JP2007531488A - 並列に配置した電源 - Google Patents

Abstract

電源システムは、第1のシステム帯域幅(LB1)を有する第1のスイッチモード電源(1)と、第1のシステム帯域幅(LB1)よりも高い周波数をカバーする第2のシステム帯域幅(LB2)を有する第2のスイッチモード電源(2)との並列配置を備える。第1のスイッチモード電源(1)は、第1の最大出力電力(P1m)を供給する規模のものとし、第2のスイッチモード電源(2)は、第1の最大出力電力(P1m)より小さい第2の最大出力電力(P2m)を供給する規模のものとする。制御回路(3)は、第1のスイッチモード電源(1)と第2のスイッチモード電源(2)との双方の基準電圧(Vr)を変えて、並列配置の出力電圧(Vout)をそれ相当に変化させる。

Description

本発明は、電源システム、この電源システムと増幅器とを備える増幅システム、及び、前記電源システムと前記増幅器とを備える携帯装置に関する。

国際公開第００／４８３０６号パンフレットには、電力増幅器の出力レベルを制御することが開示されている。このパンフレットによれば、所要の出力レベルに依存する、前記電力増幅器用の可変電源電圧を生成する。線形レギュレータと直列のスイッチモードコンバータの組合せが、電力増幅器用の可変電源電圧を生成する。スイッチモードコンバータは、電力増幅器が要する電力の大部分を効率よく発生し、かつ、電力を十分に微調整して、所望の電力包絡線の傾斜部を規定したり、しなかったりする。線形レギュレータ段は前記スイッチモードコンバータの出力をフィルタ処理し、かつ、ＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）バースト期中、電力包絡線変調を正確に制御する。

本発明の目的は、制御信号に応答して高速に自己出力レベルを変調することができ、かつ高い効率を有する、代替電源システムを提供することにある。

本発明の第１の態様は、請求項１に記載の電源システムを提供する。本発明の第２の態様は、請求項８に記載の、前記電源システム、及び増幅器を備える増幅システムを提供する。本発明の第３の態様は、請求項９に記載の、前記電源システム及び増幅器を備える携帯装置を提供する。有利な実施態様は、従属請求項に規定した通りのものである。

第１の態様に係る電源システムは、第１のスイッチモード電源と第２のスイッチモード電源との並列配置を備えている。前記第１のスイッチモード電源は、第１のシステム帯域幅を有し、第１の最大出力電力を供給するのに十分な規模のものとする。前記第２のスイッチモード電源は、前記第１のシステム帯域幅よりも広い第２のシステム帯域幅を有し、前記第２のスイッチモード電源は、前記第１の最大出力電力よりも小さい第２の最大出力電力を供給する規模のものとする。制御回路は、前記第１のスイッチモード電源と前記第２のスイッチモード電源との双方の基準電圧を制御して、並列配置の出力電圧をそれ相当に変化させる。主要電力は、高効率で相対的に低周波の第１のスイッチモード電源によって供給することができる。出力電圧における高速遷移部（fast transitions）は、相対的に高周波の第２のスイッチモード電源によって供給され、この高速遷移部は比較的小さい。その理由は、第２のスイッチモード電源は相対的に小さい電力のみを供給しなければならないからである。このように、双方のスイッチモード電源はそれらのタスクのために最適化することができ、かつ、高効率で、高速に変化する出力電圧を供給することができる。

実際には、出力周波数の範囲を２つのスイッチモード電源用に分割する。低域のシステム帯域幅を有し高効率のスイッチモード電源は、その帯域幅までの出力電圧を供給すべく対処する。高域のシステム帯域幅を有するスイッチモード電源は、出力電圧の残りの高周波部分を供給すべく対処する。

本発明の電源システムは、携帯電話、ポケットベル、ワイヤレスモデム等の無線通信デバイスの伝送バースト中のような、時間とともに変化する振幅を有する出力信号を供給しなければならない電力増幅器と組合せて用いるのが好適である。これらの無線通信デバイスでは、増幅器の出力信号を無線周波数信号とする。供給すべき電力に従ってＲＦ増幅器の電源電圧を変化させれば、ＲＦ増幅器の消費電力を最小にすることができる。このような携帯用途では、通常、高周波範囲に含まれる電力は低周波範囲に含まれる電力よりも遥かに低い。

米国特許第６１３０５２６号には、相対的に高速の線形レギュレータと並列に配置した、出力電力の大部分を供給する相対的に低速のスイッチモード電源装置が開示されていることに留意すべきである。この先行技術には、２つのスイッチモード電源を並列に配置し、かつこれら２つのスイッチモード電源が所望の目的を達成するために、本請求項１において主張する特別な必要条件を満足しなければならないということは開示されていない。さらに前記先行技術は、電源の基準電圧を制御して、出力電圧をそれ相当に変化させるシステムに関連するものでもない。それとは逆に、前記電源装置では、基準電圧を一定にして、出力電圧をできるだけ一定に保つことを目的としている。

スイッチモード電源をフィードバックループ構成で配置すると、システム帯域幅は閉ループ帯域幅となる。

請求項２に記載の本発明に係る実施態様では、第１のシステム帯域幅が、境界値を含むゼロから第１の所定の周波数までの周波数範囲をカバーする。第２のシステム帯域幅は、第２の所定の周波数から第３の所定の周波数までの周波数範囲をカバーする。第２の所定の周波数は、値ゼロで始まり第１の所定の周波数で終わる範囲内で選択する。第３の所定の周波数は、第１の所定の周波数よりも高くなるように選択する。

このようにシステム帯域幅を選択することによって、第１のスイッチモード電源よりも早く作動して、出力電力の高速遷移部を供給することができる第２のスイッチモード電源を提供する。第１のスイッチモード電源は第２のスイッチモード電源よりも低速にして、第１のスイッチモード電源が高速遷移部の期間中に電力を供給しないようにする。第１のスイッチモード電源は、大きな平均電力を最高に供給すべく最適化することができる。第２のスイッチモード電源は、所望の小電力のバーストを供給すべく最適化することができる。

請求項３に記載の本発明に係る実施態様では、第１のスイッチモード電源が第１のスイッチング周波数にて動作し、第２のスイッチモード電源が前記第１のスイッチング周波数よりも高い第２のスイッチング周波数にて動作する。あるいは、第１のスイッチモード電源は、第１の上限値を有する第１のスイッチング周波数の範囲内において動作する。第２のスイッチモード電源は、前記第１の上限値よりも高い第２の上限値を有する第２のスイッチング周波数の範囲内において動作する。このように、相対的に低速の第１のスイッチモード電源は、大きな平均電力を最適に供給すべく最適化することができ、かつ、第２のスイッチモード電源は、所望の相対的に小さな電力バーストを供給すべく最適化することができる。

請求項４に記載の本発明に係る実施態様では、第１のスイッチモード電源が、第１のスイッチと、第１のインダクタと、前記第１のスイッチを制御する基準信号を受けて前記第１のインダクタを通る第１の周期電流を得るための、第１の制御装置とを備えている。第２のスイッチモード電源は、第２のスイッチと、第２のインダクタと、前記第２のスイッチを制御する基準信号を受けて前記第２のインダクタを通る第２の周期電流を得るための、第２の制御装置とを備えている。前記第１の周期電流及び第２の周期電流は、同一の負荷に供給されている。双方のスイッチモード電源は、降圧型コンバータとすることができる。

請求項５に記載の本発明に係る実施態様では、電源システムが低域フィルタを備え、この低域フィルタが、第１の制御装置に供給される基準電圧をろ波して、基準電圧の高速過渡（fast transients）中に前記第１のスイッチモード電源が大量の電力を供給するのを阻止する。

請求項６に記載の本発明に係る実施態様では、電源システムが高域又は帯域フィルタを備え、これらのフィルタが、第２の制御装置に供給される基準電圧をろ波して、基準電圧の高速過渡電圧が生じていないときに前記第２のスイッチモード電源が大量の電力を供給するのを阻止する。

請求項７に記載の本発明に係る実施態様では、電源システムが遅延回路を備え、これが第２の制御装置に供給される基準電圧を遅延させて、低速の第１のスイッチモード電源が供給すべき大量の電力を第２のスイッチモード電源が供給するのを阻止する。ここで、基準電圧の変動から、自己の出力電流の適合における第１のスイッチモード電源の反応までに生じる遅延は、第１のスイッチモード電源が基準電圧における変化分の低周波数部分の電力を供給し得るように補償される。

本発明のこれら及び他の態様を、これ以降に述べる実施例を参照しての説明により明らかにする。

図１に、２つのスイッチモード電源１及び２の並列配置のブロック図を示す。制御装置３は基準電圧Ｖｒを供給する。第１のスイッチモード電源１は、入力電圧Ｖｉｎ及び基準電圧Ｖｒを受け、出力電流Ｉ１を負荷４に供給する。第２のスイッチモード電源２は、入力電圧Ｖｉｎ及び基準電圧Ｖｒを受け、出力電流Ｉ２を負荷４に供給する。出力電流Ｉ１及びＩ２の双方は、この実施例においては電力増幅器４である負荷４に供給される。電力増幅器４は、電源電圧Ｖｏを受けて入力信号Ｖｉを増幅し、出力信号Ｖａを得る。このように、電源１及び２の双方は並列に配置され、同じ入力信号Ｖｉｎを受けて同じ出力電圧Ｖｏを供給する。

基準電圧Ｖｒのレベルは出力電圧Ｖｏのレベルを決定する。従って、基準電圧Ｖｒのレベルを変調することにより出力電圧Ｖｏがそれ相当に変調される。電力増幅器４の効率を最適化するためは、出力電圧Ｖｏのレベルを継続的に適応させて、電力増幅器４により供給すべき出力電力に最適に整合させる。

図２に、２つのスイッチモード電源１及び２のシステム帯域幅の選択例を示す。第１のスイッチモード電源１のシステム帯域幅ＬＢ１は、ゼロから値ＢＷ１までの周波数範囲をカバーする。第２のスイッチモード電源２のシステム帯域幅ＬＢ２は、値ＢＷ２Ｌから値ＢＷ２までの周波数範囲をカバーする。値ＢＷ２Ｌは、ゼロで始まりＢＷ１で終わる周波数範囲内で選択できる。値ＢＷ２は、値ＢＷ１よりも高くなるように選択する。

その結果、第１のスイッチモード電源１は基準電圧Ｖｒの低速な変化にのみ反応でき、第２のスイッチモード電源２は基準電圧Ｖｒの高速な変化に反応できるようになる。

図３に、２つのスイッチモード電源１及び２の動作周波数の選択例を示す。第１及び第２のスイッチモード電源１及び２の双方が一定のスイッチング周波数にて動作する場合、第２のスイッチモード電源２のスイッチング周波数ｆ２は、第１のスイッチモード電源１のスイッチング周波数１よりも高くなるように選択する。あるいは、第１及び第２のスイッチモード電源の双方が変動周波数で動作している場合、第２のスイッチモード電源２の周波数範囲ｆｒ２は、少なくとも第１のスイッチモード電源１の周波数範囲ｆｒ１以上のサブ範囲を有しなくてはならない。図３に、部分的に重複した周波数範囲ｆｒ１及びｆｒ２を示す。第１周波数範囲ｆｒ１は、周波数ｆｒ１ｌから周波数ｆｒ１ｕをカバーし、第２周波数範囲ｆｒ２は、周波数ｆｒ２ｌから周波数ｆｒ２ｕをカバーする。周波数ｆｒ２ｌは周波数ｆｒ１ｌよりも高く、周波数ｆｒ２ｕは、周波数ｆｒ１ｕよりも高い。

図４に、２つのスイッチモード電源の並列配置の、より詳細なブロック図を示す。

第１のスイッチモード電源１は、制御装置１０と、直列配置のスイッチＳ１及びＳ３と、インダクタＬ１とを備えている。スイッチＳ１及びＳ３の直列配置は、入力電圧Ｖｉｎと大地との間に配置される。インダクタＬ１はスイッチＳ１及びＳ３の接続点と出力ノードＮｏとの間に配置されて、電流Ｉ１を出力ノードＮｏに供給する。

第２のスイッチモード電源２は、制御装置２０と、直列配置のスイッチＳ２及びＳ４と、インダクタＬ２とを備えている。スイッチＳ２及びＳ４の直列配置は、入力電圧Ｖｉｎと大地との間に配置される。インダクタＬ２はスイッチＳ２及びＳ４の接続点と出力ノードＮｏとの間に配置されて、電流Ｉ２を出力ノードＮｏに供給する。

全電流Ｉｏは負荷Ｌｏに供給され、その低周波成分は電流Ｉ１及びＩ２の総和である。負荷Ｌｏ間の電圧をＶｏで示す。平滑コンデンサＣは、出力ノードＮｏと大地との間に接続される。制御装置１０は基準レベルの電圧Ｖｒ１を受け、スイッチング信号ＳＣ１とＳ３を、それぞれスイッチＳ１とＳ３とに供給する。制御装置２０は、基準レベルの電圧Ｖｒ２を受け、スイッチング信号ＳＣ２とＳＣ４を、それぞれスイッチＳ２とＳ４とに供給する。スイッチＳ１及びＳ３、並びにＳ２及びＳ４のオン期間及びオフ期間は、それぞれ基準電圧Ｖｒ１並びにＶｒ２に基づいて、任意の周知の方法で制御される。

基準電圧Ｖｒ１及びＶｒ２は双方とも、基準電圧Ｖｒに等しくすることができる。スイッチモード電源１の帯域幅を制限する場合には、可変基準電圧Ｖｒの低周波成分のみがスイッチモード電源１によって追従されるようになり、スイッチモード電源１は、負荷Ｌｏに低周波の平均電力を供給することになる。従って、スイッチモード電源１は、基準電圧Ｖｒの高速過渡電圧に追従させる規模のものとする必要がないため、相対的に低いスイッチング周波数で相対的に大きな電力を供給するように最適に設計することができる。スイッチモード電源２が基準電圧Ｖｒの低速な変化に追従しないという固有な特性を有するものとすれば、このスイッチモード電源２は、基準電圧Ｖｒが変化しないか、又は低速に変化する場合に、並列配置の出力電力には全く、又はほとんど寄与しなくなるが、基準電圧Ｖｒの高速な変化には対処するようになる。従って、負荷Ｌｏへ相対的に小さい電力を急激に供給するように、スイッチモード電源２を最適化することができる。スイッチモード電源２は小型にして、相対的に高い周波数で動作させることができる。スイッチモード電源１及びスイッチモード電源２の双方は、降圧型コンバータとすることができる。上述した特性を有するスイッチモード電源の設計法はよく知られている。

図４に示したように、電源システムは、基準信号Ｖｒを低域ろ波して、制御システム１０に供給する基準信号Ｖｒ１を得る、任意の低域フィルタ５をさらに備えている。この電源システムは、基準信号Ｖｒをろ波して、ろ波基準信号Ｖｒｆを得る、任意のフィルタ６の直列配置を備えることもできる。この電源システムはさらに、ろ波基準信号Ｖｒｆを遅延させて、基準信号Ｖｒ２を制御システム２０に供給する任意の遅延回路７をさらに備えることもできる。フィルタ６と遅延回路７の直列回路の代わりに、フィルタ６のみ、又は遅延回路７のみで実現することも可能である。

並列配置したスイッチモード電源１及び２は、電圧Ｖｌｏ及びＶｈｉ、電流Ｉ１、Ｉ２を供給し、それぞれ出力インピーダンスＺｌｏ、Ｚｈｉを有する、並列の２つの電圧発生器としてモデル化することができる。負荷Ｌｏに供給する出力電力のできる限りの大部分は電源１によって供給するのが好適である。これ以降で、２つの電源１及び２が、基準電圧Ｖｒの変化にどのように反応するかを明らかにする。ここで言及している周波数とは、変動する基準電圧Ｖｒの周波数成分のことを言う。

値ＢＷ１（図２参照、スイッチモード電源１のシステム帯域幅の上限値）より低い周波数に対しては、意図的に、第１のスイッチモード電源１の出力インピーダンスを第２のスイッチモード電源２の出力インピーダンスＺｈｉよりも遥かに小さくして、第１のスイッチモード電源１が出力電力の大部分を供給し得るようにする。さらに、意図的に、第２のスイッチモード電源２が供給する電流を相対的に小さい値に制限し、従って、第２のスイッチモード電源２の出力電力への寄与度を制限することができる。

値ＢＷ１と値ＢＷ２（図２参照、スイッチモード電源２のシステム帯域幅の上限値）との間の周波数に対しては、出力インピーダンスＺｌｏは、一方ではシステム帯域幅の低域により増加する傾向にあり、他方では平滑キャパシタＣによって減少する傾向にある。値ＢＷ２Ｌ（図２参照、スイッチモード電源２のシステム帯域幅の下限値）は、第２のスイッチモード電源２のゲインが周波数範囲ＢＷ２Ｌ〜ＢＷ２の範囲内で増加するように選択するため、出力インピーダンスＺｈｉは出力インピーダンスＺｌｏよりも遥かに小さくなる。従って、この周波数範囲においては、出力電力の大部分が第２のスイッチモード電源２によって供給される。帯域幅ＢＷ２Ｌ〜ＢＷ１の範囲内での出力インピーダンスＺｌｏとＺｈｉの値は他の方法で交換することができる。

周波数の関数としての出力インピーダンス値ＺｈｉとＺｌｏの交換は、帯域フィルタ６を用いて得ることができる。この帯域フィルタ６は、好適には周波数範囲がＢＷ２Ｌ〜ＢＷ２のフィルタ６の帯域幅範囲内で、スイッチモード電源２に負荷への電力の大部分を供給させる。値ＢＷ１よりも高い周波数に対して出力インピーダンスＺｌｏが増加するスイッチモード電源１の実施例では、フィルタ６を低域フィルタとすることができる。スイッチモード電源２が帯域幅ＢＷ２を有する低域フィルタとして動作する場合には、ＢＷ２Ｌから無限大までの範囲の帯域幅を有する高域フィルタを帯域フィルタ６の代わりに用いることができる。値ＢＷ１よりも高い周波数に対して出力インピーダンスＺｌｏが増加するスイッチモード電源１、及び、帯域幅ＢＷ２を有する低域フィルタとして動作するスイッチモード電源２の実施例では、帯域フィルタ６を省くことができる。

遅延回路７は、基準電圧Ｖｒからスイッチモード電源１の出力電流Ｉ１までの低周波経路において導入される遅延を補償し、スイッチモード電源２が出力負荷Ｌｏに多量の電力を過剰に供給するのを阻止する。全体の効率を低減させてしまうため、高速のスイッチモード電源２が動作する前に、低速のスイッチモード電源１が最初に出力電力の低周波部分を供給する機械を持つようにしなければならない。しかしながら、効率は悪いが、遅延回路７を実装する代わりに、スイッチモード電源２の出力電流Ｉ２を制限することができる。

遅延回路７は、スイッチモード電源１及び／又は２の非直線性による遅延変動に適応できる。

本発明に係る並列配置のスイッチモード電源は、携帯用途用の電源変調器として用いることができる。これらの用途においては、出力電力の大部分が非常に狭い帯域幅に集中するが、電源変調器の遷移時間は、きわめて短く、例えばＥＤＧＥ（ＧＳＭ（欧州発の携帯電話規格）に対する高速データレート）の場合に、数マイクロ秒程度にしなくてはならない。

例えば、ポーラーループ（Polar Loop）、エンベロープエリミネーションアンドレストレイション（Envelop Elimination and Restoration）（ＥＥＲ）、エンベロープレストレイション（Envelope Restoration）（ＥＲ）、エンベロープトラッキング（Envelope Tracking）（ＥＴ）など、ＲＦ信号を効率的かつ線形増幅できる多数のアーキテクチャが既知である。これらのアーキテクチャはいずれも、高効率（８０％より大きい）及び広帯域幅（用途に依存し、数１００ｋＨｚから数１０ＭＨｚまで）を有する電源変調器を必要とする。

上述した実施例は本発明を制限するものではなく、当業者は添付の特許請求の範囲を逸脱することなく幾多の変更を加え得ることに留意されたい。例えば、図４は２つの直列配置のスイッチを有するスイッチモード電源として示しているが、単一のスイッチを有するスイッチモード電源を用いることも可能である。

本発明は、複数の個別要素を有するハードウェアによって、及び、適切にプログラムしたコンピュータによって実施することができる。数個の手段を列挙しているシステムの請求項において、それらの手段の幾つかは、ハードウェアの１つ及び同様の部品によって具体化することができる。所定の手段を互いに異なる従属請求項にて採用しているという事は単に、それらの手段の組合せを有利に使用できないということを示すものではない。

２つのスイッチモード電源の並列配置のブロック図である。 ２つのスイッチモード電源のシステム帯域幅の選択例を示す図である。 ２つのスイッチモード電源の動作周波数の選択例を示す図である。 ２つのスイッチモード電源の並列配置のより詳細なブロック図である。

Claims (9)

1. 第１の最大出力電力を供給するのに十分な規模のものであり、第１のシステム帯域幅を有する第１のスイッチモード電源と、前記第１の最大出力電力よりも小さい第２の最大出力電力を供給するのに十分な規模のものであり、前記第１のシステム帯域幅よりも高い周波数をカバーする第２のシステム帯域幅を有する第２のスイッチモード電源との並列配置、及び、
   前記第１のスイッチモード電源と前記第２のスイッチモード電源との双方の基準電圧を変えて、前記並列配置の出力電圧をそれ相当に変化させる制御回路を備えている、
   ことを特徴とする電源システム。
2. 前記第１のシステム帯域幅が値ゼロから第１の所定の周波数までの周波数範囲をカバーし、かつ、前記第２のシステム帯域幅が第２の所定の周波数から第３の所定の周波数までの周波数範囲をカバーし、前記第２の所定の周波数が、値ゼロから始まり前記第１の所定の周波数で終わる範囲から選択され、かつ、前記第３の所定の周波数が、前記第１の所定の周波数よりも高くなるように選択される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記第１のスイッチモード電源が、第１の周波数又は第１の上限値を有する第１のスイッチング周波数範囲において動作するように配置され、かつ、前記第２のスイッチモード電源が、前記第１のスイッチング周波数よりも高い第２の周波数又は前記第１の上限値よりも高い第２の上限値を有する第２の周波数範囲において動作するように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
4. 前記第１のスイッチングモード電源が、第１のスイッチと、第１のインダクタと、前記第１のスイッチを制御する基準電圧を受けて前記第１のインダクタを通る第１の周期電流を得るための第１の制御装置とを備え、
   前記第２のスイッチングモード電源が、第２のスイッチと、第２のインダクタと、前記第２のスイッチを制御する基準電圧を受けて前記第２のインダクタを通る第２の周期電流を得る第２の制御装置とを備え、かつ、前記第１の周期電流及び前記第２の周期電流が同一の負荷に供給される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
5. 前記電源システムが低域フィルタを備え、前記基準電圧が前記低域フィルタを経て前記第１の制御装置に供給される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電源システム。
6. 前記電源システムが高域又は帯域フィルタを備え、かつ、前記基準電圧が前記高域又は帯域フィルタを経て前記第２の制御装置に供給される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電源システム。
7. 前記電源システムが遅延回路を備え、かつ、前記基準電圧が前記遅延回路を経て前記第２の制御装置に供給される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電源システム。
8. 請求項１に記載の電源システムと、前記出力電圧を受電する電源入力端を有する増幅器とを備える、
   ことを特徴とする増幅システム。
9. 請求項８の増幅システムを備えることを特徴とする携帯装置。

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