JP2010508797A - 電気スイッチ回路用エネルギ供給装置 - Google Patents

Abstract

電気スイッチ回路（３）用エネルギ供給装置（２）において、電気スイッチ回路（３）の確実で放射の少ないエネルギ供給のために、エネルギ源（４）及び電気フィルタ（７）が設けられ、エネルギ源（４）と電気フィルタ（７）が共同作用して、エネルギ供給装置（２）が、フィルタ出力端（９）に、第１の周波数範囲において電圧源特性を持ち、第１の周波数範囲に比較して高い周波数の第２の周波数範囲において電流源特性を持つようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気スイッチ回路用エネルギ供給装置に関する。

電気スイッチ回路用エネルギ供給装置は、大抵の場合制御される電圧源として構成されている。この電圧源は数１００ｋＨｚまでその機能を果たすだけなので、制御される電圧源の出力端にコンデンサを並列接続することが公知である。コンデンサにより、制御される電圧源の帯域幅が拡大される。

この帯域幅拡大により、高いＱの共振回路が形成される結果、電磁エネルギの放射が増大する。更に帯域幅の拡大は、例えば記憶モジュールまたはマイクロプロセッサのように特に高速クロック動作する集積スイッチ回路では、クロック周波数及びその高調波の範囲において、アース導線に同相電圧を生じ、したがって共振効果なしでも電磁エネルギの増大する放射を生じる。

従って本発明の基礎になっている課題は、電気スイッチ回路の放射を少なくし、確実にエネルギを供給可能であるように、電気スイッチ回路用エネルギ供給装置を発展させることである。

この課題は、請求項１に示される特徴を持つエネルギ供給装置によって解決される。本発明によれば、エネルギ源と少なくとも１つの電気フィルタとの共同作用によって、電気スイッチ回路が機能的に必要な周波数範囲においてのみエネルギを供給されるように、電気スイッチ回路のエネルギ供給が可能である。電気スイッチ回路の機能上必要な周波数範囲に相当する第１の周波数範囲において、エネルギ供給装置はフィルタ出力端にほぼ電圧源特性を持っている。これは、フィルタ出力端にかかる電圧が第１の周波数範囲で負荷にほぼ無関係であることを意味する。第１の周波数に対して高い周波数の第２の周波数範囲において、エネルギ供給装置はフィルタ出力端に電流源特性を持っている。これは、フィルタ出力端が第２の周波数範囲において高インピーダンスであり、従ってエネルギ供給装置を介して高周波電流回路が実質的に構成されないことを意味する。従って電気スイッチ回路は、機能上必要な第１の周波数範囲において確実にエネルギを供給する。同時に電磁エネルギの放射は少ない。なぜならば、第１の周波数範囲では低い周波数のため、また第２の周波数範囲では少ない高周波電流及び電圧のため、実質的に放射が行われないからである。従って帯域拡大のため機能上必要な範囲を大きく越えた電圧源特性を持つ公知のエネルギ供給装置と比較して電磁エネルギの放射が著しく減少される。

請求項２に記載のエネルギ供給装置の構成は、同時に充分少ない放射特性で実際に確実なエネルギ供給を保証する。

請求項３に記載のエネルギ源は、第１の周波数範囲における電圧源特性の簡単な実現を可能にする。

請求項４に記載の少なくとも１つの電気フィルタの構成は、簡単かつ安価である。

請求項５に記載の少なくとも１つの電気フィルタの構成は、第２の周波数範囲において供給されるべきスイッチ回路のエネルギ源の減結合を簡単に可能にする。

請求項６に記載の減結合素子は、高い周波数において、誘導特性に加えてオーム特性を持っている。高い周波数において増大するオーム特性により、増大する周波数と共に、減結合素子を含む振動回路のＱが低下する。

請求項７に記載の少なくとも１つの電気フィルタの構成は、第１の周波数範囲の拡大を可能にする。直列振動回路の共振周波数及びＱは、振動回路が上の第１の周波数範囲において電圧源として作用するように設計されている。特にエネルギ源を電圧源として構成すると、直列振動回路は電圧源の機能的周波数範囲を補足しかつ拡張する。

請求項８に記載の誘導作用する構成要素は、高い周波数特に第２の周波数範囲において、直列振動回路が付加的なオーム特性を持つので、直列振動回路のＱが著しく減少される。フェライト材料により、構成要素は更にオーム特性を持つ。

請求項９に記載のエネルギ供給装置の構成は、同時に少ない放射で更に確実なエネルギ供給を可能にする。

請求項１０に記載の電気回路は、電気スイッチ回路による作動の際、本発明によるエネルギ供給装置の利点が使用されるのを可能にする。

本発明のそれ以外の特徴及び詳細は、図面による複数の実施例の説明から明らかになる。

本発明の第１実施例によるエネルギ供給装置を持つ電気回路の等価回路図を示す。 図１によるエネルギ供給装置の電圧伝達関数の振幅応答のグラフを示す。 本発明の第２実施例によるエネルギ供給装置を持つ電気回路の等価回路図を示す。 本発明の第３実施例によるエネルギ供給装置を持つ電気回路の等価回路図を示す。

図１及び２を参照して、本発明の第１実施例が以下に説明される。電気回路１はエネルギ供給装置２及び電気スイッチ回路３を持っている。エネルギ供給のため、電気スイッチ回路３はエネルギ供給装置２に接続されている。

エネルギ供給装置２は、電気エネルギを準備するため、制御される電圧源として構成されるエネルギ源４を持っている。エネルギ源４は以下電圧源と称される。電圧源４は、図１による等価回路図では、理想的な電圧源５と複素内部インピーダンス６の直列回路として示されている。複素内部インピーダンス６はインピーダンス値Ｚ_ｉを持っている。理想的な電圧源５は負荷に無関係な電源電圧Ｕ_ｑを発生する。

電気スイッチ回路３の給電のため、エネルギ供給装置２は更に電気フィルタ７を持っている。電気フィルタ７は、入力端８を電圧源４に接続されている。電気フィルタ７は出力端９を電気スイッチ回路３に接続されているので、電気フィルタ７は電圧源４と電気スイッチ回路３との間に設けられている。フィルタ出力端９には電圧Ｕ_１がかかる。電圧Ｕ_１は電気スイッチ回路３の供給電圧である。

電気フィルタ７は受動的に構成されている。これは、電気フィルタ７が受動構成要素のみから構成されていることを意味する。電気フィルタ７は、フィルタ入力端８とフィルタ出力端９との間に接続されて誘導作用する減結合素子１０を持っている。誘導作用する減結合素子１０はフェライト材料から成るコイルとして構成されている。その代わりに、減結合素子１０をフェライト玉として構成することができる。誘導作用する減結合素子１０は、電圧源４を供給されるべき電気スイッチ回路３から減結合するのに役立ち、インダクタンスＬ_１を持っている。

電気フィルタ７は更に直列振動回路１１を持っている。直列振動回路１１はフィルタ出力端９と回路アース１２との間に接続されている。従って直列振動回路１１は、電気フィルタ７の出力側で、電気スイッチ回路３に対して並列に設けられている。直列振動回路１１は誘導作用する構成要素１３及びコンデンサ１４を持ち、これらは直列接続されている。誘導作用する構成要素１３はインダクタンス値Ｌ_２を持っている。更にコンデンサ１４は容量値Ｃ_２を持っている。誘導作用する構成要素１３はコイルとして構成され、フェライト材料から成っている。更に直列振動回路１１は、誘導作用する構成要素１３及びコンデンサ１４に直列接続されるオーム抵抗１５を持っている。オーム抵抗１５は抵抗値Ｒ_２を持っている。更に誘導作用する構成要素１３は、フェライト玉として構成することができる。

電気スイッチ回路３はクロック動作集積スイッチ回路として構成され、クロック周波数ｆ_１を持っている。集積スイッチ回路は一般にＩＣと称される。図１による等価回路図には、集積スイッチ回路のエネルギ供給バスが示され、これは等価回路図においてバスインダクタンス１６とバス容量１７の直列回路としてモデル化されている。バスインダクタンス１６はインダクタンス値Ｌ_３を持ち、バス容量１７は容量値Ｃ_３をもっている。バスインダクタンス１６とバス容量１７との間に結合点１８が形成され、この結合点１８に電圧Ｕ_２がかかる。

電圧源４と電気フィルタ７は次のように構成されている。即ちエネルギ供給装置２は、フィルタ出力端９に第１の周波数範囲ΔＦ_１において電圧源特性を持ち、第１の周波数範囲ΔＦ_１に対して高い周波数の第２の周波数範囲ΔＦ_２において電流源特性を持っている。電圧源特性は、供給電圧Ｕ_１が第１の周波数範囲ΔＦ_１において負荷とはほぼ無関係であることを意味し、電流源特性は、エネルギ供給装置２がフィルタ出力端９で第２の周波数範囲ΔＦ_２において高インピーダンスであることを意味する。電圧源４及び電気フィルタ７は、第１の周波数範囲ΔＦ_１にが、供給されるべき電気スイッチ回路３のクロック周波数ｆ_１の少なくとも１／１０特に１／５及び特に２／５まで達し、第２の周波数範囲ΔＦ_２が少なくともクロック周波数ｆ_１から始まるように、構成されている。

図２の第１の曲線１９は電圧伝達関数Ｕ_１／Ｕ_ｑの振幅応答を示し、その際横軸に沿って周波数ｆがＨｚで記入され、縦軸に沿って電圧振幅比Ｕ_１／Ｕ_ｑが記入されている。第２の曲線２０は電圧伝達関数Ｕ_２／Ｕ_ｑの振幅応答を示している。

図２の第１の曲線１９からわかるように、第１の周波数範囲ΔＦ_１は約７ＭＨｚまで達している。これは、エネルギ供給装置２が７ＭＨｚまで電圧源特性を持っていることを意味する。約１００ｋＨｚまでの下の第１の周波数範囲では、制御される電圧源４が電圧源特性を生じる。増大する周波数と共に減結合素子１０の影響が増大し、電圧源４を次第に電気スイッチ回路３から減結合する。約１００ｋＨｚから７ＭＨｚまでの上の第１の周波数範囲では、電圧源特性は大体において直列振動回路１１の特性によって生じる。約７ＭＨｚにおける第１の周波数範囲ΔＦ_１の終わりから、減結合素子１０及び誘導作用する構成要素１３の減衰が始まり、その際高い周波数では減結合素子１０及び誘導作用する構成要素１３の付加的なオーム特性を生じるフェライト材料によって、減衰が行われる。従ってエネルギ供給装置２は、約２０ＭＨｚから１ＧＨｚまでの第２の周波数範囲ΔＦ_２において、電流源特性を示す。従ってエネルギ供給装置２は、一方では電気スイッチ回路３の確実なエネルギ供給を保証し、他方では電磁エネルギの少ない放射を保証する。

図３を参照して、本発明の第２実施例を以下に説明する。電気フィルタ７は、減結合素子１０及び直列振動回路１１に加えて、フィルタ入力端８と回路アース１２との間に接続され従って電圧源４に並列接続される平滑コンデンサ２１を含んでいる。平滑コンデンサ２１は容量値Ｃ_１を持っている。平滑コンデンサ２１は、フィルタ入力端８にかかる電圧を安定化するのに役立つ。電気スイッチ回路３は、例えば低設定器又は高設定器として構成されるオンオフ制御器２２を含んでいる。オンオフ制御器２２の第１の入力端２３はフィルタ出力端９に接続されている。オンオフ制御器２２の入力端２４は回路アース１２に接続されている。オンオフ制御器２２は、更に蓄勢リアクトル２６を介して回路出力端２７に接続される出力端２５を持っている。回路出力端２７には出力電圧Ｕ_Ａがかかる。電気スイッチ回路３は、出力側に、回路出力端２７及び回路アース１２に接続される別の平滑コンデンサ２８を持っている。蓄勢リアクトル２６はインダクタンス値Ｌ_Ａを持ち、平滑コンデンサ２８は容量値Ｃ_Ａを持っている。インダクタンス値Ｌ_Ａは例えば６８μＨであり、容量値Ｃ_Ａは１００μＦである。オンオフ制御器２２の出力端２５には回復ダイオード２９が設けられて、出力端２５と回路アースとの間に接続されている。回復ダイオード２９は、回復ダイオード２９の容量特性を生じる流通容量を持っている。流通容量は約１ｎＦの範囲にある。流通容量と図示しない導線インダクタンスは、平滑コンデンサ２１を経て閉じる並列振動回路を構成している。この並列振動回路の共振周波数は、減結合素子１０及び直列振動回路１１なしでは、約１００ＭＨｚの所にある。

誘導作用する減結合素子１０及び誘導作用する構成要素１３により、共振周波数はオンオフ制御器２２の機能周波数範囲へ移されるので、オンオフ制御器２２は、並列振動回路がもはや存在しなくなるまで、並列振動回路のＱを積極的に減少する。誘導作用する減結合素子１０は、オンオフ制御器２２を電圧源４から減結合し、直列振動回路１１と共に、回路出力端２７に接続される負荷用の入力フィルタを形成する。共振周波数及び直列振動回路１１のＱは、大体において上の第１の周波数範囲に相当するオンオフ制御器２２の機能範囲に対して直列振動回路１１が電圧源特性を持つように、設計されている。誘導作用する減結合素子１０及び誘導作用する構成要素１３がフェライト材料から成っていることによって、付加的な減衰及びフェライト材料の損失によるＱの広帯域の減少が行われるので、エネルギ供給装置２は、第２の周波数範囲ΔＦ_２において電流源特性を持つ。並列振動回路は、オンオフ制御器２２及びフェライト材料により電気回路１がもはや振動可能でなくなるまで減衰されている。そうでない場合エネルギ供給装置２の動作は、第１実施例において説明した動作に一致している。

図４を参照して、本発明の第３実施例を以下に説明する。電気フィルタ７は、平滑コンデンサ２１に加えて、それに直列接続されるオーム抵抗３０を持っている。オーム抵抗３０は抵抗値Ｒ_１を持っている。電気スイッチ回路３は、図による等価回路図では、導線インダクタンス３１と複素スイッチ回路負荷３２の直列回路として示されている。導線インダクタンス３１はインダクタンス値Ｌ_Ｌを持ち、複素スイッチ回路負荷３２はインピーダンス値Ｚ_Ｌを持っている。オーム抵抗３０は、平滑コンデンサ２１と複素スイッチ回路負荷３２との間で減結合素子１０及び導線インダクタンス３１を経て流れる共振電流を制限するのに役立つ。電圧源４の複素内部インピーダンス６は、電圧源４の周波数範囲を制限する。直列振動回路１１の共振により、電圧源４の機能周波数範囲が拡大され、負荷の要求に適切に合わされるので、エネルギ供給装置２は電気スイッチ回路３の機能周波数範囲にほぼ一致する第１の周波数範囲ΔＦ_１において、電圧源特性を持っている。周波数の上昇と共に、誘導作用する減結合素子１０は、電圧源４および平滑コンデンサ２１を電気スイッチ回路３から次第に減結合する。更にフェライト材料からなる減結合素子１０及び誘導作用する構成要素１３は、周波数の上昇と共に、増大するオーム特性を示す。従ってエネルギ供給装置２は、第２の周波数範囲ΔＦ_２において、フィルタ出力端９で高インピーダンスであるので、電圧源特性が形成されるフェライト材料における高い損失により、高周波共振は行われない。第１の周波数範囲ΔＦ_１において、電気回路１に形成される並列振動回路のＱは、オーム抵抗１５，３０を介して調節される。

供給されるべき電気スイッチ回路３の機能周波数範囲にほぼ一致する第１の周波数範囲ΔＦ_１において、エネルギ供給装置２が電圧源特性を持ち、第２の周波数範囲ΔＦ_２において電流源特性を持っていることによって、電気スイッチ回路３は、機能的に必要な周波数範囲においてのみ、確実にエネルギを供給される。第１の周波数範囲において、電磁エネルギの大した放射が行われないように、周波数はまだ低い。高い周波数の第２の周波数範囲ΔＦ_２において、エネルギ供給装置２は高インピーダンスであるので、回路アース１２を経て僅かな高周波電流しか流れることができず、大した高周波電圧は降下しない。従って電磁エネルギの放射も同様に少ない。別の実施例では、先の実施例において説明した電気フィルタ７は互いに縦続接続可能である。電気フィルタ７の縦続接続により、電圧源特性及び電流源特性が改善される。

Claims (10)

1. 電気スイッチ回路用エネルギ供給装置であって、
   ａ）電気エネルギを準備するエネルギ源（４）、及び
   ｂ）電気スイッチ回路（３）に電気エネルギを供給する少なくとも１つの電気フィルタ（７）を持ち、
   ｃ）エネルギ源（４）と少なくとも１つの電気フィルタ（７）が共同作用して、エネルギ供給装置（２）が、フィルタ出力端（９）に
   ｉ） 第１の周波数範囲（ΔＦ_１）において電圧源特性を持ち、
   ｉｉ）第１の周波数範囲（ΔＦ_１）に比較して高い周波数の第２の周波数範囲（ΔＦ_２）において電流源特性を持つ
   ようにしているエネルギ供給装置。
2. 第１の周波数範囲（ΔＦ_１）が供給されるべき電気スイッチ回路（３）のクロック周波数（ｆ_１）の少なくとも１０分の１まで達し、第２の周波数範囲（ΔＦ_２）が少なくともクロック周波数（ｆ_１）から始まることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギ供給装置。
3. エネルギ源（４）が電圧源として構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のエネルギ供給装置。
4. 少なくとも１つの電気フィルタ（７）が受動的に構成されていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載のエネルギ供給装置。
5. エネルギ源（４）を供給されるべき電気スイッチ回路（３）から減結合するため、少なくとも１つの電気フィルタ（７）が誘導作用する減結合素子（１０）を持っていることを特徴とする、請求項１〜４の１つに記載のエネルギ供給装置。
6. 誘導作用する減結合素子（１０）がフェライト材料から成っていることを特徴とする、請求項５に記載のエネルギ供給装置。
7. 少なくとも１つの電気フィルタ（７）が、少なくとも１つの電気フィルタ（７）の出力側でエネルギ源（４）に対して並列に設けられる直列振動回路（１１）を持っていることを特徴とする、請求項１〜６の１つに記載のエネルギ供給装置。
8. 直列振動回路（１１）が誘導作用する構成要素（１３）を持ち、誘導作用する構成要素がフェライト材料から成っていることを特徴とする、請求項７に記載のエネルギ供給装置。
9. 複数の電気フィルタ（７）が互いに継続接続されていることを特徴とする、請求項１〜８の１つに記載のエネルギ供給装置。
10. ａ）請求項１〜９の１つに記載のエネルギ供給装置（２）及び
    ｂ）クロック周波数（ｆ_１）を持ちかつエネルギを供給されるべき電気スイッチ回路（３）を持つ電気回路。

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