JP2014143910A - 電力変換器コントローラにおける使用のための受信回路および電力変換器 - Google Patents

電力変換器コントローラにおける使用のための受信回路および電力変換器 Download PDF

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Abstract

【課題】電力変換器コントローラにおける使用のための受信回路は、入力パルスを受け取るよう結合される第1の増幅器を含む。
【解決手段】第2の増幅器は第1の増幅器の第1の出力に結合される。第1の出力は、入力パルスに応答するとともに第2の増幅器の第2の出力に結合される。出力回路は、第2の出力に応答して出力信号を生成するよう結合される。
【選択図】図1

Description

背景情報
開示の分野
本発明は一般に、ガルバニック絶縁を必要とする回路同士の間の通信に関する。より具体的には、本発明の例はスイッチモード電力変換器における絶縁バリアに亘る通信に関する。
背景
スイッチモード電力変換器は、たとえばモバイル電子デバイスに一般的に用いられるバッテリ充電器といった、動作のために調整された直流(dc)源を必要とする家庭用または産業用の器具に広く用いられている。オフラインのac−dc変換器は、低周波数(たとえば、50Hzまたは60Hz)の高電圧ac(交流)入力電圧を必要なレベルのdc出力電圧に変換する。さまざまなタイプのスイッチモード電力変換器が、それらの良好に調節された出力、高効率、小さいサイズ、ならびに安全および保護機構により、一般的になっている。スイッチモード電力変換器の一般的なトポロジは特に、共振タイプを含む、フライバック、フォワード、ブースト、バック、ハーフブリッジ、およびフルブリッジを含む。
絶縁されるスイッチモード電力変換器についての安全要件は、出力での電圧レベルの変化に加えてスイッチモード電力変換器の入力と出力との間のガルバニック絶縁を提供するよう、高周波変成器の使用を一般的に必要とする。
スイッチモード電力変換器の市場における主な困難さは、高い性能動作仕様を維持しつつスイッチモード電力変換器のサイズおよびコストを低減することである。公知の絶縁されたスイッチモード電力変換器では、スイッチモード電力変換器の出力の感知と、電流または電圧のようなスイッチモード電力変換器出力パラメータを調整するためのフィードバック信号の通信とは通常、たとえばオプトカプラのような外部の絶縁構成要素を用いて達成される。これらの公知の方法では、望まれない付加的なサイズとコストとがスイッチモード電力変換器に加えられる。さらに、オプトカプラは動作において遅く、多くの場合、スイッチモード電力変換器のフィードバック帯域幅および過渡応答を制限する。
本発明の非限定的かつ非網羅的な実施例は、添付の図面を参照して記載される。図面において、同様の参照番号は、別途特定されない限り、さまざまな図を通じて同様の部分を指す。
本発明の教示に従った、電力変換器のコントローラの2つのダイ同士の間で、磁気的に結合される通信リンクを介して送信部から信号を受け取る受信回路を有する同期フライバックスイッチモード電力変換器の一例の概略図を示す図である。 本発明の教示に従った、磁気的に結合された通信リンクにより受信部にパルスを送る送信部と、送信部からパルスを受け取ることに応答して出力電圧を出力する受信回路との概略図を示す図である。 本発明の教示に従った、送信部によって生成される電流および対応する電圧と、受信回路によって受け取られる入力パルス電圧と、受信回路によって生成される出力電圧とを示す例示的なタイミング図を示す図である。 本発明の教示に従った、増幅器とプレバイアス回路網とを含む受信回路を概略的に示す例示的なブロック図を示す図である。 本発明の教示に従った、受信回路において用いられ得る増幅器およびプレバイアス回路網の一例を示す概略図を示す図である。
対応する参照符号は、図面のいくつかの図を通じて、対応する構成要素を示す。当業者であれば、図における要素が単純さおよび明瞭さのために示されており、必ずしも尺度決めされているわけではないということを理解するであろう。たとえば、図中の要素のうちいくつかの寸法は、本発明のさまざまな実施例の理解の向上を支援するよう、他の要素に対して強調されている場合がある。さらに、商業的に実現可能な実施例において有用または必要である一般的であるがよく理解されている要素は、本発明のこれらのさまざまな実施例の表示をあまり妨げないように、しばしば示されない。
詳細な説明
以下の記載において、本発明の完全な理解を提供するよう、多くの特定の詳細を記載する。しかしながら、当業者であれば、これらの特定の詳細は本発明を実施するのに用いられることが必要でないということが明らかであろう。他の例では、周知の材料または方法は、本発明を不明瞭にすることを回避するように詳細に記載されない。
この明細書を通じて、「一実施例」、「実施例」、「一例」または「例」への参照は、実施例または例に関連して記載される特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも1つの実施例に含まれることを意味する。したがって、「一実施例において」、「実施例において」、「一例」または「例」といった文言がこの明細書全体を通じてさまざまなところに現れるが、これらはすべて必ずしも同じ実施例または例を指しているわけではない。さらに、当該特定の特徴、構造または特性は、1つ以上の実施例または例における任意の好適な組合せおよび/または部分的な組合せで組み合されてもよい。特定の特徴、構造または特性は、記載される機能性を提供する集積回路、電子回路、組合せ論理回路、または他の好適な構成要素に含まれてもよい。さらに、ここで提供される図は、当業者への説明目的のためであって、これらの図面は必ずしも尺度決めされていないということが理解される。
図1は、本発明の教示に従った、同期フライバックスイッチモード電力変換器100の集積回路コントローラ140の2つのダイ同士の間の磁気的に結合される通信リンク146を介して送信部162から信号を受け取る受信部160を有する同期フライバックスイッチモード電力変換器100の一例の概略図を示す。
図1に示される例において、同期フライバックスイッチモード電力変換器100は二次制御を利用する。フライバック変換器のための二次制御は、過渡負荷に対するより厳格な出力調整およびより速い応答の利点を有するということが理解される。しかしながら、二次制御の従来の方法は、たとえばオプトカプラのような外部の絶縁装置をしばしば用いており、これによりスイッチモード電力変換器の複雑さおよびコストが上昇する。ガルバニック絶縁された一次制御ダイおよび二次制御ダイとの磁気的に結合される通信リンク146を有する例示的なマルチダイ絶縁集積回路コントローラ140を用いることにより、オプトカプラのような外的に加えられる絶縁構成要素はもはや必要なくなり得る。ガルバニック絶縁は、一次制御ダイと二次制御ダイとの間のdc電流を防止する。換言すると、一次制御ダイと二次制御ダイとの間に適用されるdc電圧は、集積回路コントローラ140の一次制御ダイと二次制御ダイとの間に実質的にdc電流を作り出さない。集積回路コントローラ140のパッケージは、パッケージのリードフレームを用いることにより、磁気的に結合される通信リンク146を提供し得る。本発明の教示に従うと、外部の絶縁構成要素を加える必要なく、スイッチモード電力変換器の一次側と二次側との間に追加コストがほとんどゼロでガルバニック絶縁が維持され得る。
本発明の教示に従うと、例示的な同期フライバックスイッチモード電力変換器100において、一次コントローラおよび二次コントローラは互いにガルバニック絶縁されているが、一次コントローラと二次コントローラとの間の通信は確実なままである。図1の例は同期フライバック変換器を示すが、同期整流回路126がダイオードに置き換えられた標準フライバック変換器も本発明の教示から利益を得るということが理解される。
図1に示される例では、同期フライバックスイッチモード電力変換器100は、示されるように、一次巻線110と二次巻線112とを含むエネルギー伝達要素124を含む。クランプ106は、エネルギー伝達要素124の一次巻線110の両端に結合される。クランプ106は、同期フライバックスイッチモード電力変換器100の入力VIN102の第1のラインに結合される。
示される例では、スイッチング装置S1 150は一次巻線110にてエネルギー伝達要素124に結合されるとともに、一次接地104にて同期フライバックスイッチモード電力変換器100の入力に結合される。示される例では、スイッチング装置S1 150は、集積回路パッケージにおけるモノリシックまたはハイブリッド構造に含まれてもよい。示される例に示されるように、集積回路コントローラ140は、(スイッチング信号148を介して)スイッチング装置S1 150のスイッチングを制御して、エネルギー伝達要素124を経由した入力VIN102から出力V120へのエネルギー伝達を制御するよう結合される。集積回路コントローラ140は、一次ダイ142および二次ダイ144を含む。クランプ106は、スイッチング装置S1 150に亘る一次巻線110からの漏れインダクタンスによる如何なるターンオフ時のスパイクもクランプするよう結合される。
図1の例に示されるように、同期整流回路126は、二次側の二次巻線112に結合されており、同期フライバックスイッチモード電力変換器100の同期整流器として機能する。一例では、同期整流回路126は、同期整流回路126の酸化金属半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)スイッチのゲートに結合される二次ダイ144からの信号128によって制御される。二次ダイ144からの信号128によってオンされると、同期整流回路126のMOSFETスイッチは電流を伝え得る。示される例では、二次的なリプルが出力フィルタキャパシタンスC1 116によって平滑化され、dc出力Vo120が負荷電流Io118で負荷123に適用される。出力V120は、出力感知信号U156を介して感知回路152によって感知され得る。二次ダイ144は二次ダイ144のフィードバックピンにて感知回路152からフィードバック信号UFB154を受け取り得る。他の例では、感知回路152は、本発明の教示から利益を得たままで、集積回路コントローラ140内に統合され得るということが理解される。
スタートアップの際、一次接地104を基準とする一次ダイ142は、スイッチング装置S1 150のスイッチングを開始し、これにより同期フライバックスイッチモード電力変換器100の二次側へのエネルギー伝達を開始する。一次ダイ142と二次ダイ144との間の通信は、集積回路パッケージのリードフレームの絶縁された導体によって形成される磁気的に結合される通信リンク146によって与えられる磁気結合を通じたものであり得る。示される例では、受信部160は一次ダイ142上に配置され、送信部162は二次ダイ144上に配置される。別の例では、受信部160は二次ダイ144上に配置され、送信部162は一次ダイ142上に配置され得る。さらに別の例では、送信部162および受信部160は、一次ダイ142および二次ダイ144の両方の上に配置され得る。さまざまな例では、磁気的に結合される通信リンク146が、集積回路パッケージのリードフレームに含まれるガルバニック絶縁される導電性ループを用いて実現される。
図2は、本発明の教示に従った、磁気的に結合される通信リンク246によって入力パルスを受信部260に送る送信部262の概略図を示す。示される例では、入力パルスは、誘導ループを通じて、誘導ループの両端に電圧V266を誘導する送信部電流I264を生成することにより形成される。送信部電流I264は、時間に亘って変動または変化している際には、誘導ループに近接して変化する磁界を作り出す。電磁誘導の法則によって、変化する磁界に晒される導体の両端に電圧が生成される。送信部電流I264の変化に応答して、受信部電圧V268が送信部262の誘導ループに近接して受信部導体の両端に誘導され得る。したがって、受信部260は、磁気的に結合される通信リンク246を介して送信部262から入力パルスを受け取り得る。示される例では、受信部260は、入力パルスを受け取ることに応答して、出力電圧VOUT270を出力する。
図3は、本発明の教示に従った、送信部(たとえば送信部262)によって生成される送信部電流I364および対応する電圧V366を示す例示的なタイミング図を示す。送信部電流I364および電圧V366の実線は、理想的な信号を示し、その一方、破線308および310は推定される実際の信号を示す。実際は、実際の信号は、磁気的に結合される通信リンク246に存在し得るキャパシタンスおよび/またはインダクタンスなどといった寄生要素により、理想的な信号とは異なる可能性があり得る。たとえば、これらの寄生要素は、送信部および/または受信部における損失を引き起こし得、電圧V366および/または電圧V368について振幅が低くなる。
図3の例示的なタイミング図において、値VTPでのtとtとの間の電圧V366についての正の振幅信号は、tとtとの間の0からITPまでの送信部電流I364の上向きのスロープ302に対応する。この関係は、送信部の誘導ループを通る送信部電流I364が、上向きのスロープ302に対応する速度で増加し、送信部の誘導ループを通るこの増加する電流が、誘導ループの両端の値VTPの正電圧を誘導することを示す。一例では、値VTPは、tとtとの間では40mVである。
とtとの間のV366についてのゼロ振幅の信号は、tとtとの間の送信部電流I364のITPでの平坦な頂部304に対応する。この関係は、送信部電流I364がtとtとの間で実質的に一定であることを示す。一定の電流は送信部の誘導ループの両端に対応する電圧を誘導しないので、V366はtとtとの間では実質的にゼロの振幅を有する。
値VTMでのtとtとの間の電圧V366についての負の振幅信号は、tとtとの間のITPから0への送信部電流I364の下向きのスロープ306に対応する。この関係は、送信部の誘導ループを通る送信部電流I364が、下向きのスロープ306に対応する速度で減少しており、送信部の誘導ループを通るこの減少する電流は、送信部の誘導ループの両端に値VTMの負の電圧を誘導するということを示す。
なお、示される例では、電流I364についての増加するスロープ302は、減少するスロープ306よりも急であるので、値VTPは値VTMよりも大きい。なぜならば、電磁誘導の法則によると、誘導ループの両端に誘導される電圧は、誘導ループにおける電流のスロープに比例するからである。さらに、送信部の誘導ループの帯電は、送信部の誘導ループを放電するよりも短い時間間隔でなされる。たとえそうでも、当業者であれば、tとtとの間の電圧V366の正の振幅信号下のエリアは、磁気的に結合される通信リンクにおいて実質的にゼロの正味エネルギーを保持するために、tとtとの間のV366の負の振幅信号下のエリアと同じであるべきであると認識するであろう。
図3はさらに、本発明の教示に従った、受信部(たとえば受信部260)によって受け取られる例示的な入力パルス電圧V368と、受信部によって生成される出力電圧370とを示す。送信部電流I364および電圧V366についてのタイミング図と同様に、電圧V368についての実線は理想的な信号を示す一方、破線312は、推定される実際の信号を示す。上で論じたように、変化する電流を有する誘導ループに近接して、受信部の導体上に電圧が誘導される。したがって、電圧V368は実質的に、送信部電流I364および電圧V366を追跡する。前述のように、磁気的に結合される通信リンクにおける寄生要素は、損失を引き起こし得る。一例では、受信部における損失は、送信部における損失よりも大きくなり得る。示されるようにこれは、電圧V366についての実際の信号の対応する大きさよりも低い大きさの振幅を有する電圧V368についての実際の信号を残し得る。
電圧V368についての実際の信号が受信部におけるしきい値電圧VTHよりも大きい場合、受信部は、出力電圧VOUT370においてHの出力電圧を生成する。電圧V368について実際の信号が受信部におけるしきい値電圧VTHよりも小さい場合、受信部は出力電圧VOUT370においてLの出力電圧を生成する。出力電圧VOUT370のパルスは、理想的な信号に対して実際の信号を遅延させる寄生容量および/またはインダクタンスにより、電圧V368に応答して、(たとえばtとtとの間の時間期間またはtとtとの間の時間期間だけ)若干遅延され得る。一例では、スイッチモード電力変換器のスイッチ(たとえばスイッチS1 150)は、出力電圧VOUT370に応答してスイッチングされる。一例では、出力電圧VOUT370のパルスのパルス幅は約20nsである。
さらに図3に示されるように、送信部は、たとえばある時間期間だけ分離される、送信部電流I364の第1のパルスと送信部電流I364の第2のパルスといった連続するパルスを送り得る。一例では、時間間隔は、スイッチモード電力変換器のスイッチング周期Tによって決定される長さを有する。同様に、受信部は、たとえば当該時間期間だけ分離される電圧V368の第1のパルスと電圧V368の第2のパルスといった連続するパルスを受け取り得る。さらに、電圧V368の第1のパルスの負の振幅信号の終わりと電圧V368の第2のパルスの正の振幅信号の始まりとの間の時間期間に対応する回路整定時間t〜tが図3に示される。この時間期間では、受信部内の受信回路は、最初のパルスに続き得るその後のパルスを受け取るのに備えて整定および/またはリセットするための時間を有し得る。
図4は、本発明の教示に従った、受信部160または260に統合され得る受信回路400を概略的に示す例示的なブロック図を示す。示される例に示されるように、受信回路400は、第1の増幅器410と、第2の増幅器430と、出力回路460と、遅延回路480と、第1のプレバイアス回路420と、第2のプレバイアス回路450とを含む。示される例では、第1の増幅器410は、入力パルスUIN402を受け取るよう結合されており、第2の増幅器430は、第1の増幅器410の第1の出力412に結合される。第1の増幅器410の第1の出力412は、入力パルスUIN402と、第2の増幅器430の第2の出力440とに応答するよう結合される。一例では、入力パルスUIN402は電圧V368に対応する。正のフィードバック信号UPFB432は、第2の増幅器430の第2の出力440からのフィードバックを第1の増幅器410に提供する。出力回路460は、第2の出力440に応答して出力信号UOUT470を生成するよう結合される。一例では、出力信号UOUT470は、電圧であり、出力電圧VOUT370に対応する。
動作において、第1の増幅器410は入力パルスUIN402を増幅する。第2の増幅器430は第1の増幅器410の第1の出力412に結合され、さらに第1の出力412を増幅することにより第2の出力440を生成する。上で論じたように、正のフィードバック信号UPFB432は、第2の増幅器430の第2の出力440からのフィードバックを第1の増幅器410に提供する。動作において、第1の増幅器410が入力パルスUIN402と正のフィードバック信号UPFB432との組合せを受け取った状態で、入力パルスUIN402に応答した第1の出力412の変化速度は、本発明の教示に従って、増加される。出力回路460は、第2の出力440に結合され、第2の出力440をしきい値電圧VTHに比較することに応答して、出力信号UOUT470を生成する。出力信号UOUT470は論理ハイおよび論理ローレベルを有する電圧であり得る。一例では、第2の出力440がしきい値電圧VTHよりも大きい場合、出力信号UOUT470は、論理ローであり、第2の出力440がしきい値電圧VTHよりも小さければ、出力信号UOUT470は論理ハイである。さまざまな例では、出力回路460は、本発明の教示に従って、出力信号UOUT470を生成するよう、比較器、インバータ、またはドライバなどを含み得る。
示される例では、第1のプレバイアス回路420は、出力信号UOUT470に応答して、第1の出力412を第1の値にリセットするよう結合される。図4に示される例において、第1の値はVである。第1のプレバイアス回路420は、第1の出力412を第1の値にリセットするよう結合される第1のスイッチSW422を含み得る。第2のプレバイアス回路450は、示されるように、出力信号UOUT470に応答して第2の出力440を第2の値にリセットするよう結合される。図4に示される例において、第2の値はVである。第2のプレバイアス回路450は、第2の出力440を第2の値にリセットするよう結合される第2のスイッチSW452を含み得る。
動作において、出力信号UOUT470に応答して第1の出力412および第2の出力440を第1および第2の値にそれぞれリセットすることは、本発明の教示に従って、ある短い期間内で入力パルスUIN402に続き得るその後の入力パルスを受け取りおよび増幅するよう受信回路400を準備し得る。いくつかの適用例では、受信回路400は、電力変換器の状態を示す情報を(入力パルスを介して)受け取っていてもよく、速いストリームの入力パルスに応答するよう構成されてもよい。一例では、これは、本発明の教示に従って、電力変換器の出力量(たとえば出力V120)がさらに厳しく調整されることを可能にする。
一例では、遅延回路480は、出力信号UOUT470を受け取るよう結合されており、遅延回路480はさらに、出力信号UOUT470に応答するプレバイアス制御信号UPRE482を生成するよう結合される。遅延回路480は、第1のプレバイアス回路420にさらに結合され得るとともに、第2のプレバイアス回路450に結合され得る。遅延回路480は、出力信号UOUT470の対応するパルスから遅延されるプレバイアス制御信号UPRE482のパルスを生成するよう結合され得る。一例では、遅延回路480は約20nsだけ出力信号UOUT470を遅延する。一例では、遅延回路480は、出力信号UOUT470を遅延することによりプレバイアス制御信号UPRE482を生成するようキャパシタに結合される電流源を含み得る。
図5は、本発明の教示に従った、受信回路400において用いられ得る増幅器およびプレバイアス回路網の一例を示す概略図を示す。第1の増幅器510は第1の増幅器410の1つの可能な例である。示される例に示されるように、第1の増幅器510はトランジスタQ503、Q505、Q507、Q509、Q511、Q513、Q515、Q517、Q514およびQ526を含む。図5の示される例において、トランジスタQ503およびQ505はバイポーラ接合トランジスタ(BJT)であり、トランジスタQ511、Q513、Q515およびQ517はpチャネル酸化金属半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)であり、トランジスタQ517、Q509、Q514、およびQ526はnチャネルMOSFETである。
示される例において、第1の増幅器510は、単一端の出力を有する差動増幅器を含む。差動増幅器は、それらのベースにて共に結合されるトランジスタQ503およびQ505を含む。トランジスタQ505は、トランジスタQ505のエミッタで入力パルスUIN502を受け取るよう結合される。トランジスタQ503およびQ505のエミッタは差動増幅器の入力端子と考えられ得る。トランジスタQ503のエミッタは、接地504に結合される一方、トランジスタQ505のエミッタは、受信部(たとえば受信部260)の誘導ループの一部を含む導体に結合され得る入力ノードに結合される。示される例では、接地504は、増幅器およびプレバイアス回路網のすべての他の電圧または電位がそれに対して規定または測定される基準電圧または電位を示す。一例では、誘導ループの一端部は、接地504に結合され得、その一方誘導ループの他端部は、導体を介して入力ノードに結合され得る。したがって、入力パルスUIN502は、誘導ループおよび接地504の両端の電圧によって実質的に決定され得る。誘導ループに近接して変化する磁界によって、誘導ループの両端に電圧が誘導され得る。誘導ループに近接して変化する磁界が存在しない場合、入力パルスUIN502は実質的に接地504である(すなわちトランジスタQ505のエミッタが入力パルスを受け取らない)。トランジスタQ505は、トランジスタQ503と同一であるとともに並列に共に結合される(すなわちベースが共に結合され、エミッタが共に結合され、コレクタが共に結合される)任意の数のトランジスタを示し得る。結果として、同じベース−エミッタ電圧について、トランジスタQ505のコレクタ電流は実質的にトランジスタQ505が示す数の同一のトランジスタによって乗算されるトランジスタQ503のコレクタ電流に等しい。第1の増幅器510の示される例では、トランジスタQ505は、共に並列に結合される2つの同一のトランジスタ(たとえばQ503と同一)を示すので、同じベース−エミッタ電圧の場合、トランジスタQ503のコレクタ電流の2倍のコレクタ電流を要求する。
第1の増幅器510の第1のブランチは、トランジスタQ515、Q511、Q507およびQ503を含む。第1の増幅器510の第2のブランチは、トランジスタQ517、Q513、Q509およびQ505を含む。トランジスタQ515およびQ517は、第1の増幅器510の第1および第2のブランチへ電流を供給する電流源として作用する。一例では、これらのトランジスタは、トランジスタQ515のアスペクト比(すなわちトランジスタの長さに対するトランジスタの幅の比)に対するトランジスタQ517のアスペクト比の比がトランジスタQ505が示す同一のトランジスタの数よりも小さいような態様でサイズ決めされる。第1の増幅器510の示される例では、トランジスタQ517のアスペクト比は、トランジスタQ515のアスペクト比の2倍より小さい。結果として、トランジスタQ517が第1の増幅器510の第2のブランチに提供し得る電流は、トランジスタQ515が第1の増幅器510の第1のブランチに提供し得る電流の2倍よりも小さい。
これは第1の増幅器510の動作にとって2つの意味合いを持つ。第1に、トランジスタQ505のエミッタが入力ノードにて入力パルスを受け取らない場合(すなわちトランジスタQ505のベース−エミッタ電圧がトランジスタQ503のベース−エミッタ電圧に等しくなる場合)、第1の増幅器510の第2のブランチは、トランジスタQ505が第1の出力512を低下させるという電流の要求を満たすことができない。第1の増幅器510を安定化するトランジスタQ505の電流要求を満たすためには付加的な電流が必要である。この電流は、第2の増幅器530のトランジスタQ23535からのものであり、第1の出力512がトランジスタQ20539をオンにするのに十分でないレベルにあるように(すなわち第2の増幅器530の第2のブランチ上に存在するすべての電流を伝える)ように第1の増幅器510を整定し得る。
第2の意味合いは、第1の出力512を上昇させることを可能にするために、トランジスタQ505の電流の要求を低下させるようトランジスタQ503およびQ505のベース−エミッタ電圧における差が存在する必要があるということである。具体的には、トランジスタQ505のベース−エミッタ電圧は、トランジスタQ20539をオンにするのに十分なレベルまで第1の出力512を上昇させる(かつこれにより出力信号UOUT570を論理ローから論理ハイに遷移する)ためには、トランジスタQ503のベース−エミッタ電圧よりもある量だけ小さくなければならない。トランジスタQ503およびQ505のベース−エミッタ電圧の間の差は、第1の増幅器510のオフセットまたは受信回路400の検出しきい値を考慮し得る。換言すると、入力信号UIN502は、このオフセット(検出しきい値)だけ接地504を上回るよう上昇して、第1の出力512を必要なレベルまで上昇させる必要がある。
実際には、第1の増幅器510の出力での信号レベルは、入力パルスUIN502における変化に直ちに反応しない。したがって、第1の出力512での信号レベルは、入力パルスUIN502の大きさだけでなく、入力パルスUIN502の継続時間にも依存する。たとえば、より短い入力パルスは、大きさがより小さいより長い入力パルスが作り出すのと同じ第1の出力512を作り出すよう、より大きな大きさを有する必要がある。一例では、入力パルスは、トランジスタQ20539をオンにするのに必要なレベルに第1の出力512を上昇させることが可能なように15nsの間少なくとも22mVである必要がある。
示される例では、トランジスタQ507およびQ509は、同一の幅および長さ(したがって、同一のアスペクト比)を有し、それらのゲートにて共に結合されてカレントミラーを形成する。同様に、トランジスタQ511およびQ513も、それらのゲートにて結合されカレントミラーを形成する。示される例では、これらのカレントミラーは、第1の増幅器510のゲインを増加させる。
図5では、トランジスタQ526は、トランジスタQ505およびQ503についてベース電流を提供するよう電源電圧Vに結合される。一例では、トランジスタQ526は、トランジスタQ503およびQ505が必要とするよりも多くの電流を供給し得、トランジスタQ503およびQ505が常に電流を伝えることが可能であることを確実にする。トランジスタQ514は接地504へと過電流を流すよう結合される。
示される例では、バイアス電圧VBIASが、トランジスタQ514、Q10528およびQ12524のゲートに結合されるバイアスノードで受け取られる。一例では、バイアス電圧VBIASは、別個の回路によって生成されるとともにバイアスノードに提供される、温度の影響を受けない電圧である。バイアス電圧VBIASは、第1の増幅器510および第2の増幅器530についての温度に対して実質的に一定である基準電流を生成するために用いられ得る。さらに、バイアス電圧VBIASは、トランジスタQ514およびQ12524が伝え得る電流の量をセットするよう用いられ得る。示される例では、バイアス電圧VBIASは、基準電流IBIASを生成するようQ10528のゲートに適用され、基準電流IBIASはカレントミラーの組合せQ11527〜Q515、Q11527〜Q517、Q11527〜Q18538およびQ11527〜Q22539を通じて反映され、第1の増幅器510および第2の増幅器530の第1および第2のブランチについて所望の電流を生成する。この態様において、トランジスタQ515、Q517、Q18538およびQ22539は、第1の増幅器510および第2の増幅器530の第1および第2のブランチに所望の電流を提供するよう電源電圧Vに結合される電流源として動作し得る。トランジスタQ、Q、Q18およびQ22のアスペクト比に依存して、第1の増幅器510および第2の増幅器530の第1および第2のブランチにおける電流は、基準電流IBIASと同じまたは異なり得る。例として、トランジスタQは、第1の増幅器530の第1のブランチにおける電流を基準電流IBIASと実質的に同じにするQ11のトランジスタのアスペクト比と同じアスペクト比を有し得る。
以前に論じたように、第1の増幅器についての第1のブランチは、トランジスタQ503、Q507、Q511およびQ515に対応する脚部であり、第2のブランチは、トランジスタQ505、Q509、Q513およびQ517に対応する他の脚部である。第2の増幅器530についての第1のブランチは、トランジスタQ14532、Q15533、Q16534、Q17537およびQ18538に対応する脚部であり、第2のブランチは、トランジスタQ19531、Q20539、Q21536およびQ22539に対応する他の脚部である。Q515およびQ517のトランジスタのアスペクト比は、トランジスタQ18538およびQ22539のアスペクト比とは異なり得る。この場合、第1の増幅器510の第1および第2のブランチにおける電流は、第2の増幅器530の第1および第2のブランチにおける電流と異なる。示される例では、第2の増幅器530の第1および第2のブランチは、第1の出力512上でトランジスタQ20539のバイアス電圧(すなわちゲート−ソース電圧)を設定するために重要であり得る同じ電流を有し得る。
第2の増幅器530を参照して、トランジスタQ20539のバイアス電圧は、トランジスタQ20539がオンではない(すなわち第2の増幅器530の第2のブランチ上に存在する全電流を伝えない)ような値に設定されるが、それでも入力ノードにて入力パルスが存在しない場合にいくらかの電流を伝える。したがって、トランジスタQ20539は、トランジスタQ20539のゲート−ソース電圧をトランジスタQ20539のしきい値電圧(V)より若干低い値に設定することにより達成される準しきい値領域で動作していると考えられ得る。これを行う1つの理由は、出力回路560のしきい値電圧を上回るよう第2の増幅器530の第2の出力540を維持することである。そうでなければ、入力パルスが存在しないときにトランジスタQ20539が第2の増幅器530の第2のブランチ上に存在する全電流を伝えれば、第2の出力540は、出力回路560のしきい値電圧を下回るよう低下し得、誤って出力信号UOUT570を論理ローから論理ハイに遷移させる。実際には、出力回路560は、入力パルスUIN502を受け取ることに応答してのみ出力ロジックハイを生成するべきである。
示される例に示されるように、複数のトランジスタ(特にトランジスタQ19531、Q14532、Q15533、Q16534、およびQ23535)は、トランジスタQ20539のバイアス電圧を設定するよう用いられる。示される例では、トランジスタQ19531、Q14532、Q16534、およびQ23535はすべて同じエリアを有する。これは、同じコレクタ電流について、それらのベース−エミッタ電圧(VBE)が互いに実質的に等しいということを意味する。トランジスタQ23535のコレクタ電流は、前述のように、同じアスペクト比を有するトランジスタQ18538およびQ22539によって、同じ電流を有し得るトランジスタQ14532、Q16534、およびQ19531のコレクタ電流とは異なり得る。しかしながら、トランジスタQ23535のベース−エミッタ電圧は未だ、トランジスタQ14532、Q16534、およびQ19531のVBEに非常に近くあり得る。なぜならば、VBEにおける小さな変化はコレクタ電流における大きな変化に相関し得るからである。第1の増幅器510および第2の増幅器530の第1および第2のブランチにおける電流が(電力散逸を低減するよう)小さいとすると、トランジスタQ15のゲート−ソース電圧は、トランジスタQ15のしきい値電圧に等しく(または非常に近く)なるようにされる。一例では、トランジスタQ15およびQ20は等しいしきい値電圧を有する。これを念頭に置いて、トランジスタQ23535のベース電圧は、トランジスタQ14532のVBEと、Q15513ゲート−ソース電圧(すなわちトランジスタQ15のV)と、トランジスタQ16534のVBEとの和に等しくあり得る。
トランジスタQ23535は、(入力ノードにて入力パルスが存在しない場合に)電源電圧Vから接地504に第1の増幅器510のトランジスタQ505およびQ509を経由して流れる電流を伝えるよう結合されるということも知られている。したがって、トランジスタQ20539のゲート電圧は、トランジスタQ23535(2VBE+V)のベース電圧からトランジスタQ23535のVBEを引いたものに等しい。すなわち、トランジスタQ20539のゲート電圧はVBE+Vである。前述のように、トランジスタQ19531のVBEは、実質的にトランジスタQ14532、Q16534およびQ23535のVBEと同じである。トランジスタQ19531(抵抗器R584およびR586によって形成される)のコレクタと、ベースと、エミッタとの間に抵抗分割器が存在するので、トランジスタQ19531のコレクタ電圧が、トランジスタQ20539のソース電圧でもある(1+R/R)VBEになる。示される例では、抵抗器R584は500kΩであり、抵抗器R586は3MΩであり、したがって、トランジスタQ19531のコレクタ電圧はVBE+VBE/6である。したがって、トランジスタQ20539のゲート−ソース電圧はおおよそV−VBE/6である。示される例では、トランジスタQ14532、Q16534、Q19531およびQ23535のVBEは約0.65Vであるので、トランジスタQ20539のゲート−ソース電圧は、トランジスタQ20539のしきい値電圧よりも低い約100mVである。トランジスタQ20539のゲート電圧が、(適切な入力パルスで入力ノードにて発生する)トランジスタQ20のしきい値電圧以上である量だけトランジスタQ20539のソース電圧よりも高く上昇するまで、第2の出力540は出力回路560のしきい値よりも大きいままであり、その結果、出力信号UOUT570は論理ローのままである。
入力パルスが入力ノード(すなわちトランジスタQ505のエミッタ)で受け取られると、トランジスタQ505のベース−エミッタ電圧は減少し、トランジスタQ505についてコレクタ電流がより低くなる。これに応答して、第1の出力512は上昇し始める。トランジスタQ20539のゲート−ソース電圧がトランジスタQ20539のしきい値電圧よりも高くなるようなレベルに第1の出力512が到達すると、トランジスタQ20539はオンになり、第2の増幅器530の第2のブランチ上に存在する電流のすべてを伝える。その後、第2の出力540は、低下し始め、出力回路560のしきい値を下回り得、これにより、出力信号UOUT570を論理ローから論理ハイまで遷移する。
入力パルスUIN502が消えた後でも、第1の出力512は、トランジスタQ20539をオンに維持するのに十分長くハイのままであり得る。同様に、第2の出力540は、所望よりも長い間、出力信号UOUT570を論理ハイに維持するのに十分長くローのままであり得る。したがって、その後の入力パルスが初期入力パルスの後であまりにも速く到達した場合、第1の増幅器510および第2の増幅器530は、その後のパルスに適切に反応する準備がされていない場合がある。
この起こり得る問題に対応するために、第1のプレバイアス回路520は、電流を第1の出力512から引くことにより、第1の出力512を第1の初期値に戻すまたはリセットするよう動作し得、これにより第1の初期値に向かって第1の出力512を下げる。示される例では、遅延回路580は、第1の出力512を第1の初期値にリセットすることから、第1のプレバイアス回路520を遅延する。具体的には、遅延回路580は、出力信号UOUT570を遅延させることによりプレバイアス制御信号UPRE582を生成するとともに、プレバイアス制御信号UPRE582を第1のプレバイアス回路520に提供してトランジスタQ13522をオンにする。第1の初期値は、入力ノードに入力パルスが存在しない場合、トランジスタQ20539のゲート電圧であり得る。換言すると、第1の初期値は、上で論じたようにVBE+Vであり得る。遅延回路580はさらにプレバイアス制御信号UPRE582を第2のプレバイアス回路550に提供してトランジスタQ24552をオンにし、次いで、示されるように第2の出力540を第2の初期値に上昇させる。
図4において論じる際に、正のフィードバック信号432は、第2の増幅器430の第2の出力440からの正のフィードバック信号UPFB432を第1の増幅器410に与えた。図5は、正のフィードバック信号UPFB432を提供するよう実現され得る回路網の一例を示す。具体的には、トランジスタQ21536のゲートとドレインとの間の寄生容量CDG541は、第2の出力540をトランジスタQ513のゲートに結合する。トランジスタQ20539のゲート−ソース電圧が増加し、トランジスタQ20539が第1の出力512の増加に応答してより多くの電流を伝えると、第2の出力540が低下する。第2の出力540が(寄生容量CDG541を介して)トランジスタQ513のゲートに結合されるので、トランジスタQ513のゲート電圧が、トランジスタQ513のソース電圧に対してより負になる。これは、pチャネルMOSFETの場合、トランジスタがより多くの電流を伝えるということを意味する。したがって、トランジスタQ513は、より多くの電流を伝えて、第1の出力512がより速い速度で増加するようにする。この態様において、図4の正のフィードバック信号UPFB432が、本発明の教示に従って、第2の出力540から寄生容量CDG541を通って第1の増幅器510に提供される。したがって、本発明の教示に従うと、第1の増幅器510は、入力パルスUIN502と、第2の出力540からの正のフィードバック信号とを受け取る際に、トランジスタQ20539をオンにするのに必要なレベルへ第1の出力512を上昇させるためにより速い応答時間を有し得る。
要約書に記載されるものを含む、本発明の示される例の上記の記載は、網羅的になるように意図されず、または開示されるそのものの形態に限定されることを意図されない。本発明の特定の実施例および本発明に関する例は、本願明細書において例示的な目的で記載されており、本発明のより広い精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな均等な修正例が可能である。実際は、特定の例示的な電圧、電流、周波数、電力範囲値、時間などは、説明目的で提供されるものであり、他の値も本発明の教示に従った他の実施例および例において用いられてもよいということが理解されるであろう。
100 同期フライバックスイッチモード電力変換器、104 一次接地、106 クランプ、110 一次巻線、112 二次巻線、123 負荷、124 エネルギー伝達要素、126 同期整流回路、140 集積回路コントローラ、142 一次ダイ、144 二次ダイ、146 通信リンク、152 感知回路、160 受信部、162 送信部、S1 スイッチ。

Claims (22)

  1. 電力変換器コントローラにおける使用のための受信回路であって、
    入力パルスを受け取るよう結合される第1の増幅器と、
    前記第1の増幅器の第1の出力に結合される第2の増幅器とを含み、前記第1の出力は、前記入力パルスに応答するとともに前記第2の増幅器の第2の出力に結合されており、前記受信回路はさらに、
    前記第2の出力に応答して出力信号を生成するよう結合される出力回路と、
    前記出力信号に応答して前記第1の出力を第1の値にリセットするよう結合される第1のプレバイアス回路と、
    前記出力信号に応答して前記第2の出力を第2の値にリセットするよう結合される第2のプレバイアス回路とを含む、受信回路。
  2. 前記出力信号を受け取るよう結合される遅延回路をさらに含み、前記遅延回路は前記出力信号に応答してプレバイアス制御信号を生成するよう結合されており、前記遅延回路は、前記第1のプレバイアス回路と前記第2のプレバイアス回路とに結合される、請求項1に記載の受信回路。
  3. 前記遅延回路は、前記出力信号の対応するパルスから前記入力パルスの少なくともあるパルス幅だけ遅延される前記プレバイアス制御信号のパルスを生成するよう結合される、請求項2に記載の受信回路。
  4. 前記遅延回路はキャパシタに結合される電流源を含む、請求項2に記載のコントローラ。
  5. 前記第1のプレバイアス回路は、前記第1の出力を前記第1の値にリセットするよう結合される第1のスイッチを含む、請求項1に記載の受信回路。
  6. 前記第2のプレバイアス回路は、前記第2の出力を前記第2の値にリセットするよう結合される第2のスイッチを含む、請求項1に記載の受信回路。
  7. 前記第2の増幅器は、前記第1の増幅器の前記第1の出力によって制御されるように結合される第2の増幅器スイッチを含み、前記第1の値は前記第2の増幅器スイッチのターンオン値の直下である、請求項1に記載の受信回路。
  8. 前記第1の増幅器は、ベースにて共に結合される第1のトランジスタおよび第2のトランジスタを有する差動増幅器を含み、前記第1のトランジスタは、前記第1のトランジスタのエミッタにて前記入力パルスを受け取る、請求項1に記載のコントローラ。
  9. 前記出力回路は前記第2の増幅器の出力をしきい値電圧と比較するよう結合されるインバータを含み、前記インバータはさらに前記出力信号を出力するよう結合される、請求項1に記載のコントローラ。
  10. 電力変換器であって、
    エネルギー伝達要素と、
    前記エネルギー伝達要素に結合されるとともに前記電力変換器の入力に結合されるスイッチと、
    前記スイッチのスイッチングを制御して前記電力変換器の入力から前記電力変換器の出力への前記エネルギー伝達要素を介したエネルギー伝達を制御するよう結合されるコントローラ回路とを含み、前記コントローラ回路は受信回路を含み、前記受信回路は、
    入力パルスを受け取るよう結合される第1の増幅器と、
    前記第1の増幅器の第1の出力に結合される第2の増幅器とを含み、前記第1の出力は、前記入力パルスに応答するとともに前記第2の増幅器の第2の出力に結合されており、前記受信回路はさらに、
    前記第2の出力に応答して出力信号を生成するよう結合される出力回路を含む、電力変換器。
  11. 前記電力変換器の一次側と前記電力変換器の二次側との間に結合される磁気的に結合される通信リンクをさらに含み、前記第1の増幅器は、前記磁気的に結合される通信リンクを介して前記入力パルスを受け取るよう結合される、請求項10に記載の電力変換器。
  12. 前記スイッチは前記出力信号に応答するよう結合される、請求項10に記載の電力変換器。
  13. 前記受信回路は、
    前記出力信号に応答して前記第1の出力を第1の値にリセットするよう結合される第1のプレバイアス回路と、
    前記出力信号に応答して前記第2の増幅器の第2の出力を第2の値にリセットするよう結合される第2のプレバイアス回路とをさらに含む、請求項10に記載の電力変換器。
  14. 前記出力信号を受け取るよう結合される遅延回路をさらに含み、前記遅延回路は前記出力信号に応答してプレバイアス制御信号を生成するよう結合されており、前記遅延回路は、前記第1のプレバイアス回路と前記第2のプレバイアス回路とに結合される、請求項13に記載の電力変換器。
  15. 前記遅延回路は、前記出力信号の対応するパルスから前記入力パルスの少なくともあるパルス幅だけ遅延される前記プレバイアス制御信号のパルスを生成するよう結合される、請求項14に記載の電力変換器。
  16. 前記第1のプレバイアス回路は、前記第1の出力を前記第1の値にリセットするよう結合される第1のスイッチを含む、請求項13に記載の電力変換器。
  17. 前記第2のプレバイアス回路は、前記第2の出力を前記第2の値にリセットするよう結合される第2のスイッチを含む、請求項13に記載の電力変換器。
  18. 前記第2の増幅器は、前記第1の増幅器の前記第1の出力によって制御されるように結合される第2の増幅器スイッチを含み、前記第1の出力の第1の値は、前記受信回路において前記入力パルスが存在しない場合、前記第2の増幅器スイッチのターンオン値の直下である、請求項10に記載の電力変換器。
  19. 前記第1の増幅器は、ベースにて共に結合される第1のトランジスタおよび第2のトランジスタを有する差動増幅器を含み、前記第1のトランジスタは、前記第1のトランジスタのエミッタにて前記入力パルスを受け取る、請求項10に記載の電力変換器。
  20. 前記出力回路は前記第2の増幅器の出力をしきい値電圧と比較するよう結合されるインバータを含み、前記インバータはさらに前記出力信号を出力するよう結合される、請求項10に記載の電力変換器。
  21. 前記受信回路は送信部から前記入力パルスを受け取るよう結合されており、前記受信回路は別個の半導体ダイ上に配置される、請求項10に記載の電力変換器。
  22. 前記受信回路は第1のダイ上に配置され、前記送信部は第2のダイ上に配置され、前記第1のダイは前記電力変換器の一次側に配置され、前記送信部は前記電力変換器の二次側に配置される、請求項21に記載の電力変換器。
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