JP2009540782A - 固体電池を備えるチャージ・ポンプｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

ＤＣ−ＤＣコンバータを備える電子装置が提供される。ＤＣ−ＤＣコンバータはＤＣ−ＤＣ変換用にエネルギーを蓄積するための少なくとも１つの固体二次電池（Ｂ１、Ｂ２）と、出力キャパシタ（Ｃ２）とを備える。

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータを有する電子装置に関する。

電子装置または集積回路内において複数のＤＣ電圧が必要な場合は、通常、電子装置の特定の要件に従って、ＤＣ電圧を昇圧するため、またはＤＣ電圧を降圧するためにＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる。

ＤＣ−ＤＣコンバータは、容量性変換機構体用にキャパシタを用いることがある。誘導性変換機構体用には、通常、スイッチング・コンバータからエネルギーを蓄積するためにコイルおよびキャパシタが一時的に用いられる。一方、容量性変換技術は、ＤＣ−ＤＣ変換のためには、キャパシタのみを必要とする。特に、ＤＣ−ＤＣコンバータが集積回路として実装される場合は、コイル、キャパシタなどそれぞれの構成要素の寸法は制限され、それによりこれらの構成要素内に蓄積できるエネルギー量は非常に小さくなる。したがって、要素中のエネルギーが１秒当たり最大１０^７回リフレッシュされるような、スイッチング・コンバータの高いスイッチング周波数が必要となる。しかし、このような高い周波数は、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference―電磁気妨害―）に関する大きな問題となる可能性があり、電源ラインが汚染され、干渉問題を引き起こし得る。

図１は、従来技術によるスイッチ・キャパシタＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示している。ここでは、特にチャージ・ポンプＤＣ−ＤＣコンバータが示される。キャパシタＣ１〜Ｃｎは、電圧源によって充電することができる。並列にて、または単一のキャパシタとして連続的に充電され、直列にて放電されるキャパシタの数により、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力端での電源電圧の整数の数に等しい。さらに、出力電圧が入力電圧の整数倍ではなく、有理数であるＤＣ−ＤＣコンバータの実装も可能である。

スイッチ・キャパシタをベースとしてＤＣ−ＤＣ変換を行う機構体は、誘導性コンバータと比べて、構成要素に必要な小さな寸法に関して有利である。しかし、高効率を実現するには、固定の変換ステップのみが可能であり、すなわち電池電圧がその公称値にある場合には、コンバータはたとえば８０％の効率で動作できるだけである。しかし電圧が１０％低下すると、効率は６５％に低下し得る。

本発明の一目的は、電圧が公称電圧より低い場合でも、より効率の良いＤＣ−ＤＣコンバータを有する、電子装置を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の電子装置、および請求項８に記載の集積回路によって達成される。

したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータを備える電子装置が提供される。ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ−ＤＣ変換用にエネルギーを蓄積するための少なくとも１つの固体二次電池と、出力キャパシタとを備える。固体電池のエネルギー蓄積能力は、スイッチング・キャパシタのそれよりもずっと高いので、ＤＣ−ＤＣ変換のスイッチング周波数が大幅に低減できる。

本発明の一態様によれば、少なくとも１つの固体電池は、シリコン基板へエッチングされた、微細孔アレイまたはトレンチ・アレイ内の薄膜電池として、またはマルチスタック平面電池として実装される。したがって、固体電池は、ＤＣ−ＤＣコンバータと同じ基板上に集積化することができる。

本発明の他の態様によれば、固体電池はＬｉイオン電池として実装され、それにより電池は大きな容量をもつ。

本発明の他の態様によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータは、第１の制御信号に従って少なくとも１つの固体電池を充電するためのスイッチの第１の組と、第２の制御信号に従って少なくとも１つの電池を放電するためのスイッチの第２の組とを備える。

本発明の他の態様によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数は、１Ｈｚ未満である。このように低いスイッチング周波数を用いることにより、スイッチング損失が大幅に低減できる。

本発明はまた、少なくとも１つの固体二次電池と、出力キャパシタとを備える集積化ＤＣ−ＤＣコンバータを有する、集積回路に関する。

本発明はさらに、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいてエネルギーを蓄積するために用いられるキャパシタを、ＤＣ−ＤＣ変換用にエネルギーを蓄積するための小型の電池で置き換えるという概念に関する。これは電池のより大きな容量により、コンバータのスイッチング周波数が大幅に低減でき、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータが非常に低いスイッチング周波数で動作されるので、特に有利である。さらに、スイッチング・リップルも、大幅に低減することができる。加えて、スイッチング周波数が低減できるので、スイッチング損失も低減されることになり、それによりＤＣ−ＤＣコンバータの全体的な電力消費が低減される。たとえば、トレンチ型電池が用いられる場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータの寸法は、スイッチ・キャパシタ・コンバータと同程度の寸法に低減することができる。

次に、本発明の利点および実施形態について、図面を参照にしてより詳細に説明する。

図２は、第１の実施形態によるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示している。ＤＣ−ＤＣコンバータ（チャージ・ポンプ）は、第１および第２の電池Ｂ１、Ｂ２と、その出力端にて出力キャパシタＣ２を備える。さらに回路は、８個のスイッチ、Ｓ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ３ａ、Ｓ４ａ、およびＳ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｓ３ｂ、Ｓ４ｂを備える。スイッチＳ１ａ、Ｓ４ａ、Ｓ２ｂおよびＳ３ｂは、位相ｐのクロック信号により駆動され、スイッチＳ２ａ、Ｓ３ａ、Ｓ１ｂおよびＳ４ｂは、位相−ｐのクロック信号によって逆位相に駆動される。したがって、クロック信号の前半において第１の電池Ｂ１が部分的に充電される場合は、第２の電池Ｂ２は部分的に放電され、クロック信号の後半ではその逆となる。出力キャパシタＣ２は、第１の電池Ｂ１と第２の電池Ｂ２の間での切り換え時の電圧の落ち込みを防ぐために用いられる。したがって、スイッチの制御に従って、第１または第２の電池のいずれかが出力端に結合され、他方の電池は入力電圧Ｖｉｎによって充電されることが可能になる。ここで、第１の電池Ｂ１は、スイッチＳ１ａとＳ４ａが閉じられ、スイッチＳ３ａが開かれるので、入力電圧Ｖｉｎによって充電される。スイッチＳ２ａは開かれるので、第１の電池は出力端から減結合される。第２の電池はスイッチＳ１ｂとＳ４ｂが開かれ、スイッチＳ３ｂとＳ２ｂが閉じられるので、出力端に結合される。スイッチＳ１ｂは開かれるので、第２の電池Ｂ２は入力電圧から減結合される。

電池Ｂ１、Ｂ２の大きな容量によりＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数（１秒当たりの充電／放電サイクル数）が、０．１Ｈｚという低い値まで低減できる。さらに、スイッチング・リップルは、極めて小さくすることができ（通常、ＤＣ−ＤＣコンバータは、約５０ｍＶの出力電圧リップルを有する）、本発明によればリップル値≪１ｍＶは容易に実現される。

図３は、第２の実施形態によるＤＣ−ＤＣコンバータ手段のブロック図を示している。ＤＣ−ＤＣコンバータＤＣ（これは第２または第４の実施形態により実施することができる）とは別に、オン・オフ制御ユニットＯＯＣと、充電監視回路ＣＷＤが設けられる。充電監視回路ＣＷＤは、スタート・アップ時などに必要であり、すなわち、電池が空のときには、ノートン（Notten）らによる、「ブースト充電Ｌｉイオン電池：難しい新奇な充電構想（Boost-charging Li-ion batteries: A challenging new charging concept）」、電力源ジャーナル（Journal of Power Sources） 145、2005年、89〜94頁に記載されているブースト充電アルゴリズムが用いられても、電池を十分急速に充電することはできない。これを避けるために、たとえば、ＤＣ−ＤＣコンバータがスイッチ・オフされた場合に、非常に低電力の監視回路を追加することによって、電池をある充電レベルに保つことができる。

オン・オフ制御信号ＯＯＳは、オン・オフ制御ユニットＯＯＣを駆動する。「オフ」信号が受け取られた場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＣはスイッチ・オフされ、すなわちすべてのスイッチＳ１ａ、・・・、Ｓ４ｂは、この「オフ」位置に置かれ、充電監視回路ＣＷＤはスイッチ・オンされる。「オン」信号が受け取られた場合は、監視回路ＣＷＤはスイッチ・オフされ、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＣは通常の状態で動作する。

図４は、第３の実施形態による電池の電圧／電荷特性を示している。ここで、電池の電圧／電荷特性は、適切に選ばれた化学的性質で示される。電池電圧は、電池内の電荷量に依存する。したがって、電池電圧は、電池内の電荷量を制御することによって所望の値に調整することができる。出力電圧を一定に保ちながら、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力／出力比の３０％の変動は、（電池からの引き出しによる）小さな入力電圧変動を補償するのに十分となり得る。しかし、出力電圧が一定のままとなるためには、入力／出力比の変動はゆっくりと変化されなければならない。これは、スイッチング周波数を１／（１時間）より高くすることによって達成される。図４に示される電圧変動は、１時間の時間スケール内で生じ得る。

したがって、適切な電池の化学的性質により、可変の出力電圧（すなわち、入力電圧の固定の倍数ではない電圧）を実現することができる。

図５は、図２によるＤＣ−ＤＣコンバータのタイミング図を示している。ここで、充電用のＰｃと放電用のＰｄの２つ制御信号が示される。制御信号のデューティ・サイクルは、キャパシタ（すなわち電池）の充電時には、キャパシタ（すなわち電池）の放電と比べて異なるものとすることができる。キャパシタ（すなわち電池）を充電するためにはスイッチＳ１ａ、Ｓ４ａ、Ｓ１ｂ、およびＳ４ｂが必要となり、一方、キャパシタ（すなわち電池）を放電するためにはスイッチＳ２ａ、Ｓ３ａ、Ｓ２ｂおよびＳ３ｂが必要となる。したがって、充電スイッチ用の制御信号Ｐｃは、放電スイッチ用の制御信号Ｐ_ｄとは異なることになる。出力電圧制御がない場合は、これらの制御信号は、単に固定の関係（たとえば、Ｐｄ＝−Ｐｃ）によって関連付けられる。しかし、電池の電荷状態を変化させる必要がある場合は、制御信号を調整する必要がある。出力電圧を低下させる場合は、充電サイクルのデューティ・サイクルも低下させる必要があり、すなわち制御信号Ｐｃ’が調整される。放電用の制御信号Ｐｄは、変化しないままでよい。したがって、１つの充電／放電サイクル全体の間に、電池は（平均として）放電する。その結果、より低い出力電圧が得られる。一例として、単純な制御信号Ｐｃとしては、信号Ｐｃのデューティ・サイクルをゼロとしたものとなる。

図６は、第４の実施形態によるＤＣ−ＤＣコンバータ回路図を示している。ここで、第１および第２の電池Ｂ１、Ｂ２および出力キャパシタＣ２、ならびにそれぞれのスイッチを有する、図２の回路図が示される。キャパシタ（すなわち電池）を充電するためのスイッチＳ１ａ、Ｓ４ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ４ｂは、制御信号Ｐｃによって制御される。キャパシタ（すなわち電池）を放電するためのスイッチすなわちスイッチＳ２ａ、Ｓ３ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ３ｂは、制御信号Ｐｄによって制御される。さらに、入力信号として基準電圧Ｖｒｅｆおよび出力電圧Ｖ_ｏｕｔを受け取るウィンドウ・コンパレータＷＣが設けられる。

（たとえば１Ｈｚ、または１Ｈｚ未満の）クロック信号ｃｌｋは、放電用のスイッチのための信号Ｐｄを発生する。キャパシタ（すなわち電池）を充電するようにスイッチを駆動する信号Ｐｃは、ウィンドウ・コンパレータＷＣの出力に基づいてスイッチ・オン／オフされるようにすることができる。ウィンドウ・コンパレータＷＣは、出力電圧が必要とされる基準電圧Ｖｒｅｆに等しい一定のウィンドウ内であるかどうかを判定する。出力電圧が高過ぎる場合は、スイッチＳが開かれ、Ｐｃのデューティ・サイクルはゼロとなる。出力電圧が低過ぎる場合は、スイッチが閉じられてゼロではなくなる。

本発明の原理に基づいて、より複雑で精密な方式および回路が可能となることに留意されるべきである。

上記では、本発明の原理について、図２、４、および６に示される回路について説明してきたが、キャパシタをベースとする他のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、キャパシタの代わりに電池特にトレンチ型電池を用いることができることに留意されるべきである。

図７は、第５の実施形態によるトレンチ型電池の概略図を示し、これは図２または図６によるＤＣ−ＤＣコンバータに用いることができる。電池は、固体Ｌｉイオン電池層積層体を用いて実装される。この電池層積層体は、微細孔アレイまたはトレンチ・アレイとして実装することができ、これらはＳｉ基板１００へエッチングされる。Ｓｉ基板１００の上には、バリア層１１０（たとえば、Ｔａなど）が設けられる。バリア層１１０上には、非晶質Ｓｉ、ａ−Ｓｉの層１２０が設けられる。次いで固体電解質（ＬｉＮｂＯ_３など）の層１３０、およびＬｉＣｏＯ_２の層１４０が設けられる。

電池層はシリコン上に実装されるので、これらは最新技術のＭＯＳ製造プロセスにおいて集積化することができる。さらに図７による電池、および本発明によるＤＣ−ＤＣコンバータは、システム・イン・パッケージＳｉＰ内へ統合化することができる。

このような固体電池の構造および製造については、参照により本明細書に組み込まれる国際公開ＷＯ２００５／０２７２４５−Ａ２号に記載されている。

上述のＤＣ−ＤＣ回路は、ハンドヘルド装置、すなわち携帯電話、ＰＤＡなどの電池式装置に用いることができる。安定した高い電圧が必要な場合は、本発明によるＤＣ−ＤＣコンバータをＬＣＤディスプレイ、またはメモリ装置、特にＥＭＩおよびスペクトル汚染が避けられるべきである携帯電話に適用することができる。

キャパシタを小型電池、たとえばトレンチ型電池で置き換えることにより、コンバータのスイッチング周波数、すなわち１秒当たりの充電／放電サイクル数を、０．１Ｈｚという低い値まで低減することができる。スイッチング・リップルは、極めて小さくすることができ、通常、ＤＣ−ＤＣコンバータは約５０ｍＶの出力電圧リップルを有するのに対して、この手法を用いればリップル値≪１ｍＶは容易に実現される。これは、出力電圧上のスイッチング・リップルが（ほとんどの関連する応用例において）、信号周波数へのスイッチング周波数の混入によるスペクトル問題とはならないという点で、大きな利点を有する。

この応用例に対するトレンチ型電池の使用により、ずっと高いスイッチング周波数で動作するスイッチトキャパシタコンバータの寸法と同程度の非常に小型のＤＣ−ＤＣコンバータとなるので、極めて有利である。さらなる利点として、各スイッチは非常に低い周波数で動作し、それによりこれらの装置におけるスイッチング損失は大きく低減される。典型的な状況では、スイッチング損失は、コンバータ内の損失の約半分を占める。したがって、電池の品質に応じて、上述のコンバータの損失は、標準のコンバータのおそらく半分になると予想することができる。

他の実施形態では、マルチスタック平面電池を用いることができる。

上述の実施形態は、本発明を説明するものであり、本発明を限定するものではなく、当業者なら添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、多くの代替実施形態を設計することが可能であることに留意すべきである。特許請求の範囲において、括弧内に置かれたいずれの参照記号も、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。「備える（comprising）」という語は、請求項中に列挙されたもの以外の要素またはステップの存在を除外するものではない。要素に先行する語「a」または「an」は、複数のそのような要素の存在を除外するものではない。複数の手段を列挙した装置に関する請求項では、これらの手段のいくつかを同じ１つのハードウェア品目によって実施することもできる。互いに異なる従属請求項中に何らかの処置が記載されているだけで、これらの処置の組合せが利用できないことを示すものではない。

さらに、特許請求の範囲におけるいずれの参照記号も、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

従来技術によるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。 第１の実施形態によるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。 第２の実施形態によるＤＣ−ＤＣコンバータ手段のブロック図である。 第３の実施形態による電池の電圧／電荷特性のグラフである。 第１の実施形態によるＤＣ−ＤＣコンバータのタイミング図である。 第４の実施形態によるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。 第５の実施形態によるトレンチ型電池の概略図である。

Claims (9)

1. 電子装置であって、
   ＤＣ−ＤＣ変換用にエネルギーを蓄積するための少なくとも１つの固体二次電池と、出力キャパシタとを有するＤＣ−ＤＣコンバータを備える電子装置。
2. 前記少なくとも１つの固体電池が、シリコン基板へエッチングされた微細孔アレイ内の薄膜電池、またはシリコン基板へエッチングされたトレンチ・アレイ内の薄膜電池、あるいはマルチスタック平面電池、を含む薄膜電池として、実施される、請求項１に記載の電子装置。
3. 前記固体電池がＬｉイオン電池を含む、請求項１または２に記載の電子装置。
4. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、第１の制御信号に従って前記少なくとも１つの固体電池を充電するために用いられるスイッチの第１の組と、第２の制御信号に従って前記少なくとも１つの電池を放電するために用いられるスイッチの第２の組とを備える、請求項３に記載の電子装置。
5. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータのオンおよびオフの切り換えを制御するためのオン・オフ制御ユニットと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが前記オン・オフ制御ユニットによってスイッチ・オフされた場合に、前記少なくとも１つの電池をある充電レベルに保つための充電監視回路とをさらに備える、請求項１に記載の電子装置。
6. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を調整するために、前記第１および第２の制御信号が独立に制御される、請求項４に記載の電子装置。
7. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数が１Ｈｚより低い、請求項１に記載の電子装置。
8. 集積回路であって、
   ＤＣ−ＤＣ変換用にエネルギーを蓄積するための少なくとも１つの固体二次電池と、出力キャパシタとを有するＤＣ−ＤＣコンバータを備える集積回路。
9. ＤＣ−ＤＣ変換用にエネルギーを蓄積するための少なくとも１つの固体二次電池と、出力キャパシタとを有するＤＣ−ＤＣコンバータ。

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