JP2009268348A - 電源ブーストシステムにおいて実質的に一定の出力電圧を提供するためのシステムおよび方法 - Google Patents

電源ブーストシステムにおいて実質的に一定の出力電圧を提供するためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電源ブーストシステムにおいて実質的に一定の出力電圧を生成するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】電源ブースト回路は、負荷と電源とに接続するように構成された出力ノードと、供給のための出力電圧と、負荷と電源とに結合するように構成されたフィード・フォーワード・ループと、該フィード・フォーワード・ループと出力ノードとに結合される電圧リミッタを備えたフィードバック・ループとを有する。電源ブーストシステムは、負荷及び電源に接続された上記電源ブーストを含む。方法は、フィードバック・ループを介して一定電圧と参照電圧とを比較するステップと、負荷変化と入力電圧の範囲にわたって電源ブーストシステムを安定化させるステップとを有する。安定化させるステップは、リミッタを介して、比較するステップに基づいて電圧の所定の範囲に対してフィード・フォーワード・ループに供給される電圧を制限するステップを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電源に関係し、特に、電源ブーストシステムおいて実質的に一定の出力電圧を提供するためのシステムおよび方法に関する。
航空機用の供給電圧より大きな電圧を生成するために、電源ブーストシステムは、例えば航空機ディスプレイ電源においてしばしば使用される。同時代の航空機ディスプレイでは、電源ブーストシステムは、そのような航空機ディスプレイのバックライトで発光ダイオード(LED)のストリングを駆動する。例えば、航空機ディスプレイにおける電源ブーストシステムの設計の1つの挑戦として、広範囲の入力電圧および出力負荷にわたって高度に安定している電源ブーストシステムを生成する。
従って、電源ブーストシステムにおいて実質的に一定の出力電圧を提供するための電源ブーストシステムおよび方法を提供することは望ましい。さらに、入力電圧及び／又は出力負荷の関数でない出力電圧を生成する電源ブーストシステムおよび方法を提供することは望ましい。更に、現在の発明の他の望ましい特徴そして特性は発明かつ追加されたクレームの明白なから後の詳細な記述になるでしょう、伴うことと共にとった、図面および発明のこの背景。
種々の例示的な実施形態は、電源と負荷とに結合されることができる電源ブースト回路を提供する。ある電源ブースト回路は、負荷と電源とに接続するように構成された出力ノードと、供給のための出力電圧と、負荷と電源とに結合するように構成されたフィード・フォーワード・ループと、該フィード・フォーワード・ループと出力ノードとに結合される電圧リミッタを備えたフィードバック・ループとを有する。
他の実施形態では、電圧源と、電源ブースト回路と、ならびに、電圧源および電源ブースト回路に接続された負荷とを備えたシステムを提供する。電源ブースト回路は、出力電圧を供給するための出力ノードと、電圧源に接続されたフィード・フォーワード・ループと、出力ノードに接続されたフィードバック・ループと、フィード・フォーワード・ループに接続された電圧リミッタを備えたフィードバック・ループとを有する。
負荷に接続された電源ブーストシステムの出力で実質的に一定の電圧を生成する方法を提供する。電源ブーストシステムは、出力に接続されたリミッタと、リミッタ、負荷、及び、電源に接続されたフィード・フォーワード・ループとを備えたフィードバック・ループを有する。ある方法では、フィードバック・ループを介して、一定電圧と参照電圧とを比較するステップと、負荷変化と入力電圧の範囲にわたって電源ブーストシステムを安定化させるステップとを有する。ある実施形態では、安定化させるステップは、リミッタを介して、比較するステップに基づいて電圧の所定の範囲に対してフィード・フォーワード・ループに供給される電圧を制限するステップを有する。
本発明を、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。この図面では、同様の参照番号は同様のエレメントを示す。
図１は、ディスプレイ・システムの典型的な具体化のブロックダイヤグラムの一例である。 図２は、図１のディスプレイ・システム内に含まれた電源ブースト回路の典型的な具体化の概要を示す一例である。 図３は、図２の電源ブースト回路内に含まれた電圧リミッターの出力電圧を例示する図である。 図４は、図１のディスプレイ・システム内に含まれた供給電圧のタイミング図を例示する図である。
次の詳細な記述は、単なる例示であり、発明または応用、あるいは発明の使用を制限するようには意図されない。更に、前述の背景技術あるいは次の詳細な説明の中で示されたいかなる理論によっても意図は拘束されない。
本発明の様々な実施例はフィード・フォーワード電源ブースとシステム、及び、電源ブーストシステムに実質的に一定の出力電圧を提供するための方法を提供する。すなわち、様々な実施形態はフィード・フォーワード電源ブーストシステムシステム、及び／又は、入力電圧及び／又は出力負荷の関数でない出力電圧を生成する方法を提供する。
図１は、ディスプレイ・システム100の典型的な具体化のブロックダイヤグラムの一例である。例示の実施形態では、ディスプレイ・システム100は、電源120および負荷130に結合された電源ブースト回路（ブースト回路）110を含む。
ブースト回路110は、電源120から供給電圧を受け取り、かつ実質的に一定の出力電圧を生成するように供給電圧を増幅するように構成される。すなわち、ブースト回路110は、供給電圧及び／又は出力負荷（ディスプレイ130によって生成された負荷）の量にかかわらず同じ出力電圧を実質的に生成するように構成される。様々の典型的な実施形態では、ブースト回路110が実質的に一定または一定の出力電圧を生成するように構成され、かかる電圧は特別の用途のために必要とされる任意の電圧であってよい。ブースト回路110の特に好ましい実施形態をより詳細に以下で議論する。
電源120は、供給電圧を生成することができ、ブースト回路110に電圧を提供することができる、任意のハードウェア、装置及び／又はシステムであってよい。すなわち、電源120はバッテリー、あるいは、力を生成する及び／または格納することができる他のタイプのデバイス又は装置であってもよい。ある実施形態では、電源120は、要求される負荷パワーを提供することができる任意の電圧信号を生成し、その電圧変化が、ブースト供給のオペレーションのサイクルの期間より長い時間の期間にわたって生じる。
負荷130は、電源120によって生成されるものより、作動するためのより大きな電圧を要求する、任意のハードウェア、デバイス及び／又はシステムであってよい。すなわち、電源120は、負荷130を操作するためのブースト回路110に十分なパワーを供給することができる。種々の実施形態では、負荷130は、ユーザに対して表示、ビジュアル、及び／又は、さもなければデータを示すことができる任意のハードウェア、デバイス及び／又はシステムであってよい。すなわち、負荷130は、ディスプレイ、計算機、及び／又は、他の電子ハードウェア/装置/システムであってよい。典型的なディスプレイは、
発光ダイオード(LED)ディスプレイ、有機発光ダイオード(OLED)ディスプレイ、陰極管(CRT)ディスプレイ、プラズマディスプレイパネル(PDP)ディスプレイ、液晶ディスプレイ、薄膜トランジスター(TFT)ディスプレイ、高機能アドレシング(HPA)ディスプレイ、エレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＥＬＤ）、表面伝導電子エミッターディスプレイ(SED；surface-conduction electron-emitter displays)、 レーザー・オプトエレクトロニクス・ディスプレイ、カーボン・ナノチューブ(CNT)ディスプレイ、ナノクリスタル・ディスプレイおよび同種のディスプレイを含んでいるが、それらに限定されない。種々の実施形態では、ディスプレイ130は、航空機プラットフォーム(例えば、飛行機、ヘリコプター、宇宙船、衛星および、同様の航空機）地上の乗り物(例えば、軍用車両、自動車、トラック、列車、農場設備、建設機械および同様の乗り物）、および、船舶(例えば、船(例えば、軍事用、商業用など）、潜水艦、ボートおよび同様の船舶）で使用されるように構成される。
図２は、ブースト回路110のある典型的な具体化の概要の図である。例示の実施形態では、ブースト回路110は、電源120から入力電圧(Vin)を受け取り、実質的に一定で、より大きな、出力電圧(Vout)を生成するように構成される。
ブースト回路110は、ノード1101-1107、インダクタ1110、ダイオード1120、コンデンサー1130、エラー・アンプ1140、電圧リミッター1150、コンパレーター1160、スイッチ1170および抵抗器R1-R5を含む。ブースト回路110は、ノード1102を介して電源120に結合され、ノード1104を介して負荷130に結合されることができる。
ノード1101は、インダクタ1110につながれ、さらに、それはノード1102にもつながれる。ノード1102はダイオード1120につながれ、それは更に、コンデンサ１１３０にも結合され（更に、グランドにも接地され）、ノード1103を介してノード1104に連結される。ノード1104もまた、Voutを含むノード1105を介して抵抗器R1に結合される。
抵抗器R1は、抵抗器R2(さらにグランドにも接地され)に結合され、ノード1106を介してエラー・アンプ1140の正入力につながれる。エラー・アンプ1140の出力は、増幅されたエラー出力電圧(Vae)を電圧リミッター1150に供給するようにに形成され、結合される。更に、エラー・アンプ1140の負入力は、参照電圧(Vref)につながれ、また、エラー・アンプ1140は、ノード1105での電圧（すなわち、Vout）とVrefとの比較に基づいてVaeを生成するように形成される。
電圧リミッター1150は、受けとったVaeの大きさに基づいて前もって定義した範囲内にエラー電圧(Ve)を出力するように構成される。Veの前もって定義した範囲は、ブースト回路110のアプリケーションに依存し、電圧のいかなる範囲をも含んでいよい。特に、図３を参照すると、Vaeが最初に前もって定義した電圧(VA)以下の電圧である場合、Veは前もって定義した電圧の範囲内の最小の電圧(V1)と等しい電圧である。同様に、Vaeが、別の前もって定義した電圧(VB)以上の電圧である場合、Veは、前もって定義した電圧の範囲内の最大の電圧(V2)と等しい電圧である。更に、VaeがVAとVBの間の電圧である場合、VeはV1とV2の間の電圧である。
図２に戻ると、電圧リミッター1150も抵抗器R3につながれ、それは更にノード1107にも結合される。ノード1107も抵抗器R4 (更に、グランドにも接地され)および抵抗器R5に結合され、該Ｒ５は更にノード1101に結合される。ノード1107はさらに、入力電圧(g(t))をコンパレーター1160の負入力に供給し、結合される。コンパレーター1160の正入力は、電圧(f(t))を受け取るように結合される。コンパレーター1160の出力はスイッチ1170につながれ、またスイッチ1170は更にノード1102およびグランドに結合される。
スイッチ1170は、コンパレーター1160の出力電圧によってON/OFFされ、かかる出力電圧は、g(t)とf(t)の比較に依存する。特に、図４を参照すると、f(t)がg(t)より小さいとき、スイッチ1170は、時間の期間（ｔoff）の間、ＯＦＦにスイッチされる。同様に、f(t)がg(t)より大きな場合、スイッチ1170は時間の期間（ｔon）の間、ＯＮにスイッチされる。顕著に、抵抗器R1、R2、R3、R4およびR5、エラー・アンプ1140、および、電圧リミッター1150は、ブースト回路110のフィードバック・ループ1180を構成する。抵抗器R3、R4およびR5、コンパレーター1160、並びにスイッチ1170は、ブースト回路110のフィード・フォーワード・ループ1190を形成します。
当業者が認識するように、ブースト回路110は、上で議論した回路に同じまた同様の演算を実行する、多数の構成を含み、本発明は、開示された回路構成に限定されるべきでなく、むしろ、本発明は、開示された回路と法的及び／又は技術的に均等なものを含む。そういうものとして、以下の議論は、ブースト回路の演算の数学的説明であり、特に開示された構成だけでなく、ブースト回路１１０の種々の他の実施形態を理解するのを助けるであろう。
出力電圧Voutは時間要因を掛けたVinに比例する。この比例関係は、次の方程式で表わすことができる:
Vout∝Vin(1/(1-D)) (1)
ここで、スイッチ1170が期間(T)で割られたON(ｔｏｎ)である場合、Dはスイッチ1170の装荷率（duty cycle）と等しく、該期間(T)は、スイッチ1170の1つのサイクル時間(ｔｏｎ+ｔｏｆｆ)の合計である。
さて、Voutが比較的安定した電圧(シンボルV0によって表わされる)であるように、回路が静止した状態であると仮定すること、そのときその上の方程式(1)へ単純な代入によって、V0がタイム・スイッチ1170の量で割られた期間Tによって表わされる時間要因を掛けたVinと等しいということは、OFF(ｔｏｆｆ)であると見られるであろう。この演算は、次の方程式によって表わすことができる:
Vr∝Vin(T/ｔｏｆｆ) (2)
さらに電圧リミッター1150によって生成されたエラー出力電圧Veが公称電圧Vrと等しく(すなわち、Ve=Vr)、ブースト回路110が、電源120からのパワーの少なくとも公称量を受け取っていると仮定される。次いで、０≦t≦Tに関して図４で表されているように、コンパレーター1160の正入力に電圧f(t)が供給され、その結果、
f(t)=（（(Vb-Va)/T）t）+Va (3)
となり、ここでVaは、f(t)の最小の電圧(すなわち、図4ののこぎり歯信号)であり、Vbはf(t)の最大の電圧である。
ブースト回路110の概略から明白なように、コンパレーター1160の負入力に供給される入力電圧g(t)は次のとおりである:
g(t)=pVin+ｋ (4)
ここで、p=[(R4R3)/(R4R3+R4R5+R3R5)]、ｋ＝Vr[(R4R5)/(R4R3+R4R5+R3R5)]である。図４はさらに、ｔｏｆｆで、f(ｔｏｆｆ)=g(ｔｏｆｆ)、あるいは、[((Vb-Va)/T)ｔｏｆｆ)+Va]=[pVin+k]を表す。
k=Va(すなわち、最大電圧）のとき、次いで、pVin=（(Vb−Va)/T)ｔｏｆｆ)、あるいはｔｏｆｆ=[(pTVin)/(Vb−Va）]である。次いで、ｔｏｆｆに関するこの式を上記方程式(2)へ代入すると、Voutは、量(Vb-Va)/pに比例することが示され、該量は一定の値である。数学的に、これは次のように表現することができる:
Vout ∝ (Vb-Va)/p (5)
従って、ブースト回路110のフィード・フォーワード・ループ1190はVinと負荷130の電圧を変えることを補償する。同様に、電圧リミッター1150は、ブースト回路110のオペレーション上に備える影響フィードバック・ループ1180を最小限にする。すなわち、電圧リミッター1150は、入力電圧Vinおよび負荷130の変化に対して最小の影響としつつ、インダクタ1110のI2-R損失およびダイオード1120のI-V損失を補償する。したがって、ブースト回路110は、広範囲の入力電圧および負荷変化にわたってに安定する。
少なくとも1つの典型的な実施形態を発明の詳細な説明で記載してきたが、多くの変更が存在することは認識されるべきであろう。典型的な実施形態、または、例示的な実子形態は単なる例であり、いかなる方法でも本発明の範囲、発明の適用可能性あるいは構成を限定するようには意図されないことはさらに認識されるべきであろう。もっと正確に言えば、先の詳細な説明は、発明の典型的な実施例を実装するための便利なロードマップを当業者に提供するものであろう。下記の特許請求の範囲に規定された本発明の範囲を逸脱することなく、例示の実施形態に記載された要素の種々の変更をすることは可能であることを理解すべきである。

Claims (3)

  1. 電源と負荷とに結合されることができる電源ブースト回路であって、
    前記電源ブースト回路が、
    出力電圧（Ｖｏｕｔ）を供給するために、負荷と電源とに結合されるように構成された出力ノードと、
    前記負荷と前記電源とに結合されるように構成されたフィード・フォーワード・ループと、
    前記フィード・フォーワード・ループと前記出力ノードとに結合される電圧リミッタを備えたフィードバック・ループと、
    を有することを特徴とする電源ブースト回路。
  2. 電圧源と、
    出力電圧（Ｖｏｕｔ）を供給するための出力ノードと、
    前記電圧源に結合されたフィード・フォーワード・ループと、
    前記出力ノードに結合されたフィードバック・ループと、を備えた
    電源ブースト回路であって、前記フィードバック・ループが前記フィード・フォーワード・ループに結合された電圧リミッタを備えることを特徴とする電源ブースト回路と、
    前記電圧源と、前記出力ノードと、前記フィード・フォーワード・ループとに結合された負荷と、
    を有することを特徴とする電源ブーストシステム。
  3. 負荷に接続された電源ブーストシステムの出力で実質的に一定の電圧を生成するための方法であって、
    前記電源ブーストシステムが、出力に結合されたリミッタと、前記リミッタ、負荷、及び電源に結合されたフィード・フォーワード・ループとを備えたフィードバック・ループを含み、
    該方法が、
    フィードバック・ループを介して、前記一定の電圧と、参照電圧とを比較するステップと、
    入力電圧と負荷変化の範囲にわたって、前記電源ブーストシステムを安定化させるステップと、
    を有し、
    前記安定化させるステップが、前記リミッタを介して、前記比較するステップに基づいて電圧の所定の範囲に対して前記フィード・フォーワード・ループに供給される電圧を制限するステップを有することを特徴とする方法。
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