがって、図１においてわかるように、電源電圧は４個のレベルの間で切り替わる。よって、サイクル中に電源電圧が過剰であり、したがって、誤っている部分が存在する。斜線領域１０８によって示されるように、階段状の電源電圧の実施は、斜線領域１０８が浪費されたエネルギーを表現するので、効率の悪さを生じる。

この問題を解決するため、補間を行い、誤差を最小限に抑えるべく、選択された粗電圧を微細に調節可能である電圧源と合計することが知られている。

効率を良くするため電源電圧の選択及び電圧電源への調節を制御する特に有利な技術は、英国特許出願第０３０３８２６．２号において教示されている。

本発明の目的は、電源電圧の発生のときに、電圧を加算するための改良されたスキームを提供することである。

本発明の一態様によれば、１次側及び２次側を有する変圧器を含み、加算されるべき第１の電圧が１次側に接続され、加算されるべき第２の電圧が２次側に接続される電圧加算器が提供される。

第１の電圧は１次側の第１のタップと１次側の第２のタップとの間に接続され、第２の電圧は２次側の第１のタップに接続され、加算された電圧が１次側または２次側の第２のタップに与えられる。

第１の電圧は第２の電圧より高く、加算された電圧は変圧器の１次側の第２のタップに与えられる。

第１の電圧は可変電圧でもよい。第１の電圧は切り替え可能な電圧源によって供給されてもよい。第２の電圧は可変でもよい。第２の電圧は切り替え可能な電圧源によって供給される。

第１の電圧はｎ個のレベルの間で可変であり、第２の電圧はｍ個のレベルの間で可変であり、加算された電圧はｎ×ｍ個のレベルの間で可変である。

第２の電圧は連続可変電圧源によって供給される。

第１の電圧信号は粗電圧信号であり、第２の電圧信号は微電圧信号でもよい。微信号は粗電圧信号の誤差を表す。

電圧加算器は、基準電圧源と、第２の電圧を発生するため加算された電圧から基準電圧を除去する差手段とをさらに含む。

電圧加算器は、基準電流源と、変圧器の１次側の電流を検知する手段と、差電流を発生するため検知された電流から基準電流を除去する差手段と、差電流に依存して第２の電圧を供給するドライバとをさらに含む。

電源は、好ましくは、上記の電圧加算器を含む。電源は、好ましくは、電力増幅器、好ましくは、ＲＦ電力増幅器を駆動するために使われる。

さらなる態様では、本発明は、第１の電圧を変圧器の１次側に供給するステップと、第２の電圧を変圧器の２次側に供給するステップとを含み、第１の電圧と第２の電圧の合計が変圧器の１次側と２次側の一方に与えられる、電圧を加算する方法を提供する。

請求項１５に記載された方法は、第１の電圧が１次側の第１のタップと１次側の第２のタップとの間に供給され、第２の電圧が２次側の第１のタップに供給され、加算された電圧が１次側または２次側の第２のタップに与えられる。

請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載された方法は、第１の電圧を変化させるステップをさらに含む。この方法は、第２の電圧を変化させるステップをさらに含む。この方法は、第１の電圧をｎ個のレベルの間で変化させ、第２の電圧をｍ個のレベルの間で変化させるステップを備え、加算された電圧が、その結果、ｎ×ｍ個のレベルの間で可変である。

この方法は、基準電圧を発生するステップと、第２の電圧を発生するために加算された電圧から基準電圧を除去するステップとをさらに含む。

この方法は、基準電流を発生するステップと、変圧器の１次側の電流を検知するステップと、差電流を発生するため検知された電流から基準電流を除去するステップと、基準電流に依存して第２の電圧を供給するステップとをさらに含む。

さらなる態様によれば、本発明は、１次巻線及び２次巻線を備え、１次巻線対２次巻線の巻数比がｘ：ｙである変圧器を提供し、この変圧器は、１次巻線内に直列のｘ回の巻(turn)と２次巻線内に直列のｙ回の巻とを含み、１次巻線と２次巻線に同数の巻を含み、１次巻線の各巻が２次巻線の巻と密接に結合される。

密接に結合された巻は、好ましくは、並列に結合される。１次巻線の巻数と２次巻線の巻数は、好ましくは、ｘ×ｙである。好ましくは、１次巻線にｙ個の並列分岐が設けられ、各並列分岐がｘ回の巻をもつ。

好ましくは、２次巻線にｘ個の並列分岐が設けられ、各並列分岐がｙ回の巻をもつ。

好ましくは、１次巻線にｚ個の分岐が設けられ、１次巻線の巻数はｚ×ｘ×ｙである。２次巻線にｚ×ｘ／ｙ個の分岐を設けてもよい。各並列分岐内の巻数は同数でもよい。１次巻線の分岐の個数はｙ×ｚでもよく、２次巻線の分岐の個数はｘ×ｚでもよい。

複数の１次巻線ｉが設けられ、各１次巻線は１次巻線対２次巻線の巻数比がｘ_ｉ：ｙであり、各１次巻線の各巻が相互の１次巻線の巻と密接に結合される。

１次巻線の巻数と２次巻線の巻数は、すべてのｉについて、ｘ_ｉ×ｙの最小公倍数でもよい。

最小公倍数がｔであり、各１次巻線の分岐の個数はｔ／ｘ_ｉであり、各分岐がｘ_ｉ回の巻を有する。２次巻線の分岐の個数はｔ／ｙであり、各分岐がｙ回の巻を有する。

各１次巻線にｐ_ｉ個の分岐を設けてもよく、各１次巻線の巻数はｐ_ｉ×ｘ_ｉ×ｙである。

さらなる態様では、複数ｉ個の１次巻線及び２次巻線を備え、１次巻線対２次巻線の巻数比がｘ_ｉ：ｙである変圧器が提供され、この変圧器は、各１次巻線ｉ内に直列のｘ_ｉ回の巻と２次巻線内に直列のｙ回の巻を含み、各１次巻線と２次巻線の巻数が同数であり、各１次巻線の巻が他のすべての１次巻線の一巻及び２次巻線の巻と密接に結合される。このような変圧器は、それによって、複数の電圧を加算するため使用される。

本発明はここから一例として添付図面を参照して説明される。

本発明は、特有の実施例として、特に好ましい実施形態を参照してここで説明される。本発明がここに記載された特定の実施形態の詳細に限定されないことは当業者によって理解されるであろう。実施形態では、本発明は、ＲＦ増幅段のための電源の設備の参照によってここで説明される。しかし、より一般的に、本発明は、変調可能な電源を提供するため複数の電圧電源の間で切り替えることが必要である配置に適用される。

同じ参照符号が異なる図で使用される場合に同じ要素を参照することに注意すべきである。

図２を参照すると、本発明の態様の原理を組み込む第１の典型的な実施形態が示されている。図２には、変圧器２０６、切り替え可能な主電圧源２０２、及び、微補正電圧源２０４が示されている。

変圧器２０６は、全体的に参照符号２０９によって指定された２次側と、全体的に参照符号２０８によって指定された１次側とを有する。１次側２０８は、第１の接続点、すなわちタップ２１０と、第２の接続点すなわち、タップ２１４とを有する。２次側は、第１の接続点、すなわちタップ２１２と、第２の接続点、すなわちタップ２１６とを有する。

切り替え可能な主電圧源２０２は、ライン２２８_１〜２２８_ｍ上の複数ｍ個のＤＣ電圧を対応するＤＣ電圧源２３０_１〜２３０_ｍから受信する。切り替え可能な主電圧源２０２は、その入力上の複数ｍ個の電圧のうちの一つをライン２２４上のその出力に切り替えるため、図示されないが当業者によって理解される手段によって制御される。

微補正電圧源２０４は、切り替え可能な主電圧源２０２の出力ライン２２４に供給された電圧信号の誤差を補正するために、出力ライン２２６に交流電圧信号を供給する。微補正電圧源２０４によってライン２２６上に発生させられた補正電圧は、ライン２２４上の選択された出力電圧と加算され、その出力電圧中の誤差を補正または最小化する。

本発明の原理によれば、加算演算は変圧器２０６によって実行される。切り替え可能な主電圧源２０２の出力ライン２２４上の選択された出力電圧は変圧器２０６の２次側２０９の第１のタップ２１２に接続される。ライン２２６上の微補正電圧は変圧器２０６の１次側２０８の第１のタップ２１０に接続される。変圧器２０６の１次側２０８の第２のタップ２１４は、ライン２１８を介して、端子２２０によって表されたグランドに接続される。より一般的には、微補正電圧は変圧器の１次側のタップの両端間に印加されると考えられる。変圧器２０６の２次側２０９の第２のタップ２１６は出力電圧電源を供給するライン２２２に接続される。よって、ライン２２２上の出力電圧電源はライン２２４上に供給され、ライン２２６上の微補正電圧によって適切に調整された、選択された電圧に対応する。

代案として、切り替え可能な主電圧が変圧器の１次側のタップの両端間に印加されてもよく、微補正電圧が２次側の第１のタップ２１２に印加されてもよい。

図２に示された電源配置は、一定ではないエンベロープ信号の非常に効率的な増幅を可能にする無線周波（ＲＦ）増幅器に電力を供給する変調可能な手段として使用される。

図２に示されているように、変圧器２０６の１次側２０８は２次側２０９から絶縁されるので、２個の電圧の損失のない合計を行う。

さらなる実施形態では、微補正電圧源２０４は、切り替え可能な主電圧源２０２におけるスイッチングとは独立に切り替えられるスイッチ型高効率電圧源によって置き換えられる。図２の配置のこのような適応は図３に示されている。

図３に示されるように、図２の微補正電圧源２０４は切り替え可能な微補正電圧源２３６によって置き換えられる。切り替え可能な微補正電圧源２３６はライン２３２_１〜２３２_ｎ上の複数ｎ個の入力電圧を受信する。複数ｎ個の入力電圧は、それぞれのライン２３２_１〜２３２_ｎに接続された複数ｎ個の電圧源２３４_１〜２３４_ｎによって供給される。切り替え可能な補正電圧源２３６は、入力ライン２３２_１〜２３２_ｎ上の電圧のうち、変圧器２０６の２次側２０８の第１のタップ２１０に接続された出力ライン２３７へ出力されるべき適切な１個を選択するように制御される。

図３の配置は図２の配置より効率的な解決策を提供する。主電源はｍ個の電源電圧の間で切り替えられ、補正電圧源はｎ個の電源電圧の間で切り替えられる、出力電源ライン２２２上に与えられる電圧電源の効果的な解決策はｎ×ｍである。

本発明の原理を組み込むさらなる実施形態は図４に関して示されている。図４では、図２の微補正電圧源２０４は、図２の切り替え可能な可変である補正電圧源ではなく、連続的に可変である微補正電圧源２３８によって置換される。連続的に可変である微補正電圧源２３８は、変圧器２０６の１次側２０８の第１のタップ２１０に接続されたライン２４０上に連続可変補正電圧を発生する。

上記のように、変圧器２０６の使用は、主電圧源を補正電圧源と合計する無損失技術を提供する。図２〜図４の種々の実施形態によって示されるように、補正電圧源は何通りかの方法で与えられる。本発明は、主（粗）電圧源または補正（微）電圧源のいずれかを発生する特定の技術に限定されない。主電圧源または補正電圧源はいずれも、特定のアプリケーションによって要求される必要な精度を提供するため、スイッチと抵抗またはリアクタンス補間手段との組み合わせでもよい。したがって、本発明は、図２〜図４を参照して示された主電圧源または補正電圧源を発生する特定の実施に限定されない。

図２〜図４の実施形態に関係して示された発明の実施形態の原理を実施する際に、広義の原理は２個の電圧を加算するため変圧器を使用することである。変圧器の具体的な構成は様々である。この原理は、一方の電圧が変圧器の１次側に接続され、もう一方の電圧が変圧器の２次側に接続されることに依存する。

電源を供給する際に、電源手段が変圧器の一方側に適用され、装置、好ましくは、電力増幅器を駆動する電源は変圧器のもう一方側によって供給される。

好ましい実施形態では、変圧器は、２次側２０９より多数の巻数を１次側２０８の巻数で用いて実施される。これは、より小型かつ高速である電子回路を、電圧が絶縁される変圧器の１次側に接続されたスイッチまたは増幅器回路で使用することを可能にする。

すべての実施形態において、変圧器２０６が変圧器コアのため強磁性材料を使用するならば、コアを流れるＤＣ電流はコアを磁化し、この結果として生じる磁化インダクタンスの損失と共にコアが飽和する。この潜在的な問題を解決するため、ある実施形態では、１次側２０８の磁場強度（Ｈ）が２次側２０９の磁場強度を打ち消すように、ＤＣ電流が変圧器２０６の１次側２０８に供給される。

このＤＣ電流は、例えば図４の実施形態では、微補正電圧源２３８から供給される。ＤＣ電流は、１次側では、変圧器の１次側２０８の電流を監視することにより検知され、逆ＤＣ電流が変圧器の２次側２０９に供給されるように、微補正電圧源２３８のバイアス点を制御するため、この検知された電流を使用する。代替的な実施形態は、コア内のＤＣ場を打ち消す残りの巻に密接に結合されていない追加巻線の使用である。磁場強度は巻数に比例するので、より多数回の巻がバイアス電流要件を緩和するために巻かれる。

本発明の原理を使用するさらなる実施形態は図５に示されている。図５では、基準電圧源２５０が概略的に示されている。一般的に、基準電圧源２５０は、切り替え可能な主電圧源２０２によって発生されたライン２２４上の電圧信号の誤差を補正する目的のため、出力ライン２５２に電圧信号を発生する。ライン２５２上の基準電圧は減算器２４４への第１の入力を形成する。減算器２４４の第２の入力はライン２２２上の出力電圧電源信号によって供給される。ライン２４６上の減算器の出力は、変圧器２０６の１次側２０８の第１のタップ２１０に接続されたライン２４８上に出力信号を発生するドライバ増幅器２４２への入力を形成する。よって、変圧器２０６は、ライン２２４上の主電圧源信号を、ドライバ２４２によって供給されたライン２４８上の電圧信号と加算する。

図５に示された本発明の実施形態は、所望信号のコピーであるライン２５２上の基準信号を、ライン２２２上の実際の生成信号と比較することにより、誤差を測定及び補正する手段を利用する。ライン２４６に出力されるそれらの間の差は誤差を表す。したがって、誤差は、出力信号２２２から誤差を除くため、変圧器２０６によって、ライン２２４上に発生された信号に足し戻される。

図５の配置は、図２〜図４の配置のいずれか一つと組み合わせて使用してもよく、特に、基準電圧源２５０は、図３の切り替え可能な補正電圧源２３６に従う切り替え可能な基準源として実施される。

図５のフィードバック補正技術の代替的な実施は図６に示されている。図６は図５と同じフィードバック補正原理を示すが、電圧検出ではなく電流検出を使用して実施される。

図６を参照すると、電流センサ２６８は、変圧器２０６の１次側２０８の第２のタップ２１４に接続された入力ライン２７２が設けられる。電流センサ２６８はさらにコネクション２７０を介してグランド端子２２０に接続される。電流センサ２６８はライン２６６に出力を与える。基準電流源２６０は、減算器２６４への第１の入力を形成するライン２６２に基準電流を発生する。減算器２６４への第２の入力はライン２６６上の電流センサからの信号によって供給される。ライン２７４上の減算器２６４の出力はドライバ２７６への入力を形成する。ライン２７８上のドライバ２７６の出力は、変圧器２０６の１次側２０８の第１のタップ２１０に入力を供給するため接続される。

図６の配置は、ライン２２２上に発生される出力電源電圧の誤差を補正するために、変圧器２０６が電流測定装置として使用されるように構成される。変圧器２０６の１次側２０９を流れる電流は電源手段の電流出力の指標である。電流は、電流センサ２６８において２次側で測定され、ライン２６２上の基準電流と比較される。電流の誤差は、出力電源電圧を補正し、出力電源電圧から誤差を実質的に除去するように、変圧器の１次側２０８を駆動するため使用される。

よって、種々の実施形態を参照して上に説明したように、本発明の実施形態は、変圧器が２個の電源電圧を加算するため使用される技術を提供する。種々の実施形態では、加算される２個の電源電圧は主電源電圧と補正電圧である。より一般的には、これらは粗電圧と微電圧であると考えられる。よって、所望出力電圧の粗い表現を有するが、本質的に交流である誤差を含む電圧源は、これらの誤差の微細表現を有する電圧源によって補正される。このように補正された電圧源は、所与の実施において必要に応じて使用される出力電源電圧を与える。実施形態は、特に、電源を電力増幅器に供給する広帯域幅変調可能電源として使用されるときに格別の利点を有する。

広帯域幅変調可能電源として使用されるとき、変圧器は非常に広い帯域幅を有することが必要である。これは、特に、電源電圧の補正が、図５及び６の実施形態に示されるように、変圧器を通るフィードバックによって達成される場合である。

高周波数で、ある種の従来の変圧器の性能は制限される。その理由は、ある種の従来の変圧器を用いると、漏れインダクタンスが変圧器への高周波数応答、したがって帯域幅を制限するからである。漏れインダクタンスは、伝送ライン構造内で変圧器を実施することによって解決される。しかし、上記の種々の実施形態において説明したように、効率的な方法による電圧の加算は変圧器の１次側と２次側を絶縁させることを必要とするので、これは電圧を加算するために適切な変圧器の使用ではない。絶縁は電圧の損失のない加算を達成するための鍵である。よって、伝送ライン構造を使用する漏れインダクタンスを最小限に抑える従来の技術は選択の対象ではない。

よって、本発明の実施形態では、適応型変圧器が電圧の加算のため使用される。

変圧器は、好ましくは、バイファイラ巻線またはツイストペア巻線の使用によって、１次巻線と２次巻線との間の結合を最大にするように適応させられる。コアを通る変圧器の巻線の間で連結しない磁束線の結果である漏れインダクタンスがそれゆえに削減される。

好ましくは、１次巻線の各巻は、ツイストペアの半分を形成すべきであり、もう一方の半分は２次巻線によって形成される。たとえば、ステップダウン変圧器の場合、２次巻数よりも多くの１次巻数が存在するであろう。密接な結合の要件を満たすため、ステップダウン変圧器では、２次巻はこの結果として並列に接続される。

漏れインダクタンスを削減するため、並列巻の考え方がより一層拡張される。巻線が並列に接続されるならば、巻線の自己インダクタンスは並列に接続された巻線の数に等しい係数で低減される。しかし、巻線の磁束はコアを通って連結するので、巻線間の相互インダクタンスは、巻線の合成インダクタンスが並列に巻かれた巻数とは独立であることを意味する。

漏れインダクタンスはコアを通って連結できない磁束漏れの結果として形成されるので、この相互インダクタンスは漏れインダクタンスに対し存在しない。このことは、漏れインダクタンスが並列に接続された巻数に等しい係数で削減されるが、磁化インダクタンスは一定に保たれることを意味する。

図７は、本発明の好ましい実施形態による適応型巻線を備える実施例の変圧器を示す。簡単化された、特定の実施例が、適応型変圧器を理解する目的のため示されている。しかし、本発明は図７に示された特定の実施例に限定されない。本発明の原理は図７の典型的な配置を理解することからより容易に理解できるであろう。適応型変圧器の一般的な原理はさらに後述される。

図７を参照すると、トロイダルコア６３が変圧器コアとして設けられる。複数の単巻５１、５３、５５、５７、５９、６１が１次巻線を形成し、複数の巻線５２、５４、５６、５８、６０、６２が２次巻線を形成する。各巻線はトロイダルコア６３の周りに巻かれる。

本実施例は、３個の巻からなる２個の巻線により構成され、２個の巻線が並列に接続された変圧器の１次側である。参照符号５１、５３、５５は第１の巻線を形成し、参照符号５７、５９、６１は第２の巻線を形成する。

２次巻線は、すべてが並列に接続された６個の単巻により構成される。

１次巻線と２次巻線は、好ましくは、一緒にバイファイラ巻きされる。図７に示されるような方法で巻かれた変圧器は、３回の巻からなる１次巻線と単巻からなる２次巻線と等価であるインダクタンス値を有するので、３：１の変圧器を提供する。

上記のように、図７の実施例は、例示の目的のためだけであり、発明のこの態様を理解するために役立つ。直列または並列の巻線の組み合わせが可能である。同様に、図７におけるコア上の巻の位置は、例示を最大限にわかりやすくすることを可能にするための位置であり、実際の実施を表さない。

図７の実施形態の原理は図８を参照してさらに説明される。図８は、図７の変圧器巻線を概略的に示す。図からわかるように、３個の１次巻線５１、５３、５５が、変圧器の１次側の端子７６と端子７８の間に直列接続される。１次巻線５７、５９、６１は同様に端子７６と端子７８の間に直列接続される。２次側では、図８からわかるように、巻線５２、５４、５６、５８、６０、６２のそれぞれは変圧器の２次側の端子７２と端子７４の間に接続される。

よって、本発明のこの態様において、原理は、変圧器のどちらかの側で、巻線毎に相補的な巻線を設け、このような巻線をコア上で密接に結合することである。これは、そうでなければ必要とされない付加的な巻線が１次側または２次側のいずれかに設けられることを必要とするが、漏れインダクタンスが確実に削減される。

適応型変圧器の構造の一般的な原理は、ｘが１次巻線の巻数であり、ｙが２次巻線の巻数である場合に、変圧器が１次から２次へｘ：ｙの所与の比を有することである。

１次巻線と２次巻線の総巻数は等しくされなければならない。各巻線の巻数が等しいことを保証するため、一般的な原理は、各巻線がｘ×ｙの巻数を有することである。

１次巻線の各巻は２次巻線の巻と結合される。結合された巻は、次に、密接に結合された形で巻き付けられるか、または、接合される。

それぞれの側における巻の総数がｘ×ｙであることを保証するために付加的な巻が追加される場合、付加的な巻は並列分岐に接続される必要がある。並列分岐が設けられた場合、並列分岐のそれぞれにおける直列巻の数は等しくなければならない。このことは１次側または２次側の並列分岐にあてはまる。

ｐ個の複数の分岐が１次側に設けられ、変圧器のそれぞれの側の総巻数はｐ×ｘ×ｙである。ｐ個の分岐が１次側巻線に設けられる場合、並列接続された２次側分岐の総数はｐ×ｘ／ｙである。

ｐ×ｘ／ｙは分数になることもあり得る。この場合、ｐ×ｘ／ｙを整数値に丸めることが必要である。そのため、項ｐはｐ×ｘ／ｙが整数になるように分母の値によって乗算される。このようにして、変圧器を適応させる原理はあらゆる巻数比の変圧器にスケールが調整される。

図７及び図８に関して上記された簡単なケースでは、変圧器比は３：１であり、したがって、ｘ＝３かつｙ＝１である。各巻線の総巻数は、その結果、３に初期設定される。１次巻線は直列接続された３回の巻を有する。２次巻線は同様に３回の巻を有する。１回の巻は３：１の比を実現するため直列接続されるべきである。よって、さらなる２回の巻は、２次側において、それぞれが１回の巻をもつ２個の並列分岐に設けられる。

図７及び８の実施例では、１次巻線は２個の分岐をさらに有するので、ｐ＝２である。これは、１次巻線がｐ×ｘ×ｙ回の巻、すなわち、６回の巻を有することを意味する。１次巻線は、よって、３個の直列巻線からなる第１の分岐と、３回の直列巻線からなる第２の分岐とを有し、各分岐が並列接続される。

ｐ個の分岐を有する１次巻線の結果として、２次巻線は並列接続されたｐ×ｘ／ｙ個の２次分岐をもたなければならない。これは計算すると６個の２次分岐であることがわかる。２次巻線もまた６回（ｐ×ｘ×ｙ）の巻をもたなければならないので、２次巻線は、それぞれが１回の巻からなり、すべてが並列に接続された６個の分岐をもつように構成される。

図７及び８を参照する上記の典型的な変圧器は２個の信号を加算する。本発明は、２個の信号だけの加算への適用に限定されることなく、３個以上の信号の加算に適用される。

Ｎ個の信号が加算されるシナリオでは、Ｎ−ファイラ巻線が好ましくは使用される。Ｎ個の巻線は次に共に密接に結合される。２個の信号の加算のケースにおいて説明された動作の条件は依然として満たされる必要があり、各巻線の個々の巻は共に密接に結合されなければならない。

ｗ個の信号が加算されるケースでは、ｗ個の独立１次巻線が設けられる。ｗ個の各独立１次巻線は、それぞれの巻数ｘを有する。各積ｘ×ｙが独立巻線毎に見つけられ、次に、最小公倍数が見つけられる。たとえば、３：２：１の変圧器の場合、積ｘ×ｙは３（３：１の巻線の場合）及び２（２：１の巻線の場合）である。それぞれの比が２及び３であるこのようなケースにおける最小公倍数は６である。一般的に、最小公倍数はｔとして表される。

巻線毎に、その結果、全部でｔ回の巻が存在しなければならない。本実施例では、これは各巻線が６回の巻を有することを要求する。これは、独立１次巻線が６回の巻を有することと、２次巻線が６回の巻を有することの両方を要求する。各１次巻線の分岐の総数は、よって、それぞれの独立１次巻線のｘの値に対して、ｔ／ｘである。したがって、上記実施例では、３回の巻をもつ１次巻線に対し２個の分岐が必要とされ、２回の巻をもつ１次巻線に対し３個の分岐が必要とされる。１次巻線の分岐は変圧器比を維持するため並列接続されるべきである。

２次巻線の２次巻の総数もまたｔであることが必要であり、２次側並列分岐の数はｔ／ｙでなければならない。上記の実施例ではｙ＝１であるので、２次側並列分岐の数は６である。

上記のように、どの巻線においても各並列分岐は等しい回数の巻を収容しなければならない。

さらなる変形では、独立１次巻線のいずれもが複数の分岐を備える。たとえば、いずれの１次巻線も、図７及び８を参照して上述したようにｐ個の分岐を有する。このようなケースでは、ある１次巻線において要求される巻数はｐ×ｘ×ｙである。総巻数ｔは、その結果、ｐ×ｔである。複数の独立１次巻線が複数ｐ個の分岐を有するならば、各１次巻線における総巻数は、独立巻線毎のｐ×ｘ×ｙに基づき最小公倍数であり、ここで、ｐは１以上である。このようなシナリオでは、２次巻線は並列したｐ×ｔ／ｙ個の分岐を必要とするであろう。

複数の１次巻線の設置による複数の信号の加算のための実施形態が以下でさらに検討される。上述のように、ｗ_１によって示される第１の１次巻線は３回の巻と２個の分岐を有し、各分岐が３回の巻をもつ。よって、第１の１次巻線に対し、ｘ_１＝３かつｐ_１＝２である。第２の１次巻線ｗ_２＝は２回の巻と１個の分岐を有する。よって、第２の１次巻線に対し、ｘ_２＝２かつｐ_２＝１である。第１の１次巻線に対し希望の３：１の比を実現し、第２の１次巻線に対し２：１を実現するため、第２の１次巻線は１回の巻からなる１個の巻線を有することが必要とされる。

最小公倍数ｔは、（ｐ_１×ｘ_１×ｙ）×（ｐ_２×ｘ_２×ｙ）であり、本実施例では１２である。よって、ｔ＝１２であり、各１次巻線及び２次巻線に対する要件は１２回の巻を有することである。

第１の１次巻線では、このとき必要とされる並列分岐の数は、ｔ／ｘ_１、すなわち４である。第２の１次巻線では、このとき必要とされる並列分岐の数は、ｔ／ｘ_２、すなわち６である。２次巻線では、必要とされる並列分岐の数は、ｔ／ｙ、すなわち１２である。

一般的に、複数の１次巻線ｗ_ｉが設けられ、各１次巻線が分岐内にある回数の巻ｘ_ｉを有する。

複数の信号を加算するため複数の１次巻線を有する変圧器を利用する実施例では、１次側信号は、２次巻線の入力側に印加された電圧と共に全部が一緒に加算される。

代替的な配置では、複数の２次巻線が設けられる。このようなケースでは、すべての１次側に亘って相互結合が存在する。この理由で、１次巻線のうちの１個は電圧源であるが、残りの１次巻線は巻線に負荷をかけることをさけるために電流源でなければならない。

本発明は、本明細書では、特定の好ましい実施形態を参照して説明されている。しかし、本発明はこのような実施形態に限定されない。本発明は、ＲＦ増幅器に関係して特定のアプリケーションを有するが、このような実施に限定されない。本発明は、スイッチング型、選択可能な電圧電源が設けられたあらゆる環境で有利に利用される。

ＲＦ増幅器を利用する上記の好ましい実施形態は、このようなＲＦ増幅器によって駆動される特定の負荷に限定されない。しかし、このようなＲＦ増幅器は典型的にアンテナを駆動することが考えられる。したがって、本発明は、モバイル通信の分野を含む、通信の分野で特に有利に使用される。

階段状電源電圧の誤差の原理を説明する図である。本発明の第１の実施形態による、粗電圧と微電圧を加算するための変圧器の使用を説明する図である。本発明の第２の実施形態による、粗電圧と微電圧を加算するための変圧器の使用を説明する図である。本発明の第３の実施形態による、粗電圧と微電圧を加算するための変圧器の使用を説明する図である。本発明の第４の実施形態による粗電圧と微電圧を加算するための変圧器の使用を説明する図である。本発明の第５の実施形態による、粗電圧と微電圧を加算するための変圧器の使用を説明する図である。本発明のさらなる態様における実施形態に従って適応型変圧器巻線を説明する図である。図７の実施形態の変圧器巻線の接続を概略的に説明する図である。

Claims

１次側及び２次側を有する変圧器を含み、加算されるべき第１の電圧が前記１次側に接続され、加算されるべき第２の電圧が前記２次側に接続される電圧加算器。
前記第１の電圧が前記１次側の第１のタップと前記１次側の第２のタップとの間に接続され、前記第２の電圧が前記２次側の第１のタップに接続され、加算された電圧が前記１次側または前記２次側の第２のタップに与えられる請求項１に記載の電圧加算器。
前記第１の電圧が前記第２の電圧より高く、前記加算された電圧が前記変圧器の前記１次側の前記第２のタップに与えられる請求項２に記載の電圧加算器。
第１の電圧が可変電圧である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電圧加算器。
前記第１の電圧が切り替え可能な電圧源によって供給される請求項４に記載の電圧加算器。
前記第２の電圧が可変である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電圧加算器。
前記第２の電圧が切り替え可能な電圧源によって供給される請求項６に記載の電圧加算器。
前記第１の電圧がｎ個のレベルの間で可変であり、前記第２の電圧がｍ個のレベルの間で可変であり、前記加算された電圧がｎ×ｍ個のレベルの間で可変である請求項４または５に従属する請求項６または７に記載の電圧加算器。
前記第２の電圧が連続可変電圧源によって供給される請求項６に記載の電圧加算器。
前記第２の電圧が定電圧源によって供給される請求項６に記載の電圧加算器。
第１の電圧信号が粗電圧信号であり、第２の電圧信号が微電圧信号である請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電圧加算器。
前記微電圧信号が前記粗電圧信号の誤差を表す請求項１１に記載の電圧加算器。
基準電圧源と、前記第２の電圧を発生するため前記加算された電圧から基準電圧を除去する差手段とをさらに含む請求項１２に記載の電圧加算器。
基準電流源と、前記変圧器の前記１次側の電流を検知する手段と、差電流を発生するため前記検知された電流から基準電流を除去する差手段と、前記差電流に依存して前記第２の電圧を供給するドライバとをさらに含む請求項１２に記載の電圧加算器。
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の電圧加算器を含む電源。
第１の電圧を変圧器の１次側に供給するステップと、
第２の電圧を前記変圧器の２次側に供給するステップと
を含み、前記第１の電圧と前記第２の電圧の合計が前記変圧器の前記１次側と前記２次側のうちの一方に与えられる電圧を加算する方法。
前記第１の電圧が前記１次側の第１のタップと前記１次側の第２のタップとの間に供給され、前記第２の電圧が前記２次側の第１のタップに供給され、加算された電圧が前記１次側または前記２次側の第２のタップに与えられる請求項１６に記載の方法。
前記第１の電圧が第２の電圧より高く、前記加算された電圧が前記変圧器の前記１次側の前記第２のタップに与えられる請求項１７に記載の方法。
前記第１の電圧を変化させるステップをさらに含む請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の方法。
前記第２の電圧を変化させるステップをさらに含む請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の電圧をｎ個のレベルの間で変化させ、前記第２の電圧をｍ個のレベルの間で変化させるステップを含み、前記加算された電圧が、その結果、ｎ×ｍ個のレベルの間で可変である請求項１９または２０に記載の方法。
前記第１の電圧信号が粗電圧信号であり、前記第２の電圧信号が微電圧信号である請求項１６乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
前記微電圧信号は前記粗電圧信号の誤差を表す請求項２２に記載の方法。
基準電圧を発生するステップと、前記第２の電圧を発生するために前記加算された電圧から基準電圧を除去するステップとをさらに含む請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載の方法。
基準電流を発生するステップと、前記変圧器の前記１次側の電流を検知するステップと、差電流を発生するため前記検知された電流から基準電流を除去するステップと、前記基準電流に依存して前記第２の電圧を供給するステップとをさらに含む請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載の方法。
１次巻線及び２次巻線を備え、１次巻線の２次巻線に対するｘ：ｙの巻数比を有する変圧器であって、
ａ．前記１次巻線内に直列のｘ回の巻と前記２次巻線内に直列のｙ回の巻を含み、
ｂ．前記１次巻線と前記２次巻線に同数の巻を含み、
ｃ．１次巻線の各巻が２次巻線の巻と密接に結合される、
変圧器。
前記密接に結合された巻が並列に結合される請求項２６に記載の変圧器。
前記１次巻線の巻数と前記２次巻線の巻数がｘ×ｙである請求項２６または２７に記載の変圧器。
前記１次巻線にｙ個の並列分岐が設けられ、各並列分岐がｘ回の巻をもつ請求項２８に記載の変圧器。
前記２次巻線にｘ個の並列分岐が設けられ、各並列分岐がｙ回の巻をもつ請求項２８または２９に記載の変圧器。
前記１次巻線にｐ個の分岐が設けられ、前記１次巻線の巻数がｐ×ｘ×ｙである請求項２８乃至３０のいずれか一項に記載の変圧器。
前記２次巻線にｐ×ｘ個の分岐が設けられる請求項３１に記載の変圧器。
各並列分岐内に同数の巻が存在する請求項２７乃至３２のいずれか一項に記載の変圧器。
前記１次巻線内の分岐の個数がｙ×ｐであり、前記２次巻線内の分岐の個数がｘ×ｐである請求項３１乃至３３のいずれか一項に記載の変圧器。
複数の１次巻線ｉが設けられ、各１次巻線は１次巻線対２次巻線の巻数比がｘ_ｉ：ｙであり、各１次巻線の各巻が相互の１次巻線の巻と密接に結合される請求項２６乃至３４のいずれか一項に記載の変圧器。
前記１次巻線の巻数と前記２次巻線の巻数が、すべてのｉについて、ｘ_ｉ×ｙの最小公倍数である請求項２８乃至３４のいずれか一項に従属する請求項３５に記載の変圧器。
前記最小公倍数がｔであり、各１次巻線内の分岐の個数がｔ／ｘ_ｉであり、各分岐がｘ_ｉ回の巻を有する請求項３６に記載の変圧器。
前記２次巻線内の分岐の個数がｔ／ｙであり、各分岐がｙ回の巻を有する請求項３７に記載の変圧器。
各１次巻線にｐ_ｉ個の分岐が設けてられ、各１次巻線の巻数がｐ_ｉ×ｘ_ｉ×ｙである請求項３１乃至３４のいずれか一項に従属する請求項３５乃至３８のいずれか一項に記載の変圧器。
複数ｉ個の１次巻線及び２次巻線を備え、１次巻線の２次巻線に対するｘ_ｉ：ｙの巻数比を有する変圧器であって、
ａ．各１次巻線ｉ内に直列のｘ_ｉ回の巻と２次巻線内に直列のｙ回の巻を含み、
ｂ．各１次巻線と２次巻線に同数の巻を含み、
ｃ．各１次巻線の巻が他のすべての１次巻線の巻及び２次巻線の巻と密接に結合される
変圧器。