JP2013546302A - ２段電力変換 - Google Patents

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Abstract

入力電圧を出力電圧に変換する回路。回路は、入力電圧を受信し、入力電圧を変換する第1の段の電圧コンバータを含む。第1の段の電圧コンバータは、二重レール出力を有する第1のバックコンバータを含み、第1のレールは高い中間電圧、第2のレールは低い中間電圧である。回路は、出力レールを受信し、出力電圧を生成する第2の段の電圧コンバータも含む。

Description

本開示は、一般に電力変換に関し、より詳細には、2段コンバータによる電力変換に関する。
様々な電力変換器は、当技術分野で知られており、現在、市場において多くの適用例で使用されている。電力変換器の1つのタイプの一般化された例は、図1の従来のバックコンバータ100である。バックコンバータ100は、直流電流(DC)DCコンバータであり、たとえば、バッテリからの電圧を低下させ、電子構成要素にDC電圧を供給するために使用され得る。
バックコンバータ100は、制御回路106によって制御されるトランジスタ102、104を含む。バックコンバータは、ダイオード108、キャパシタ112、およびインダクタ110も含む。負荷120は、バックコンバータ100の出力電圧を受信する。制御回路106は、インダクタ110をソース電圧(Vin)に交互に接続し、切断するために、トランジスタ102、104がオンにされるデューティサイクルを変える。インダクタ110は、エネルギーを格納し、エネルギーを放出するにつれて、ソース電圧よりもやや小さい出力電圧(Vout)を生成する。
従来の電力変換器の別の例を、図2に示す。電力変換器200は、2つの別々のキャパシタ211、221へのパスを完成させるスイッチ210、220を含む。電力変換器200は、2つの出力電圧(Vout1およびVout2)を生成し、2つの異なる負荷212、222を供給する。いくつかの実装形態では、出力電圧が異なる。
そのような電力変換器は、たとえば携帯電話およびラップトップコンピュータなど、消費者デバイスの幅広い取り合わせで使用されている。DC-DC電力変換器の例示的な使用は、バッテリからの電圧を、プロセッサデバイスにおいて使用するための電圧に低減することである。高性能プロセッサコアの瞬間毎の電力消費についていくために、高速過渡応答が望ましい。さらに、高速過渡応答は、高速動的電圧スケーリングが使用されるとき、効率的に高速の整定を提供するのを助けることができる。したがって、デジタルコアと対にされたDC-DCコンバータの超高周波を使用することが望ましい。受動素子を負荷の近くに配置することができるように、受動素子のサイズを制限することも望ましい。
しかしながら、バッテリ電圧からの直接変換が使用されるとき、金属酸化物半導体(MOS)トランジスタの必要な電圧定格は、高周波では損失性が高いトランジスタの使用を余儀なくする場合がある。一方、低周波での動作は、かさばるインダクタおよびキャパシタの使用を伴い、特に複数の電圧領域が使用されるとき、これらは大量のボードスペースを占有する。
一実施形態によれば、入力電圧を出力電圧に変換する回路が開示される。回路は、入力電圧を受信し、入力電圧を変換する第1の段の電圧コンバータを含む。第1の段の電圧コンバータは、二重レール出力を有し、第1のレールは高い中間電圧、第2のレールは低い中間電圧である。回路は、二重レール出力を受信し、出力電圧を生成する第2の段の電圧コンバータも含む。
別の実施形態によれば、入力電圧を出力電圧に変換するための方法が開示される。方法は、第1の段の電圧コンバータで入力電圧を受信するステップを含む。第1の段の電圧コンバータは、二重レール出力を含む。方法は、第1のレールで高い中間電圧を供給し、第2のレールで低い中間電圧を供給するステップと、第2の段の電圧コンバータで高い中間電圧および低い中間電圧を受信するステップと、第2の段の電圧コンバータで高い中間電圧および低い中間電圧から出力電圧を生成するステップとも含む。
さらに別の実施形態によれば、入力電圧を出力電圧に変換する回路が開示される。回路は、入力電圧から第1および第2の中間電圧を発生させるための手段を有し、発生手段が第1のバックコンバータを備える。発生手段が、二重レール出力を備える。回路は、第1および第2の中間電圧から出力電圧を生成するための手段も有する。
上記は、以下の詳細な説明をよりよく理解できるように、本開示の特徴および技術的利点をかなり広く概説したものである。本開示の特許請求の範囲の主題を形成する、さらなる特徴および利点が以下で説明される。本開示の同じ目的を実施するために他の構造を修正または設計する基礎として、開示される概念および特定の実施形態を容易に利用できることが、当業者には理解されよう。そのような同等の構成が添付の特許請求の範囲に記載された開示の技術から逸脱しないことも、当業者には理解されよう。本開示の構成と動作方法の両方に関して本開示の特徴と考えられる新規の特徴は、さらなる目的と利点とともに、以下の説明が添付の図面に関連して検討されればよりよく理解されよう。しかし、図の各々は例示および説明のために与えられるに過ぎず、本開示の限度の定義を目的としたものではないことを明確に理解されたい。
本開示のより完全な理解のために、ここで、添付の図面と併せて以下の説明を参照する。
従来の電力変換器の1つのタイプの一般化された例である。 従来の電力変換器の別の例である。 本開示の実施形態を有利に利用できる、例示的なワイヤレス通信システムを示す図である。 一実施形態に従って適合された、例示的な電力変換器を示す図である。 一実施形態による、DC-DCコンバータがパッケージされた例示的な回路の図である。 一実施形態による、例示的なチップパッケージを示す図である。 一実施形態に従って適合された、例示的な方法を示す図である。
様々な実施形態は、ターゲット電圧を上回るおよび下回る2つの中間電圧に対する高効率の粗い調整ならびにバッテリインターフェースを提供する第1の段を有する2段電力コンバータ回路を提供する。第2の段は、高性能の調整を提供し、いくつかの例では、たとえばプロセッサまたはチップパッケージなど、負荷と一体化する、または共同パッケージすることができる。
図3は、本開示の実施形態が有利に利用され得る、例示的なワイヤレス通信システム300を示す。例示の目的で、図3は3つのリモートユニット320、330および340、ならびに2つの基地局350および360を示す。ワイヤレス通信システムは、より多くのリモートユニットおよび基地局を有してもよいことが認識されよう。リモートユニット320、330、および340は、以下でさらに論じられる実施形態を実施する、改善された半導体ダイパッケージ325A、325B、および325Cをそれぞれ含む。図3は、基地局350および360からリモートユニット320、330および340への順方向リンク信号380と、リモートユニット320、330および340から基地局350および360への逆方向リンク信号390とを示す。
図3では、リモートユニット320は携帯電話として示され、リモートユニット330はポータブルコンピュータとして示され、リモートユニット340はワイヤレスローカルループシステムにおけるコンピュータとして示されている。たとえば、リモートユニットは、携帯電話、ハンドヘルドパーソナル通信システム(PCS)ユニット、携帯情報端末のようなポータブルデータユニット、GPS対応デバイス、ナビゲーションデバイス、セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、およびエンターテインメントユニットのようなメディアプレーヤ、メータ読取り機器のような固定位置のデータユニット、または、データもしくはコンピュータ命令の記憶もしくは取出しを行う任意の他のデバイス、またはそれらの任意の組合せであってよい。図3は、本開示の教示に従ったリモートユニットを示すが、本開示は、これらの例示的な図示のユニットには限定されない。本開示は、ワイヤレス通信システムであるか否かにかかわらず、DC-DC電力変換器を含む任意のデバイスにおいて、最適に使用することができる。
図4は、一実施形態に従って適合された、例示的な電力変換器400を示す図である。電力変換器400は、2つの段410、420を含む。第1の段410は、電圧源401から入力DC電圧(Vbatt)を受信し、2つの中間電圧Vint1、Vint2を出力する。第1の段410は、制御回路411、トランジスタ412、413、インダクタ415、およびキャパシタ414を有するバックコンバータを含むことができる。制御回路411は、中間電圧Vint1、Vint2を生成するためにトランジスタ412、413がオンにされるデューティサイクルを制御する。この例では、制御回路411は、1MHzで動作するが、実施形態の範囲はそのようには限定されず、制御回路411は、任意の実際的な周波数で動作され得る。制御回路411は、Vint1を所望の範囲内に保つために参照と比べてVint1を測定するフィードバックループの一部である。スイッチ制御回路416は、制御回路411を含むフィードバックループの一部であり、Vint1とVint2とを比較する。比較に基づいて、スイッチ制御回路416は、Vint1とVint2との間の電圧差を制御するように、トランジスタ417、418のデューティサイクルを制御する。
この例示的な実施形態では、中間電圧Vint1、Vint2は、グランドとは異なり、代わりに、第1の段410におけるバックコンバータの動作によって生成されるフローティング電圧である。第2の段420の観点から見て、中間電圧Vint1、Vint2は、グランドではなく、むしろ互いに参照される。さらに、この例では、中間電圧Vint1、Vint2は、出力電圧Voutよりも小さい差を有し得る。言い換えれば、Vint1マイナスVint2の絶対値は、Voutの絶対値未満である。
第2の段420は、中間電圧Vint1、Vint2を受信し、別のバックコンバータ構造を使用して出力電圧Voutを生成する。第2の段420は、トランジスタ421、422、インダクタ423、キャパシタ424、および制御回路425を含む。インダクタ423は、トランジスタ421、422の動作に従って、中間電圧Vint1、Vint2の各々を交互に受信する。制御回路425は、出力電圧Voutを所望の範囲内に保つために、参照に対する出力電圧Voutの比較に基づいて、トランジスタ421、422がオンになるデューティサイクルを制御する。
制御回路425は、この例では、100MHzで動作するバックコンバータを含むことができるが、実施形態の範囲はそのように限定されない。様々な実施形態では、制御回路425は、第1の段410の制御回路411が動作するよりもはるかに高い周波数(たとえば、100倍以上大きい)で動作する。したがって、図4の電力変換回路は、高い入力電圧を2つのより低い中間電圧に変換する低周波の第1の段410、および中間電圧を出力電圧に変換する高周波の第2の段を含む。
インダクタ423がさらされる電圧が、インダクタ415がさらされる電圧よりも小さいことに留意されたい。インダクタ415に印加される電圧は、Vbattからグランドまでの範囲に及び、一方、インダクタ423に印加される電圧は、Vint1とVint2との間の差に制限される。いくつかの例では、インダクタ415にわたる電圧は、インダクタ423にわたる電圧の2倍以上であり得る。また、トランジスタ412、413にわたる電圧は、トランジスタ417、418、421、422にわたる電圧の2倍以上であり得る。
バックコンバータでは、インダクタがさらされる電圧が低下するにつれて、また動作周波数が増加するにつれて、インダクタのサイズを縮小することができる。一態様では、一般に、電圧がより低いと、より小さいインダクタの使用が可能になる。別の態様では、トランジスタ421、422、およびインダクタ432に印加される電圧がより低いと、より低い電圧の半導体デバイスの使用が可能になり、したがって、より高い動作周波数が可能になる(この場合、一般に、周波数がより高いと、より小さいインダクタが可能になる)。そのような関係は、電力変換器400において当てはまる。たとえば、一例では、電力変換器400は、3.6Vのソース電圧Vbattを受信し、出力電圧Voutにおいて電圧を1.8Vに変換する。この例では、インダクタ415は、約4.7μHとすることができ、インダクタ423は、約10nH以下とすることができる。さらに、より小さいインダクタをより高い周波数で使用することによって、同様により小さいキャパシタの使用が可能になり得る。たとえば、いくつかの例では、キャパシタ414および419は約5μFとすることができ、キャパシタ424は、約30nFとすることができる(が、実施形態の範囲はそのように限定されない)。
上記で説明したように、第2の段420は、粗く調整された中間電圧で比較的高い周波数で動作し、この場合、中間電圧間の差は、出力電圧よりも小さくなり得る。その結果、第2の段は、比較的小さいインダクタ、トランジスタ、およびキャパシタを含むことができ、いくつかの例では、半導体チップへの組込み、または半導体チップとの共同パッケージングに適し得る。チップパッケージの適用例における電力変換器400の例示的な構成が図4〜図8に示される。
図5は、一実施形態による、DC-DCコンバータがパッケージされた例示的な回路500の図である。回路500は、はんだボール521が一例であるはんだボールを使用して、回路板520に取り付けられているチップパッケージ510を含む。チップパッケージ510は、基板517と電気通信するマルチコアプロセッサ511を含む。基板517は、バイア516が一例であるバイアを使用して、回路板520およびマルチコアプロセッサ511と通信している。
基板517内には、キャパシタ512、514、インダクタ515(この例では、ワイヤトレースとして示される)、および100MHzのDC-DCコントローラ513がある。キャパシタ512、514は、第2のDC-DC変換段の一部である。本明細書には図示されていないが、第1のDC-DC変換段はチップパッケージ510外にあるより大きいキャパシタを含み得ることを理解されたい。1MHzのDC-DCコントローラ502およびインダクタ504も、第1のDC-DC変換段の一部である。
本実施形態では、インダクタ504は、回路板540に取り付けられる個別構成要素である。対照的に、キャパシタ512、514は、集積デバイスである。チップパッケージ510は、20〜30μmの銅トレースを使用し、プロセッサ511は、65nmの1.2Vの単一の酸化物プロセスを使用する。インダクタ515は、パーマロイおよび銅層を有する半導体材料(たとえば、シリコン)上に製造され得るが、代替として配線層に実装することができる。
この例では、中間電圧をプロセッサ511の電圧まで下げる第2の段の全体が基板517に配設されている。他の実施態様では、(たとえばDC-DCコントローラ513など)第2の段のすべてまたは一部がプロセッサ511内に実装され得る。第2の段への入力でより低い電力が見られるとともに、コントローラ513の周波数が高いため、そのような集積が可能である。
回路500は例示的であり、実施形態の範囲はそれに限定されない。たとえば、様々な実施形態は、回路板およびはんだボール以外の技術を使用することができ、しかもなお、本明細書で開示する概念に従って適合され得る。さらに、インダクタンス、静電容量、および周波数についての異なる値は、本明細書の実施形態のいずれにも使用することができる。
図6は、一実施形態による、例示的なチップパッケージ600を示す図である。チップパッケージ600は、チップパッケージ510がDC-DC変換の第1の段と通信するのと同じようにしてDC-DC変換の第1の段と通信することができる。たとえば、チップパッケージ600は、他のDC-DC変換構成要素とともに、回路板に取り付けられ得る。
チップパッケージ600は、様々な実施形態が複数の出力によって実施され得ることを示すために提供される。たとえば、チップパッケージ600は、第2の段のDC-DC変換回路610、620、630、640の4つの組を含む。回路610、620、630、640の各組は、図4のトランジスタT1〜T4に相当する4つのトランジスタを含む。
図7は、一実施形態に従って適合された、例示的な方法700を示す図である。方法700は、入力電圧を受信し、出力電圧を生成する、図4に示されるものなど、たとえば、2段電力変換器によって実行され得る。
ブロック701で、入力電圧が第1の段の電圧コンバータで受信される。第1の段の電圧コンバータは、二重レール出力を有する第1のバックコンバータを含む。一実施形態では、第1の段のコンバータは、低周波電圧コンバータである。
ブロック702で、高い中間電圧は第1のレールで供給され、低い中間電圧は第2のレールで供給される。いくつかの実施形態では、高い中間電圧と低い中間電圧との間の差は、出力電圧未満である。
ブロック703で、高い中間電圧および低い中間電圧が第2の段の電圧コンバータで受信される。一例では、第2の段の電圧コンバータは、高周波電圧コンバータである。
ブロック704で、第2の段の電圧コンバータで高い中間電圧および低い中間電圧から出力電圧が生成される。いくつかの実施形態では、第2の段の電圧コンバータは、半導体チップまたはチップパッケージなど、高性能負荷に電力を供給する。そのような実施形態では、負荷内に第2の段の電圧コンバータの少なくとも一部を実装することが可能であり得る。
実施形態の範囲は、図7の例には限定されない。様々な実施形態は、方法700の動作を、追加し、省略し、または修正してもよい。たとえば、いくつかの実施形態は、複数の第2の段の電圧コンバータを含むことができ、第2の段の各々が出力電圧を供給する。別の態様では、いくつかの実施形態は、入力電圧が変動し、負荷の消費電力が変化するにつれて、連続的に動作する。
さらに、開示される実装形態の上記の説明は、いかなる当業者も本開示を作成または使用できるようにするために提供される。これらの実装形態への様々な修正が当業者には容易に明らかになり、本明細書で定義される一般的な原理は、本開示の趣旨または範囲を逸脱することなく他の実装形態に適用され得る。したがって、本開示は、本明細書に示される特徴に限定されるものではなく、本明細書で開示される原理および新規の特徴と矛盾しない最大の範囲を与えられるものである。
本開示およびその利点について詳しく説明したが、添付の特許請求の範囲によって規定される本開示の技術から逸脱することなく、本明細書において様々な変更、代用および改変を施せることを理解されたい。さらに、本出願の範囲は、本明細書において説明したプロセス、機械、製造、物質組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されるものではない。当業者には本開示から容易に理解されるように、本明細書で説明した対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行する、または実質的に同じ結果を実現する、現存するまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、物質組成、手段、方法、またはステップを、本開示に従って利用してもよい。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、物質組成、手段、方法、またはステップを範囲内に含むものである。
100 バックコンバータ
102 トランジスタ
104 トランジスタ
106 制御回路
108 ダイオード
110 インダクタ
112 キャパシタ
200 電力変換器
210 スイッチ
211 キャパシタ
212 負荷
220 スイッチ
221 キャパシタ
222 負荷
300 ワイヤレス通信システム
320 リモートユニット
325A 半導体ダイパッケージ
325B 半導体ダイパッケージ
325C 半導体ダイパッケージ
330 リモートユニット
340 リモートユニット
350 基地局
360 基地局
380 順方向リンク信号
390 逆方向リンク信号
400 電力変換器
401 電圧源
410 第1の段
411 制御回路
412 トランジスタ
413 トランジスタ
414 キャパシタ
415 インダクタ
416 スイッチ制御回路
417 トランジスタ
418 トランジスタ
420 第2の段
421 トランジスタ
422 トランジスタ
423 インダクタ
424 キャパシタ
425 制御回路
500 回路
504 インダクタ
510 チップパッケージ
511 マルチコアプロセッサ
512 キャパシタ
513 DC-DCコントローラ
514 キャパシタ
515 インダクタ
516 バイア
517 基板
520 回路板
521 はんだボール
540 回路板
600 チップパッケージ
610 DC-DC変換回路
620 DC-DC変換回路
630 DC-DC変換回路
640 DC-DC変換回路

Claims (20)

  1. 入力電圧を出力電圧に変換する回路であって、
    前記入力電圧を受信し、前記入力電圧を変換する第1の段の電圧コンバータであり、前記第1の段の電圧コンバータが二重レール出力を備え、第1のレールが高い中間電圧であり、第2のレールが低い中間電圧である、第1の段の電圧コンバータと、
    前記二重レール出力を受信し、前記出力電圧を生成する第2の段の電圧コンバータと
    を備える回路。
  2. 前記第1の段の電圧コンバータが第1のバックコンバータを備え、前記第2の段の電圧コンバータが第2のバックコンバータを備える、請求項1に記載の回路。
  3. 前記高い中間電圧と前記低い中間電圧との間の差が前記出力電圧未満である、請求項1に記載の回路。
  4. 前記第2の段の電圧入力がグランドを基準としない、請求項1に記載の回路。
  5. 前記第2の段の電圧コンバータが、前記出力電圧を利用する負荷を有する半導体ダイに組み込まれる、請求項1に記載の回路。
  6. 前記第1の段の電圧コンバータが第1の周波数で動作し、前記第2の段の電圧コンバータが前記第1の周波数よりも高い第2の周波数で動作する、請求項1に記載の回路。
  7. 前記第1の周波数が前記第2の周波数の1/100未満である、請求項6に記載の回路。
  8. 音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、エンターテインメントユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末(PDA)、固定ロケーションデータユニット、およびコンピュータからなる群から選択されるデバイスに組み込まれる、請求項1に記載の回路。
  9. 前記回路が半導体ダイに組み込まれる、請求項1に記載の回路。
  10. 入力電圧を出力電圧に変換するための方法であって、
    第1の段の電圧コンバータで前記入力電圧を受信するステップであり、前記第1の段の電圧コンバータが二重レール出力を備える、ステップと、
    第1のレールで高い中間電圧を供給し、第2のレールで低い中間電圧を供給するステップと、
    第2の段の電圧コンバータで前記高い中間電圧および低い中間電圧を受信するステップと、
    前記第2の段の電圧コンバータで前記高い中間電圧および低い中間電圧から前記出力電圧を生成するステップと
    を含む方法。
  11. 前記高い中間電圧と前記低い中間電圧との間の差が前記出力電圧未満である、請求項10に記載の方法。
  12. 前記第1の段の電圧コンバータが第1の周波数で動作し、前記第2の段の電圧コンバータが前記第1の周波数よりも高い第2の周波数で動作する、請求項10に記載の方法。
  13. 前記第1の周波数が前記第2の周波数の1/100未満である、請求項12に記載の方法。
  14. 前記入力電圧が変動するにつれて、前記方法が連続的に実行される、請求項10に記載の方法。
  15. 入力電圧を出力電圧に変換する回路であって、
    前記入力電圧から第1および第2の中間電圧を発生させるための手段と、
    前記出力電圧を前記高い中間電圧および低い中間電圧から生成するための手段と
    を備える回路。
  16. 前記1の中間電圧と前記第2の中間電圧との間の差が前記出力電圧未満である、請求項15に記載の回路。
  17. 前記発生手段が第1の周波数で動作し、前記生成手段が前記第1の周波数よりも高い第2の周波数で動作する、請求項15に記載の回路。
  18. 前記第1の周波数が前記第2の周波数の1/100未満である、請求項17に記載の回路。
  19. 音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、エンターテインメントユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末(PDA)、固定ロケーションデータユニット、およびコンピュータからなる群から選択されるデバイスに組み込まれる、請求項15に記載の回路。
  20. 前記回路が半導体ダイに組み込まれる、請求項15に記載の回路。
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