JP2009201353A - スイッチ・モード電源における定負荷電流を維持するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ほぼ一定の電流出力特性を維持するための方法を提供する。
【解決手段】一形態では、開示するレギュレータ回路により、電流制限閾値を有するスイッチが制御される。レギュレータの供給端子とフィードバック端子は、シャント・レギュレータ電流が、レギュレータが消費する内部供給電流を超過した制御端子電流になるよう、制御端子として１つに接続されている。スイッチの電流制限閾値は、シャント・レギュレータ電流の関数として変化する。他の形態では、レギュレータ回路の制御入力部は、レギュレータ回路が消費する内部供給電流とフィードバック電流の合計である電流を受け取っている。フィードバック電流は、レギュレータ回路が消費する電流の小部分であり、スイッチの電流制限閾値は、フィードバック電流の関数として変化する。
【選択図】図１

Description

（関連出願の相互引用）
本出願は、２００２年１月１７日出願の「Ｍｅｔｈｏｄ Ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ
Ｆｏｒ Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ａｎ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ Ｃｏｎｓｔａｎｔ
Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｏｕｔｐｕｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｉｎ Ａ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ」という名称の米国仮出願第６０／３５０，１５８号の優先権を主張するものである。

本発明は一般に電源に関し、より詳細にはスイッチ・モード電源に関する。

多くの電子デバイス・アプリケーション、とりわけ低電力オフライン・アダプタ／充電器市場においては、ほぼ一定の電圧出力特性／定電流出力特性が必要である。定出力電流特性および定出力電圧特性を提供している公知のスイッチ・モード電源回路には、通常、電源の二次側（すなわち出力側）に、出力電圧および電流をセンスし、かつ、フィードバック信号を生成する回路が使用されている。フィードバック信号は、通常、光結合器コンポーネントを介して、電源の一次側のレギュレータ回路に帰還されている。このフィードバック信号を使用して、一次スイッチのスイッチングが制御され、必要な電源出力特性を提供している。

定出力電流を維持する特定の機能は、通常、出力負荷に直列に接続された二次電流センス抵抗を使用して達成されている。この二次電流センス抵抗は、二次電流センス抵抗を流れる電流に比例した電圧信号を提供している。この電圧信号を使用して、電力スイッチの制御に使用されるフィードバック信号を提供している。

ほぼ一定の出力電流を得るための他の技法は、電源の一次側の電源変圧器補助巻線から、電源の出力電圧に関する情報を得る方法である。この情報を使用して、一次レギュレータ回路に必要なあらゆる供給電流に無関係に、一次スイッチ電流制限閾値を調整している。

米国仮出願第６０／３５０，１５８号

ほぼ一定の電流出力特性を維持するための方法を提案する。

この発明のある局面によれば、電源の出力レベルを調整する方法であって、フィードバック電流および内部供給電流を含む制御端子電流をレギュレータ回路の制御端子から受け取ることと、制御端子電流からシャント・レギュレータ電流を導くこととを含み、シャント・レギュレータ電流は、内部供給電流を超過した制御端子電流であり、前記方法はさらに、電源のほぼ一定の出力電流特性を維持するよう制御端子電流のレベルに応答して第１の動作モードおよび第２の動作モードの少なくとも１つを決定することを含む。

好ましくは、第１の動作モードに従って、シャント・レギュレータ電流に応答して電力
スイッチの電流制限閾値を調整することをさらに含む。

好ましくは、電力スイッチの電流制限閾値を調整することは、シャント・レギュレータ電流の増加に応答して電力スイッチの電流制限閾値を大きくすることを含む。

好ましくは、電力スイッチの電流制限閾値を調整することは、シャント・レギュレータ電流の増加に応答して電力スイッチの電流制限閾値を小さくすることを含む。

好ましくは、電力スイッチの電流制限閾値を調整することは、電流制限調整回路で電流制限閾値を調整することを含む。

好ましくは、第２の動作モードに従って、レギュレータ回路が制御する電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することをさらに含む。

好ましくは、レギュレータ回路が制御する電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することは、制御端子電流が制御端子電流閾値に対して高い場合、デューティ・サイクルを減少させることを含む。

好ましくは、電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することは、電源のほぼ一定の出力電圧を維持するよう、閾値を超過したシャント・レギュレータ電流に基づき、電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することを含む。

好ましくは、電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することは、シャント・レギュレータ電流を抵抗の両端間の電圧レベルに変換してデューティ・サイクルを調整することを含む。

好ましくは、第１または第２の動作モードに従って、電力スイッチのスイッチオンおよびオフに応答して、電源のほぼ一定の出力電流特性を維持することをさらに含む。

好ましくは、制御端子を実質的に一定の電圧に維持するよう、制御端子に結合された充電回路を適合することをさらに含む。

この発明の他の局面による方法は、フィードバック電流および内部供給電流を含む制御端子電流をレギュレータ回路の制御端子から受け取ることと、フィードバック電流を決定するよう、シャント・レギュレータ電流を生成することと、電力スイッチを通じて電流を制御するよう、電力スイッチの電流制御閾値に応答して、レギュレータ回路の第１および第２の端子の間に結合される電力スイッチをスイッチオンおよびオフすることと、フィードバック電流に応答して、電力スイッチの電流制限閾値を調整することとを含む。

好ましくは、シャント・レギュレータ電流は、内部供給電流を超過した制御端子電流である。

好ましくは、フィードバック電流の増加に応答して電流制限閾値を大きくすることをさらに含む。

好ましくは、フィードバック電流の増加に応答して電流制限閾値を小さくすることをさらに含む。

好ましくは、電力スイッチのスイッチオンおよびオフに応答して、電源の出力にてほぼ一定の出力電流特性を維持することをさらに含む。

好ましくは、フィードバック電流に応答して、電源の出力にてほぼ一定の出力電圧を維持することをさらに含む。

本発明の他の特徴および利点については、以下に示す詳細な説明および図から明らかになるであろう。

添付の図は、本発明の詳細を、何ら制限されることのない例として示したものである。

本発明の教示による、ほぼ一定の電圧出力特性と定電流出力特性を有する電源の一実施形態を示す回路図である。 エネルギー伝達エレメントが、レギュレータへの制御電流を生成するための個別のフィードバック／バイアス巻線を有する、本発明の教示による電源の他の実施形態を示す回路図である。 本発明の教示による、ほぼ一定の電圧出力特性と定電流出力特性を有する電源のさらに他の実施形態を示す回路図である。 本発明の教示によるスイッチ・モード電源内のレギュレータ回路の伝達関数の一実施形態を示すグラフである。 図１、２および３に示す、本発明の教示によるレギュレータ回路の一実施形態のブロック図である。 本発明の教示による電源レギュレータ回路の一実施形態を示す略図である。 本発明の教示による電源の一実施形態の出力電流と出力電圧の間の典型的な関係を示すグラフである。

レギュレータ回路を使用してほぼ一定の電流出力特性を維持する方法および装置の実施形態を開示する。以下の説明においては、本発明を完全に理解させるために、多数の特定の詳細が示されている。しかしながら、本発明を実践するために特定の詳細を使用する必要がないことについては、当分野の技術者には明らかであろう。したがって本発明を明確にするために、よく知られている材料あるいは方法については、その詳細は省略されている。

本明細書全体を通して参照されている「一実施形態」は、その実施形態に関連して記述されている特定の特徴、構造あるいは特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味している。したがって、本明細書のさまざまな部分に出現する「一実施形態では」という語句は、必ずしも同じ実施形態をすべて指しているわけではない。また、特定の特徴、構造あるいは特性を、任意の適切な方法で、１つまたは複数の実施形態の中に結合させることも可能である。

本発明の教示によるさまざまな実施形態は、光結合器などのソースからの二次フィードバックを必要とすることなく、ほぼ一定の電圧出力特性／定電流出力特性を提供する電源レギュレータを対象としている。以下に示すように、実施形態には、このほぼ一定の電圧出力特性／定電流出力特性を維持するために、制御電流の関数として電力スイッチのデューティ・サイクルや電流制限を調整する方法が含まれている。また、本発明の教示による実施形態には、フィードバック電流とレギュレータ回路のための内部供給電流の両方を結合した制御電流から、電源出力電圧に関するフィードバック情報を得るレギュレータ回路が含まれている。

一実施形態では、ほぼ一定の電圧出力特性／定電流出力特性を生成する本発明の教示に
よる方法には、電力スイッチの電流制限閾値およびデューティ・サイクルを、レギュレータ回路が受け取る制御電流の関数として調整するステップが含まれている。レギュレータの動作モードは制御電流のレベルによって決定される。より低い制御電流レベルでは、レギュレータはほぼ一定の出力電流を維持する。一実施形態では、これは、制御電流の増加に応じて、スイッチの電流制限閾値を大きくすることによって実行されている。より高い制御電流レベルでは、レギュレータは、デューティ・サイクルを小さくすることによってほぼ一定の出力電圧を維持する。

一実施形態では、変圧器の巻数比を乗じた出力電圧に一次まで等しい反射電圧からフィードバック情報を得ている。一実施形態では、反射電圧は、エネルギー伝達エレメントの両端間で、二次側から一次側へ反射する電圧である。反射電圧情報は、制御電流に変換され、レギュレータの制御端子に渡される。レギュレータには、制御端子を形成するように、レギュレータの内部または外部のいずれかで接続された供給端子とフィードバック端子が含まれている。

一実施形態では、フィードバック端子には、供給端子に必要なチップ・レギュレータが消費する内部供給電流を超過した制御端子の制御電流に応答するシャント・レギュレータが含まれている。比較器を備えた電流制限回路を使用して、レギュレータ内の電力スイッチの電流制限が設定される。電流制限はシャント・レギュレータ電流に応答する。一実施形態では、ほぼ一定の電源出力電流特性を提供するように、シャント・レギュレータ電流の増加に応じて電流制限閾値が大きくなる。スイッチ・モード電源の反射電圧は、スイッチ・モード電源の出力電圧に対して直線的に変化しないため、一実施形態では、異なる電流制限勾配が、異なるシャント・レギュレータ電流レベルで存在している。電流制限は、１つまたは複数のシャント・レギュレータ電流ポイントで、１つまたは複数の異なるシャント・レギュレータ電流比率を含む。

既に言及したように、ほぼ一定の出力電流特性を維持するための電流制限閾値は、より低い制御電流レベルにおいてのみ調整される。より高い制御電流レベルにおいては、レギュレータは、閾値を超過したシャント・レギュレータ電流に基づいてデューティ・サイクルを調整することにより、ほぼ一定の出力電圧を維持している。シャント・レギュレータ電流は、チップが消費する内部供給電流を超過した制御電流である。シャント・レギュレータ電流は、基準抵抗の両端間の電圧レベルに変換され、デューティ・サイクルを調整するために使用される。基準抵抗の両端間の電圧レベルは、基準抵抗の両端間の電圧レベルがシャント・レギュレータ電流に比例した増加を開始するポイントにシャント・レギュレータ電流の閾値が達するまでは実質的にゼロである。

図１は、本発明の教示による、ほぼ一定の電圧出力特性と定電流出力特性を有するスイッチング電源の一実施形態を示したものである。フィードバック情報が電源レギュレータ１５０の制御端子に提供されている。また、電源レギュレータ１５０は、ドレイン端子とソース端子の間に接続された電力スイッチを備えている。制御端子の電流は、ＤＣ出力部１００の電圧に応答する抵抗１３５の両端間の電圧に比例している。動作に関しては、電力スイッチのデューティ・サイクルに基づいて、電力スイッチに流れる電流がイネーブルされ、また、ディスエーブルされる。一実施形態では、電源レギュレータ１５０は、抵抗１３５の両端間の電圧が閾値より大きくなり、ＤＣ出力部１００が電圧調整モードになると、電力スイッチのデューティ・サイクルを小さくする。この電源レギュレータ１５０は、抵抗１３５の両端間の電圧が閾値より小さくなると、電力スイッチの電流制限閾値を小さくする。一実施形態では、抵抗１３５の両端間の電圧の関数として電流制限閾値を小さくし、それにより、出力負荷電流をほぼ一定に維持している。したがって、負荷電流は、電源レギュレータ１５０内の電力スイッチの電流制限閾値によって制御されている。

図に示す実施形態では、コンデンサ１７５は、レギュレータのバイパス・コンデンサであり、また、コンデンサ１４０は、エネルギー伝達エレメント１２０の両端間で、二次側１１５から一次側１２５へ反射する反射電圧のための蓄積エレメントである。反射電圧は、電力スイッチがオフ状態にある場合、サイクルごとにダイオード１３０を介して供給される。また、ダイオード１３０およびコンデンサ１４０は、電源レギュレータ１５０内の電力スイッチを保護するための電圧ク傾斜として作用している。エネルギー伝達エレメント１２０の二次側１１５では、スイッチされたエネルギーを整流器１１０が整流し、また、蓄積エレメント１０５が、ＤＣ出力部１００で利用することができるエネルギーを蓄積している。

図２は、エネルギー伝達エレメント２２０が、電源レギュレータ１５０への制御電流を生成するための別のフィードバック／バイアス巻線を有する本発明の教示によるスイッチング電源の他の実施形態を示したものである。この電源は、ほぼ一定の電圧出力特性と定電流出力特性を有している。フィードバック情報は、電源レギュレータ１５０の制御端子に提供される。また、電源レギュレータは、ドレイン端子とソース端子の間に接続された電力スイッチを含んでいる。制御端子の電流は、ＤＣ出力部２００の電圧に応答する抵抗２３５の両端間の電圧に比例している。一実施形態では、ＤＣ出力部２００が電圧調整モードであり、抵抗２３５の両端間の電圧が閾値より大きくなると、電源レギュレータ１５０は、電力スイッチのデューティ・サイクルを小さくする。この電源レギュレータ１５０は、抵抗２３５の両端間の電圧が閾値より小さくなると、電力スイッチの電流制限閾値を小さくする。電流制限閾値は、抵抗２３５の両端間の電圧の関数として小さくなり、それにより、出力負荷電流をほぼ一定に維持している。したがって、負荷電流は、電源レギュレータ１５０内の電力スイッチの電流制限閾値によって制御されている。コンデンサ２７５は、レギュレータのバイパス蓄積エレメントであり、また、コンデンサ２７０は、エネルギー伝達エレメント２２０を横切って、二次側２１５からフィードバック／バイアス巻線へ反射する反射電圧のための蓄積エレメントである。反射電圧は、電力スイッチがオフ状態にある場合、サイクルごとにダイオード２３０を介して供給される。ダイオード２６０、コンデンサ２４０および抵抗２４５は、電源レギュレータ１５０内の電力スイッチを保護するための電圧ク傾斜として作用している。エネルギー伝達エレメント２２０の二次側２１５では、スイッチされたエネルギーを整流器２１０が整流し、また、ＤＣ出力部２００で利用することができるエネルギーを蓄積エレメント２０５に蓄積している。

図３は、本発明の教示による、ほぼ一定の電圧出力特性と定電流出力特性を有するスイッチング電源のさらに他の実施形態を示したものである。フィードバック情報は、電源レギュレータ１５０の制御端子に提供されている。また、電源レギュレータ１５０は、ドレイン端子とソース端子の間に接続された電力スイッチを含んでいる。一実施形態では、電源レギュレータ１５０の制御端子の電流は抵抗３３５の両端間の電圧に比例する。この抵抗３３５の両端間の電圧は、ＤＣ出力部３００の電圧に比例する。一実施形態では、電源レギュレータ１５０は、ＤＣ出力部３００が電圧調整モードで、抵抗３３５の両端間の電圧が閾値より大きくなると、電力スイッチのデューティ・サイクルを小さくする。この電源レギュレータ１５０は、抵抗３３５の両端間の電圧が小さくなると、電力スイッチの電流制限閾値を小さくする。電流制限閾値は、抵抗３３５の両端間の電圧の関数として小さくなり、それにより、出力負荷電流をほぼ一定に制御している。コンデンサ３７５は、レギュレータのバイパス蓄積エレメントであり、また、コンデンサ３７０は、ダイオード３３０を介して帰還されるＤＣ出力部３００の電圧のための蓄積エレメントである。誘導性エネルギー伝達エレメント３８０の一方の側で、伝達されたエネルギーが蓄積エレメント３０５に蓄積され、それをＤＣ出力部３００で利用する。誘導性エネルギー伝達エレメント３８０は、サイクルの、電源レギュレータ１５０がドレインとソースの間に電流を導くアクティブ部分でエネルギーを蓄積している。蓄積されたエネルギーは、サイクルの非アクティブ部分で、ダイオード３６０を介してノード３１０に渡される。

図４は、本発明の教示によるスイッチ・モード電源内の電源レギュレータ１５０の伝達関数の一実施形態を示したものである。曲線４００は、制御端子電流４１０を関数とした電力スイッチの電流制限特性の一実施形態を示している。このグラフの左側部分４２０は特性の定出力電流部分に関係している。一実施形態では、ほぼ一定の出力電流を維持するために、電流制限閾値は、制御端子電流の関数として徐々に傾斜している。既に説明したように、制御電流に対する電流制限閾値の勾配は必ずしも一定ではない。制御端子電流のさまざまなポイントにさまざまな勾配が存在している。曲線４３０は、制御端子電流４１０を関数としてデューティ・サイクルをプロットしたものである。右側部分は、特性の定出力電圧セクション４４０に関係している。この曲線から分かるように、デューティ・サイクルは、制御電流が制御電流閾値を超えた場合にのみ減少している。デューティ・サイクルが約２％未満になると、周波数減少領域４５０に入り、スイッチング周波数が小さくなる。

図５は、実施例として図１、２および３に示す、本発明の教示による電源レギュレータ１５０の一実施形態のブロック図である。一実施形態では、電源レギュレータ１５０は、モノリシック・チップ中に組み込まれている。他の実施形態では、たとえば電力スイッチ５４７など、電源レギュレータ１５０のいくつかの機能が外部に含まれていることを理解されたい。一実施形態では、電源レギュレータ１５０はスイッチング電源内に含まれている。図に示す実施形態から分かるように、電源レギュレータ１５０は、制御端子５４５、ドレイン端子５４１およびソース端子５４３の３つの端子を備えている。また、電源レギュレータ１５０は、充電回路５０３、制御端子レギュレータ回路５０９、電流制限調整ブロック５１１、電力スイッチ５４７および電力スイッチ制御回路５４９を備えている。制御端子レギュレータ回路５０９および充電回路５０３は、制御端子５４５を所定の定電圧レベルに維持している。また、制御端子レギュレータ回路５０９は、制御端子５４５からの制御電流に基づいてフィードバックを受け取り、受け取ったフィードバックを、制御回路５４９のデューティ・サイクルおよび電流制限調整回路５１１の電流制限閾値を調整するために送信される信号に変換している。制御端子５４５からの制御電流を使用して、電流制限閾値およびその勾配の両方が調整される。デューティ・サイクル調整の開始は、制御電流閾値によって制御されている。制御回路５４９は、電力スイッチ５４７のスイッチング開始のタイミングを決定している。スイッチングの終了は、制御端子５４５からの制御電流の大きさによって制御され、動作領域に応じて、制御回路５４９によって制限されるデューティ・サイクルまたは制御回路５４９によって終結される電流制限閾値のいずれかである。電力スイッチ５４７の電流レベルに関する情報は、ドレイン端子５４１から制御回路５４９の電流制限回路に帰還される。

図６は、本発明の教示による電源レギュレータ１５０の一実施形態を略図で示したものである。電力スイッチ５４７は、ドレイン端子５４１とソース端子５４３の間に結合されている。一実施形態では、ソース端子５４３は接地に結合されている。制御端子レギュレータ回路５０９は信号６４４を介して制御回路５４９に結合されている。一実施形態では、制御端子５４５は、電源レギュレータ１５０のすべてのブロックに内部供給電流およびフィードバック電流を提供する結合電気端子である。実際に、図に示す実施形態では、制御端子５４５は、内部供給電流を受け取るための供給端子と、フィードバック電流を受け取るためのフィードバック端子の両方の役割を果たしている。図に示す実施形態では、フィードバック端子および供給端子が、電源レギュレータ１５０の内部で接続され、結合電気端子である制御端子５４５を形成していることが理解されよう。他の実施形態では、電源レギュレータ１５０の外部で接続されたフィードバック端子および供給端子が、同様に結合電気端子である制御端子５４５を形成していることが理解されよう。一実施形態では、制御端子レギュレータ回路５０９は、比較器６３９、抵抗６３３、６３５および６３７、ならびにトランジスタ６４１および６４３を備えたシャント・レギュレータ・ブロック
を備えている。

電源レギュレータ１５０の電流制限機能は、比較器６７１、リーディングエッジ・ブランキング回路６６７およびＡＮＤゲート６６１によって提供されている。制御電流がデューティ・サイクル調整閾値未満になると、制御電流によって電流制限閾値が調整される。トランジスタ６９４および６４３によって形成される電流ミラーは、シャント・レギュレータ電流をミラーしており、したがって電流制限閾値の調整に利用することができる。たとえば、一実施形態では、電流制限閾値は、シャント・レギュレータ電流すなわちフィードバック電流の増加と共に大きくなる。他の実施形態では、電流制限閾値は、シャント・レギュレータ電流すなわちフィードバック電流の増加と共に小さくなる。この調整は、制御端子電流がチップの内部供給電流を超過すると直ちに開始される。トランジスタ６４３を流れるこの超過電流が、シャント・レギュレータ電流すなわちフィードバック電流である。トランジスタ６９４を流れる電流が増加すると、トランジスタ６９６を流れる電流が同じ量だけ増加する。電流制限調整回路５１１のトランジスタ６８６を流れる電流は、トランジスタ６９６を流れる電流と共に直線的に増加する。固有電流制限は電流源６８０によって設定されている。制御電流がチップの内部供給電流未満である場合、この固有電流制限が電力スイッチの電流制限閾値である。制御電流がチップの内部供給電流を超過すると、トランジスタ６８６を流れる電流が、制御端子電流に対して増加する。トランジスタ６８６が電流源６８０と並列に接続されているため、制御電流のこの増加によって電流制限閾値が大きくなる。電流制限閾値のこの増加は、この動作領域において、出力電流がほぼ一定のレベルに維持されるように設計されている。反射電圧と出力電圧の関係に非直線性が存在し、かつ、電力スイッチのドレイン電流と電源の出力電流の間に非直線性が存在しているため、さまざまな制御電流値に対してさまざまな勾配が必要である。制御電流を関数とした電流制限閾値曲線のさまざまなポイントに対するこれらのさまざまな勾配は、理論的には相殺回路を介して得ることができる。この相殺回路は、トランジスタ６９２、６９０、６８８および電流源６８４からなっている。トランジスタ６９２を流れる電流も、制御電流に対して直線的に増加する。そのために、トランジスタ６９２を流れる電流が、電流源６８４によって設定される閾値を超えて増加すると、トランジスタ６９０を流れる電流が増加し、その結果、トランジスタ６８８を流れる電流が増加する。この閾値は、制御電流が、電流制限閾値の勾配を制御電流を関数として調整するための制御電流レベルを超過した場合に設定される（図４のＩ_CL４６０）。トランジスタ６８８は、この閾値を超えると、電流制限閾値の勾配を制御電流の関数として所望のレベルに調整するために必要な量の追加電流を導くように設計されている。

一実施形態では、シャント・レギュレータ・ブロックを使用して、制御端子５４５の制御端子調整電圧が維持されている。一実施形態では、制御端子調整電圧が約５．７ボルトである。シャント・レギュレータ電流閾値を超過した、制御端子へ流入する電流に反比例したデューティ・サイクルで電力スイッチをドライブすることにより、パルス幅変調器が電圧モード制御を実施している。シャント・レギュレータ電流は、チップの内部供給電流を超過した制御端子電流である。シャント・レギュレータ電流は、トランジスタ６４１および６４３を通って流れる。トランジスタ６４３および６４７は、電流ミラーを形成している。シャント・レギュレータ電流が電流源６４５によって設定される閾値を超過すると、フィードバック信号が電力スイッチ５４７のデューティ・サイクルの調整を開始する。抵抗６１０を流れる電流は、電流源６４５によって設定されるシャント・レギュレータ電流閾値に到達するまで、実質的にゼロである。このフィードバック電流信号は、トランジスタ６４７を使用して抽出される。制御回路５４９の比較器６５７の負の入力部の電圧は抽出されたフィードバック電圧信号６４４である。この抽出フィードバック電圧６４４は、電流源６４５閾値を超過したシャント・レギュレータ電流信号に基づいてデューティ・サイクルを調整している。シャント・レギュレータ電流が電流源６４５閾値未満になると、比較器６５７の負の入力部の電圧はハイを維持し、比較器６５７の出力はローを維持す
る。シャント・レギュレータを流れる電流が増加すると、比較器６５７の負の入力部の電圧は直線的に減少する。比較器６５７の出力は、シャント・レギュレータ電流によって決定されるサイクルの間、ハイである。比較器６５７の出力がハイになると、ＯＲゲート６５９の出力がハイになり、ラッチ６６３をリセットする。この回路は、ゼロ制御電流からデューティ・サイクルが減少する制御電流閾値（図４のＩ_DCS４７０）まで、デューティ・サイクルをほぼ一定に維持している。制御電流がＩ_DCSを超えると、電力スイッチ５４７のデューティ・サイクルが、制御電流の関数として減少し、定出力電圧が維持される。

したがって、このレギュレータを利用した電源は、制御端子電流がＩ_DCS未満になると、ほぼ一定の出力電流特性を示し、また、制御端子電流がＩ_DCSを超えると、ほぼ一定の
出力電圧特性を示すことになる。中間動作領域は定電力領域であり、可能な限り最小にしなければならない。

パワーアップ時に、結合電気制御端子５４５の両端間の電圧が制御端子調整電圧（たとえば、５．７ボルト）に達すると、トランジスタ６２９がターン・オンし、インバータ６０９の入力をハイに引っ張る。それによりインバータ６０９の出力がローになり、ＮＡＮＤゲート６１１および６１３からなるラッチがセットされる。ＮＡＮＤゲート６１３の出力がローになり、インバータ６１５の出力がハイになる。トランジスタ６０５のゲートがハイに引っ張られてトランジスタ６０５がターン・オンし、それによりトランジスタ６０１のゲートがローに引っ張られ、充電回路５０３の高電圧電流源がターン・オフする。一実施形態では、充電回路５０３の高電圧電流源にトランジスタ６０１が含まれている。

一実施形態では、ＮＡＮＤゲート６１３の出力は、自動再始動カウンタ６２５にも結合されている。ＮＡＮＤゲート６１３の出力がローになると、自動再始動カウンタ６２５の出力がハイになってＮＡＮＤゲート６６５がイネーブルされ、したがって、インバータ６６９の出力を介して電力スイッチ５４７のスイッチがイネーブルされる。一実施形態では、電力スイッチ５４７は、ドレイン端子５４１とソース端子５４３の間に、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）６７５に直列に結合された電力ＭＯＳＦＥＴ６７３を備えている。他の実施形態では、たとえば、バイポーラ接合トランジスタまたは他の適切なタイプの電力スイッチなど、他のタイプのトランジスタ技術を使用して電力スイッチ５４７が実現されることを理解されたい。

一実施形態では、制御端子レギュレータ回路５０９の制御端子調整電圧は５．７ボルトに設定される。一実施形態では、コンデンサが制御端子５４５に外部接続される。電力スイッチ５４７がスイッチングを開始すると、充電回路５０３を必要とすることなく、制御端子５４５の電圧が徐々に降下する。この電圧降下は、電源の出力がその調整値に達するまで継続される。

たとえば、出力の短絡または開放ループなどの故障状態の下では、制御端子５４５に結合されている外部コンデンサが４．７Ｖに放電し、比較器６２７の出力がローになって、ＮＡＮＤゲート６１１および６１３からなるラッチがリセットされる。また、インバータ６１５の出力がローになり、トランジスタ６０５がターン・オフする。それにより充電回路５０３がイネーブルされ、制御端子５４５に結合されている外部コンデンサが充電される。また、自動再始動カウンタ６２５の出力がローになり、電力スイッチ５４７のスイッチングがディスエーブルされる。一実施形態では、自動再始動カウンタ６２５は、出力が再度イネーブルされるまでの間に、たとえば８サイクルの放電／充電を計数するように設計されている。

図７は、本発明の教示による電源の一実施形態の出力電流と出力電圧の間の典型的な関係をグラフで示したものである。曲線７００から分かるように、本発明の教示による電源
の一実施形態は、ほぼ一定の出力電流特性およびほぼ一定の出力電圧特性を示している。つまり、出力電流が増加すると、出力電流が出力電流閾値に到達するまでほぼ一定の出力電圧が維持される。出力電流が出力電流閾値に近づくと、出力電圧の降下に対してほぼ一定の出力電流が維持されるため、出力電圧が小さくなる。グラフに示すように、出力電流は、一定の出力電圧未満に減少し、あるいは折り返される。本発明によるさまざまな実施形態のほぼ一定の出力電圧特性およびほぼ一定の出力電流特性が、電池充電器アプリケーション等に適していることを理解されたい。

１００ ＤＣ出力部、１０５ 蓄積エレメント、１１０ 整流器、１２０ エネルギー伝達エレメント、１３０ ダイオード、１３５ 抵抗、１４０ コンデンサ、１５０ 電源レギュレータ、１７５ コンデンサ。

Claims (17)

1. 電源の出力レベルを調整する方法であって、
   フィードバック電流および内部供給電流を含む制御端子電流をレギュレータ回路の制御端子から受け取ることと、
   制御端子電流からシャント・レギュレータ電流を導くこととを含み、シャント・レギュレータ電流は、内部供給電流を超過した制御端子電流であり、前記方法はさらに、
   電源のほぼ一定の出力電流特性を維持するよう制御端子電流のレベルに応答して第１の動作モードおよび第２の動作モードの少なくとも１つを決定することを含む、方法。
2. 第１の動作モードに従って、シャント・レギュレータ電流に応答して電力スイッチの電流制限閾値を調整することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 電力スイッチの電流制限閾値を調整することは、シャント・レギュレータ電流の増加に応答して電力スイッチの電流制限閾値を大きくすることを含む、請求項２に記載の方法。
4. 電力スイッチの電流制限閾値を調整することは、シャント・レギュレータ電流の増加に応答して電力スイッチの電流制限閾値を小さくすることを含む、請求項２に記載の方法。
5. 電力スイッチの電流制限閾値を調整することは、電流制限調整回路で電流制限閾値を調整することを含む、請求項２に記載の方法。
6. 第２の動作モードに従って、レギュレータ回路が制御する電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. レギュレータ回路が制御する電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することは、制御端子電流が制御端子電流閾値に対して高い場合、デューティ・サイクルを減少させることを含む、請求項６に記載の方法。
8. 電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することは、電源のほぼ一定の出力電圧を維持するよう、閾値を超過したシャント・レギュレータ電流に基づき、電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することを含む、請求項６に記載の方法。
9. 電力スイッチのデューティ・サイクルを調整することは、シャント・レギュレータ電流を抵抗の両端間の電圧レベルに変換してデューティ・サイクルを調整することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 第１または第２の動作モードに従って、電力スイッチのスイッチオンおよびオフに応答して、電源のほぼ一定の出力電流特性を維持することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 制御端子を実質的に一定の電圧に維持するよう、制御端子に結合された充電回路を適合することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. フィードバック電流および内部供給電流を含む制御端子電流をレギュレータ回路の制御端子から受け取ることと、
    フィードバック電流を決定するよう、シャント・レギュレータ電流を生成することと、
    電力スイッチを通じて電流を制御するよう、電力スイッチの電流制御閾値に応答して、レギュレータ回路の第１および第２の端子の間に結合される電力スイッチをスイッチオンおよびオフすることと、
    フィードバック電流に応答して、電力スイッチの電流制限閾値を調整することとを含む、方法。
13. シャント・レギュレータ電流は、内部供給電流を超過した制御端子電流である、請求項１２に記載の方法。
14. フィードバック電流の増加に応答して電流制限閾値を大きくすることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. フィードバック電流の増加に応答して電流制限閾値を小さくすることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 電力スイッチのスイッチオンおよびオフに応答して、電源の出力にてほぼ一定の出力電流特性を維持することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
17. フィードバック電流に応答して、電源の出力にてほぼ一定の出力電圧を維持することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。

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