JP2010178617A - 電源用コントローラ、電源用集積回路コントローラ、および電源 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源用コントローラ124は、論理ブロック134と時間−周波数コンバータ137とを含む。論理ブロック134はクロック信号135に応答して駆動信号130を生成するものである。駆動信号130は、電源の出力を調整するように電源の電力スイッチの切換を制御するように結合されるものである。時間−周波数コンバータ137は論理ブロック134に結合され、駆動信号130の期間に応答する周波数を有するクロック信号135を生成する。
【選択図】図1B
Description
開示の分野
本発明は一般的に電源に関し、より具体的にはスイッチモード電源に関する。
電子機器は動作するのに電力を用いる。スイッチモード電源は、それらの高効率および良好な出力調整により、今日の電子機器の多くへの電力供給に一般的に用いられている。典型的に、スイッチモード電源に含まれる制御回路は、低周波(たとえば50または60Hz本線周波数)高圧交流(ac)を高周波(たとえば30から300kHz)交流に変換する。この高周波高圧交流は変圧器に印加されて、通常はより低電圧に電圧を変圧するとともに、安全のために絶縁を提供する。変圧器の出力は整流されて、調整された直流出力を与え、これを電子機器への電力供給に用い得る。スイッチモード電源制御回路は通常、出力を検出しかつこれを閉ループで制御することによって出力調整を行なう。動作において、スイッチモード電源のスイッチのデューティサイクル(典型的にはスイッチング周期合計に対するスイッチのオン時間の比率)を調整することにより所望の出力を与えるようにスイッチを利用する。
以下の説明では、本発明の完全な理解のため、数多くの具体的詳細が述べられている。しかしながら、当業者には、本発明の実践のために当該具体的詳細を用いる必要がないことが明らかであろう。他の事例では、本発明を曖昧にするのを避けるため、周知の材料または方法を詳細に説明していない。
る傾向がある。スイッチング損失を減少させる1つの方法は、特に高い線電圧において電源のスイッチング周波数を低下させることである。しかしながら、これは、スイッチモード電源制御回路の外部の(および、したがって、よりコストのかかる解決策である)入力電圧の直接検出を要件とする。スイッチモード電源は、スイッチモード電源制御回路用の入出力端子を備える集積回路(IC)を利用し得る。一般的に、集積回路の外側の構成要素はIC外部のものと考えられ、集積回路の内側の構成要素はIC内部のものと考えられる。本発明の実施形態は、スイッチモード電源制御回路内部の入力電圧の間接検出を可能にしてスイッチング周波数を低下させ、高い入力電圧におけるスイッチング損失を減少させる。本発明の他の実施形態では、入力電圧の増大に応答してスイッチング周波数(および/または平均スイッチング周波数)が低下するにつれて、入力電圧の変化に応答する電源の効率の変動が小さくなり得る。
110、クランプ回路112、整流器D1 114、出力コンデンサC1 116、負荷118、出力量UO120、出力電圧VO、出力電流IO、フィードバック回路122、コントローラ124、フィードバック信号UFB126、電流検出入力128、駆動信号130、およびスイッチ電流ID132を含む。図1Aに図示される例示的なスイッチモード電源100は一般的にフライバックレギュレータとして公知であり、これは、本発明の
教示から利するであろうスイッチモード電源トポロジの一例である。しかしながら、スイッチモード電源レギュレータの他の公知のトポロジおよび構成も本発明の教示から利するであろうことが認められる。
、出力電流IO、またはその2つの組合せである。フィードバック回路122は、電源100の出力からの出力量UO120を検出してフィードバック信号UFB126をコントローラ124に与える。図1Aの例では、コントローラ124は、スイッチS1 110の検出された電流ID132を中継する電流検出入力128から別の入力を受ける。スイッチ電流ID132はさまざまな手法で検出され得る。たとえば、個別の抵抗器両端の電圧、またはトランジスタが導通している場合のトランジスタ両端の電圧などである。
らに結合する。さらに、遅延回路136とサンプルアンドホールド回路の両者とも駆動信号130を受ける。次に遅延回路136は時間−電圧コンバータ138に結合し、時間−電圧コンバータ138が駆動信号130を受信するのを遅延時間tDだけ遅延させる。時間−電圧コンバータ138とサンプルアンドホールド回路140とはともに結合する一方で、サンプルアンドホールド回路140はさらに発振器133に結合する。
じてしまう。本発明の一実施形態に従うと、高い入力電圧において最大出力電力を制限することは、DCMの間に、応じてスイッチのスイッチング周波数を低下させることによって達成され得る。本発明の別の実施形態では、スイッチのスイッチング周波数を低下させてDCMの間に高い入力電圧での最大出力電力を制限しつつ、スイッチを通る電流の増大が許される。さらに、本発明の実施形態を利用して、入力電圧の範囲にわたって実質的に一定の最大出力電力を与えてもよい。
る。高基準電圧VURと低基準電圧VLRとの間の差は、本明細書中では発振器133の振幅変動と称される。図4に図示される発振器133の例については、振幅変動の大きさによって、発振器133の周波数(たとえばクロック信号135の周波数)が決まる。コンデンサ422両端の電圧は、充電電流ICおよび放電電流IDISの値に依存して、それぞれ線形に増減する。振幅変動が大きくなるにつれて、コンデンサ422両端の電圧が高基準電圧VURおよび低基準電圧VLRに達する時間が長くなり、その結果、発振器の周期が大きくなる。または、換言すると、発振器133の振幅変動が大きくなると、発振器133の周波数が低下する。高基準電圧VUR、低基準電圧VLR、またはその2つの組合せを変えることにより、発振器133は、振幅変動、およびしたがって発振器133の周波数を変更し得る。変更された振幅変動による発振器133の変更された周波数の例が図5および図6に関して図示される。
スイッチオン時間tONに対応する。スイッチオン時間tONが短くなるにつれて、サンプルアンドホールド回路140は、増大する入力電圧VIN102に対応するより高いTVC出力電圧をサンプリングする。発振器133は、増大する入力電圧VIN102に対応するより高いサンプリングされたTVC出力電圧を利用して、発振器133の振幅変動を調節する。本発明の一実施形態では、振幅変動は、発振器133の高基準電圧VURを調節することによって修正され得る。これは次に発振器の周波数に影響を及ぼし、入力電圧VIN102の間接検出に応答して発振器133の周波数を調節できるようにする。発振器周波数を調節することにより、スイッチング損失を低減し得、電源100の改善された効率を達成し得る。本発明の実施形態の可能な回路実現例およびその結果生じる波形の例が図4および図5に関して図示される。
UOを調整するための制御変数ではないからである。
110は、電流制限ILIM302に達するまで導通し得る。コントローラ124が次のスイッチングサイクルをイネーブルしない(換言すると、次のスイッチングサイクルをディスエーブルする)場合、スイッチS1 110は、そのスイッチングサイクルの間は導通しない。この意味において、コントローラ124は、多数のスイッチングサイクルTS202をスキップすることによって出力量UOを調整し得る。カリフォルニア州サンノゼのパワー・インテグレーションズによって設計されるLinkSwitch-TNなどの装置はオン/オフ制御のさらなる参照例を与える。
明される)が低下するにつれて、入力電圧VIN102の変化による最大出力電力供給能力の変動が小さくなり得る。他の実施形態では、スイッチング周波数の低下は、最大出力電力供給能力の増大を補償し、かつ電源に対して実質的に一定の出力電力を与え得る。
ざまなモードおよびさまざまな種類の制御において動作する電源も本発明の実施形態を利用してもよいことが認められるべきである。上述のように、発振器133、時間−電圧コンバータ138およびサンプルアンドホールド回路140は、時間−周波数コンバータ137としてともに結合して期間を周波数に変換する。
基準電圧VURの最大電圧値であり得る。便宜上、発振器133の高基準電圧VURは、図5に図示されるように、低しきい値電圧VLTと高しきい値電圧VUTとの間で変化し得る。発振器133の振幅変動は、高基準電圧VURと低基準電圧VLRとの間の差である。したがって、本発明のいくつかの実施形態では、時間−電圧138コンバータのコンデンサ404内に蓄積される電圧は、図5に波形508で図示されるように、高しきい値電圧VUTと低しきい値電圧VLTとの間で変化する。換言すると、時間−電圧コンバータ138の出力は、低しきい値電圧VLTと高しきい値電圧VUTとの間の電圧であり得る。一実施形態では、スイッチオン時間が長くなるほど、駆動信号130が論理ハイである時間が長くなる。駆動信号130がハイである時間が長くなるほど、コンデンサ404の放電時間がより長くなり、スイッチング周期TSの終わりにはコンデンサ404の電圧がより低くなる。したがって、本発明の一実施形態では、時間−電圧コンバータ138はスイッチオン時間tONを電圧値に変換し得る。次に時間−電圧コンバータ138の出力電圧は、発振器133によって高基準電圧VURとして利用され、時間−電圧コンバータ138の電圧出力は、多数のスイッチングサイクルにわたって低しきい値電圧VLTから高しきい値電圧VUTに変化し得る。
ンドホールド回路140を利用して、発振器周波数は、電源の入力電圧に応答して変調され得る。
508、S/H510およびUT512に関して図5に図示されるように、(電源のより高い入力電圧に対応する)スイッチオン時間tONが短くなるほど、時間−電圧出力波形C 508がより早くサンプリングされ、より高い電圧値がコンデンサ410に蓄積される。
に従って解釈されるべき添付の請求項によって定められるべきものである。したがって、本明細書および図は、制限的というよりはむしろ例示的なものとしてみなされるべきである。
時間−電圧コンバータ、140 サンプルアンドホールド回路。
Claims (27)
- 電源用コントローラであって、
クロック信号に応答して駆動信号を生成する論理ブロックを備え、前記駆動信号は前記電源の出力を調整するように前記電源の電力スイッチの切換を制御するように結合されるものであり、さらに
前記論理ブロックに結合される時間−周波数コンバータを備え、前記時間−周波数コンバータは、前記駆動信号の期間に応じた周波数を有する前記クロック信号を生成する、コントローラ。 - 前記駆動信号の前記期間は前記電力スイッチのオン時間に対応する、請求項1に記載のコントローラ。
- 前記論理ブロックと前記時間−周波数コンバータとの間に結合される遅延回路をさらに備え、前記遅延回路は、前記駆動信号を受信し、かつ前記駆動信号を遅延時間後に前記時間−周波数コンバータに与えるように結合される、請求項1に記載のコントローラ。
- 前記遅延時間は前記電力スイッチの最小オン時間である、請求項3に記載のコントローラ。
- 前記コントローラは集積回路コントローラであり、前記電力スイッチは前記集積回路コントローラに集積される、請求項1に記載のコントローラ。
- 電源用集積回路コントローラであって、
クロック信号に応答して駆動信号を生成する論理ブロックを備え、前記駆動信号は前記電源の出力を調整するように前記電源の電力スイッチの切換を制御するように結合されるものであり、さらに
前記論理ブロックに結合される時間−周波数コンバータを備え、前記時間−周波数コンバータは、前記駆動信号の期間に応じた周波数を有する前記クロック信号を生成し、
前記時間−周波数コンバータは、
前記期間に応じた電圧を生成するように結合された時間−電圧コンバータと、
前記クロック信号を生成するように結合された発振器とを含み、前記クロック信号の前記周波数は前記時間−電圧コンバータが生成する電圧に応答する、集積回路コントローラ。 - 前記時間−電圧コンバータは、前記期間を前記時間−電圧コンバータが生成する電圧に変換するように、抵抗容量結合型(RC)放電回路を含む、請求項6に記載の集積回路コントローラ。
- 前記時間−周波数コンバータは、前記時間−電圧コンバータと前記発振器との間に結合されたサンプルアンドホールド回路をさらに備え、前記サンプルアンドホールド回路は、前記時間−電圧コンバータが生成する電圧をサンプリングし、前記サンプリングされた電圧を前記発振器に与える、請求項6に記載の集積回路コントローラ。
- 前記サンプルアンドホールド回路は、前記駆動信号を受けるようにさらに結合され、前記サンプルアンドホールド回路は、前記駆動信号に応じて前記時間−電圧コンバータが生成する電圧をサンプリングする、請求項8に記載の集積回路コントローラ。
- 前記電力スイッチは前記集積回路コントローラに集積される、請求項6に記載の集積回路コントローラ。
- 電源用集積回路コントローラであって、
クロック信号に応答して駆動信号を生成する論理ブロックを備え、前記駆動信号は前記電源の出力を調整するように前記電源の電力スイッチの切換を制御するように結合されるものであり、さらに
前記駆動信号の期間に応じた周波数を有する前記クロック信号を生成するように結合される発振器を備える、集積回路コントローラ。 - 前記発振器は振幅変動を有する波形を生成し、前記振幅変動は前記発振器の高基準値と低基準値との間の差であり、前記クロック信号の前記周波数は前記振幅変動に応答し、前記発振器は前記駆動信号の前記期間に応じて前記基準値のうち少なくとも1つを調節する、請求項11に記載の集積回路コントローラ。
- 前記発振器は、低しきい値と高しきい値との間の少なくとも1つの前記基準値を調節する、請求項12に記載の集積回路コントローラ。
- 前記少なくとも1つの基準値が前記低しきい値にある場合に前記発振器が生成する前記波形の傾きは、前記少なくとも1つの基準値が前記高しきい値にある場合の前記波形の傾きと実質的に等しい、請求項13に記載の集積回路コントローラ。
- 前記クロック信号の前記周波数は、前記少なくとも1つの基準値が前記低しきい値にある場合の第1の周波数であり、前記クロック信号の前記周波数は、前記少なくとも1つの基準値が前記高しきい値にある場合の第2の周波数である、請求項13に記載の集積回路コントローラ。
- 前記第1の周波数は前記第2の周波数よりも高い、請求項15に記載の集積回路コントローラ。
- 前記論理ブロックは、前記クロック信号の前記周波数に応じたスイッチング周波数を有する前記駆動信号を生成するように結合される、請求項16に記載の集積回路コントローラ。
- 前記論理ブロックは、前記クロック信号の前記周波数の増大に応じて前記駆動信号の前記スイッチング周波数を増大するように適合される、請求項17に記載の集積回路コントローラ。
- 前記少なくとも1つの基準値は前記発振器の前記高基準値である、請求項12に記載の集積回路コントローラ。
- 前記少なくとも1つの基準値は前記発振器の前記低基準値である、請求項12に記載の集積回路コントローラ。
- 前記電力スイッチは前記集積回路コントローラに集積される、請求項11に記載の集積回路コントローラ。
- 電源であって、
前記電源の入力と出力との間でエネルギを転送するように結合されるエネルギ転送素子と、
前記エネルギ転送素子に結合される電力スイッチと、
前記電源の前記出力を調整するように、電源の前記入力における入力電圧が実質的に固
定されると実質的に固定される平均スイッチング周波数で前記電力スイッチを切換えるように前記電力スイッチに結合されるコントローラとを備え、前記コントローラは、前記入力電圧の増大に応答して前記平均スイッチング周波数を低下させるように構成される、電源。 - 前記入力電圧の前記増大に応答して前記コントローラが前記平均スイッチング周波数を低下させるにつれ、入力電圧の変化に応答する前記電源の最大出力電力の変動が低減される、請求項22に記載の電源。
- 前記入力電圧の前記増大に応答して前記コントローラが前記平均スイッチング周波数を低下させるにつれ、入力電圧の変化に応答する前記電源の効率の変動が低減される、請求項22に記載の電源。
- 前記入力電圧の前記増大に応答して前記コントローラが前記平均スイッチング周波数を低下させるにつれ、前記電源の効率が上昇する、請求項22に記載の電源。
- 前記入力電圧の前記増大に応答して前記コントローラが前記平均スイッチング周波数を低下させるにつれ、前記電源の最大出力が低下する、請求項22に記載の電源。
- 前記電源および前記コントローラは単一のモノリシック集積回路にともに集積される、請求項22に記載の電源。
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