JP2019517238A

JP2019517238A - Ｄｃ−ｄｃコンバータのための電力段

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Publication number: JP2019517238A
Application number: JP2018561004A
Authority: JP
Inventors: ヴェンカタヴェーラムレディスリニヴァス; プラサンスサブラマニアムムルゲシュ
Original assignee: 日本テキサス・インスツルメンツ合同会社; テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2019-06-20
Also published as: EP3459167B1; WO2017201533A1; EP3459167A4; US20170338742A1; CN109155588A; KR20190007430A; US9882490B2; EP3459167A1

Abstract

記載される例において、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ（２００）のための電力段が、電圧入力、ハイサイドｎチャネルトランジスタ（２１０）、ハイサイドｐチャネルトランジスタ（２１５）、及びローサイドｎチャネルトランジスタ（２２０）を含む。電圧入力は供給電圧（２０５）に結合され得る。ハイサイドｎチャネルトランジスタ（２１０）のドレイン端子が電圧入力に結合され、ハイサイドｎチャネルトランジスタ（２１０）のソース端子が、ＤＣ−ＤＣコンバータ（２００）の出力段に結合され得る第１のノードに結合される。ハイサイドｐチャネルトランジスタ（２１５）のソース端子が電圧入力に結合され、ハイサイドｐチャネルトランジスタ（２１５）のドレイン端子が第１のノードに結合される。ローサイドｎチャネルトランジスタ（２２０）のドレイン端子が第１のノードに結合され、ローサイドｎチャネルトランジスタ（２２０）のソース端子が接地に結合される。

Description

オートモーティブ、インダストリアル、及びカスタマープラットフォームに電子デバイスを統合する増大する需要は、より洗練された電力変換及び分配設計を必要とする。これらの電子デバイスには、埋め込みプロセッサ、メモリ、及び一つのバッテリー源から動作される他の電子的構成要素が含まれる場合がある。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータは、異なる電圧を異なる電子デバイスに供給するために用いられる。

バッテリー電力共有されるデバイスについて全体的なソリューションフォームファクタを低減するために、増大するトレンドは、２つのＡＡ（２ＡＡ）セル（約２Ｖ〜３．２Ｖの電圧範囲を有する）から単一のＡＡ（１ＡＡ）セル（約１Ｖ〜１．６Ｖの電圧範囲を有する）に移ってきている。典型的なＤＣ−ＤＣコンバータのための電力段は、直列に接続される２つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いる。２ＡＡセル電源を用いるデバイスのために用いられるパワートランジスタは、通常、高電圧デバイス（信頼性目的のため）であり、これらのトランジスタの高閾値電圧に起因して１ＡＡセル電圧レベルに対して導通しない。電力段のために低電圧トランジスタを用いることはこの導通問題を解決するが、同じデバイスが２つのＡＡセルから働くことが予期されるとき、信頼性関連の懸念が存在し得る。

ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータのための電力段の記載される例において、電力段は、電圧入力、ハイサイドｎチャネルトランジスタ、ハイサイドｐチャネルトランジスタ、及びローサイドｎチャネルトランジスタを含む。電圧入力は、供給電圧に結合され得る。ハイサイドｎチャネルトランジスタのドレイン端子が電圧入力に結合され、ソース端子が、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力段に結合され得る第１のノードに結合される。ハイサイドｐチャネルトランジスタのソース端子が電圧入力に結合され、ドレイン端子が第１のノードに結合される。ローサイドｎチャネルトランジスタのドレイン端子が第１のノードに結合され、ソース端子が接地に結合される。

説明される更なる例において、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータが、電圧入力、ハイサイドｎチャネルトランジスタ、ハイサイドｐチャネルトランジスタ、ローサイドｎチャネルトランジスタ、インダクタ、及びコンデンサを含む。電圧入力は供給電圧に結合され得る。ハイサイドｎチャネルトランジスタのドレイン端子が、電圧入力に結合され、ソース端子が第１のノードに結合される。ハイサイドｐチャネルトランジスタのソース端子は、電圧入力に結合され、ドレイン端子は第１のノードに結合される。ローサイドｎチャネルトランジスタのドレイン端子は第１のノードに結合され、ソース端子は接地に結合される。インダクタは、第１のノードとコンバータ出力との間に結合される。キャパシタは、コンバータ出力と接地との間に結合される。

ＤＣ−ＤＣコンバータの電力段を動作させる方法の記載される例において、ハイサイドｎチャネルトランジスタのドレイン端子が、電力供給に結合され得る電圧入力に結合さ、ソース端子が、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力段に結合され得る第１のノードに結合される。ハイサイドｐチャネルトランジスタのソース端子が電圧入力に結合され、ドレイン端子が第１のノードに結合される。電力供給電圧は閾値電圧レベルと比較される。電力供給電圧が閾値電圧より大きい場合、ハイサイドｎチャネルトランジスタがイナクティブにされ、ハイサイドｐチャネルトランジスタが、ＤＣ−ＤＣコンバータのアクティブハイサイドトランジスタとして機能するようにされる。電力供給電圧が閾値電圧より小さい場合、ハイサイドｐチャネルトランジスタがイナクティブにされ、ハイサイドｎチャネルトランジスタが、ＤＣ−ＤＣコンバータのアクティブハイサイドトランジスタとして機能するようにされる。

ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの概略図である。

電力段が、並列に結合されるｎチャネルトランジスタ及びｐチャネルトランジスタを含むハイサイドスイッチを含むＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの概略図である。

単一のＡＡセル電力供給により電力供給される図２に示すものなどのＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの電力段を表す概略図である。

２つのＡＡセルにより電力供給される図２に示すものなどのＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの電力段を表す概略図である。

ＤＣ−ＤＣコンバータの電力段を動作させる方法を表すフローチャートである。

図１は、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００の概略図である。図１に示されるＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００のタイプは、バックコンバータと称されることもある。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００は、スイッチとして機能するハイサイドトランジスタＱ１及びローサイドトランジスタＱ２を含む電力段を含む。図１の例において、トランジスタＱ１はｐチャネルトランジスタであり、トランジスタＱ２はｎチャネルトランジスタである。トランジスタＱ１のソースは、電力供給Ｖ_ＢＡＴに結合され得る電圧入力１０２に結合される。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００のオペレーションの間、電圧入力１０２は、入力電圧Ｖ_ＢＡＴで動作し、これは、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００によって別のＤＣ電圧に変換されるべきＤＣ電圧である。トランジスタＱ１のドレインは、ノードＮ１に結合される。トランジスタＱ２のドレインはノードＮ１に結合され、トランジスタＱ２のソースは接地ノードに結合される。接地ノードは、接地の電位、又は入力電圧Ｖ_ＢＡＴとは異なる又は入力電圧Ｖ_ＢＡＴより低い電位で動作し得る。図１に示される例示の実施例において、ハイサイドトランジスタＱ１はＰＭＯＳ（ｐチャネル金属酸化物半導体電界効果）トランジスタであり、ローサイドトランジスタＱ２はＮＭＯＳ（ｎチャネル金属酸化物半導体電界効果）トランジスタであり、これは、典型的なＤＣ−ＤＣ電圧コンバータのための電力段を構成する。

インダクタＬ１の第１の端子がノードＮ１に結合される。インダクタＬ１の第２の端子は、コンデンサＣ_ＯＵＴに結合される。インダクタＬ１及びコンデンサＣ_ＯＵＴの接合は、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００の出力１０４又は出力ノードであり、これは、出力電圧Ｖ_ＯＵＴで動作する。電圧Ｖ_ＯＵＴは、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００により生成されるＤＣ電圧である。

トランジスタＱ１及びＱ２のゲートは、トランジスタＱ１及びＱ２をオン及びオフにするためのゲート電圧を生成するゲートコントローラ１１０に結合される。従って、ゲートコントローラ１１０は、トランジスタＱ１及びＱ２のスイッチング機能を制御するためスイッチコントローラとして機能する。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００は、入力１０２において入力電圧Ｖ_ＢＡＴを受け取る。ゲートコントローラ１１０は、一方のトランジスタがオンで他方のトランジスタがオフであるように、トランジスタＱ１及びＱ２をオフ及びオンにする。オフ及びオン期間は、インダクタＬ１を介して流れる電流Ｉ_Ｌを制御する。電流Ｉ_Ｌは、コンデンサＣ_ＯＵＴ両端の電圧を生成し、これは、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００の出力電圧Ｖ_ＯＵＴである。オペレーションの非連続的モードにおいて、トランジスタＱ１及びトランジスタＱ２はいずれも、或る期間の間、同時にオフにされる。

多くの実装において、電力供給Ｖ_ＢＡＴは、一つ又は複数のバッテリーを含むバッテリー電力供給により提供される。図１に示すものなどの実装において、ＰＭＯＳトランジスタＱ１は、Ｖ_ＢＡＴが比較的低い、即ち、ＰＭＯＳトランジスタＱ１の閾値電圧Ｖｔｈに近いとき、ハイサイドスイッチとして用いられ、ＰＭＯＳトランジスタＱ１は、非常に高い抵抗を示し得、従って、効果的なスイッチのように機能しない。そのためこのようなＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１００は、電力供給電圧Ｖ_ＢＡＴに関してオペレーションの限定された範囲を有する。２ＡＡセル電源（約２Ｖ〜３．２Ｖの電圧範囲を有する）を用いるデバイスのために用いられるパワートランジスタＱ１及びＱ２は、典型的に、高電圧デバイスであり、これらのトランジスタの高閾値電圧に起因して１ＡＡセル電圧レベル（これは、典型的に、約１Ｖ〜１．６Ｖの範囲である）に対して導通しない。しかしながら、この導通問題を解決する電力段のために低電圧トランジスタを用いることは、同じデバイスが２つのＡＡセルから働くことが予期されるとき、信頼性関連の懸念が存在し得る。

図２は、電力段が、並列のｎチャネルトランジスタＱ１２１０及びｐチャネルトランジスタＱ２２１５を含むハイサイドスイッチを含むＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２００の概略図である。図２に示される例示の実施例は、バックＤＣ−ＤＣ電圧コンバータに関する態様を例示するが、本明細書において記載される態様は、ブーストコンバータ、バックブーストコンバータ、フライバックコンバータ、及びフライバックコンバータなど、他のタイプのＤＣ−ＤＣコンバータを用いても実装され得る。ｎチャネルトランジスタＱ１２１０のドレインは、電力供給Ｖ_ＢＡＴに結合され得る電圧入力２０５に結合される。ｐチャネルトランジスタＱ２２１５のソースも、電圧入力２０５に結合される。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２００のオペレーションの間、電圧入力２０５は入力電圧Ｖ_ＢＡＴで動作し、これは、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２００によって別のＤＣ電圧に変換されるべきＤＣ電圧である。ｎチャネルトランジスタＱ１２１０のドレイン及びｐチャネルトランジスタ２１５のソースは、いずれもノードＮ１に結合される。ｎチャネルトランジスタＱ３２２０のドレインはノードＮ１に結合され、トランジスタＱ３２２０のソースは接地ノードに結合される。接地ノードは、接地の電位、又は入力電圧Ｖ_ＢＡＴとは異なるか又は入力電圧Ｖ_ＢＡＴより低い電位で動作し得る。図２に示す例示の実施例において、ハイサイドｎチャネルトランジスタＱ１２１０及びローサイドｎチャネルトランジスタＱ３２２０はＮＭＯＳトランジスタであり、ハイサイドｐチャネルトランジスタＱ２２１５はＰＭＯＳトランジスタである。

インダクタ２２５の第１の端子がノードＮ１に結合される。インダクタ２２５の第２の端子は出力コンデンサ２３０に結合される。インダクタ２２５及び出力コンデンサ２３０の接合は、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２００の出力又は出力ノードであり、これは、出力電圧Ｖ_ＯＵＴで動作する。電圧Ｖ_ＯＵＴは、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２００により生成されるＤＣ電圧である。

電力供給Ｖ_ＢＡＴの電圧レベルに応じて、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０又はｐチャネルトランジスタＱ２２１５のいずれかの、ハイサイドトランジスタの一つが、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２００の電力段のアクティブスイッチとして機能し、他方のハイサイドトランジスタはイナクティブにされる。例示の実施例において、ハイサイドトランジスタＱ１２１０及びＱ２２１５のいずれがアクティブハイサイドスイッチとして選択するかの判定は、電力供給電圧Ｖ_ＢＡＴを供給電圧閾値と比較することにより成される。Ｖ_ＢＡＴが供給電圧閾値より小さい場合、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０がアクティブハイサイドトランジスタとして機能し、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５がイナクティブにされる。Ｖ_ＢＡＴが供給電圧閾値より大きい場合、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５がアクティブハイサイドトランジスタとして選択され、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０がイナクティブにされる。そのため、電力供給電圧Ｖ_ＢＡＴが供給電圧閾値より小さいとき、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０がアクティブハイサイドスイッチであり、そのため、電力段のハイサイドを一層低い供給電圧レベルで導通させる。また、電力供給電圧Ｖ_ＢＡＴが供給電圧閾値より大きいとき、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５がアクティブハイサイドスイッチであり、そのため、一層高い電圧デバイスに関連付けられる増大された信頼性を提供する。

代替の実施例において、ハイサイドトランジスタＱ１２１０及びＱ２２１５のいずれをアクティブハイサイドスイッチとして選択するかの判定は、どのタイプの及びどのくらい多くのバッテリーが、電力供給Ｖ_ＢＡＴを構成するかを判定することにより成される。例えば、電力供給Ｖ_ＢＡＴが単一のＡＡバッテリーで構成される場合、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０がアクティブハイサイドトランジスタとして機能し、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５がイナクティブにされる。或いは、電力供給Ｖ_ＢＡＴが２つのＡＡバッテリーで構成される場合、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５がアクティブハイサイドトランジスタとして選択され、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０がイナクティブにされる。

ハイサイドｎチャネルトランジスタＱ１２１０、ハイサイドｐチャネルトランジスタＱ２２１５、及びｎチャネルローサイドトランジスタＱ３２２０のゲートは、トランジスタＱ１２１０、Ｑ２２１５、及びＱ３２２０をオン及びオフにするためのゲート電圧を生成するゲートコントローラ２３５に結合される。そのため、ゲートコントローラ２３５が、トランジスタＱ１２１０、Ｑ２２１５、及びＱ３２２０のスイッチング機能を制御するためのスイッチコントローラとして機能する。

ゲート制御回路２３５は、電力供給Ｖ_ＢＡＴに関する情報を受け取り、このような情報に基づいて、トランジスタＱ１２１０及びＱ２２１５の一方を電力段のアクティブハイサイドスイッチとして制御し、トランジスタＱ１２１０及びＱ２２１５の他方をディアクティベートする。例えば、例示の実施例において、ゲート制御回路２３５は、供給電圧Ｖ_ＢＡＴを受け取り、それを供給電圧閾値と比較する。例示の実施例において、ゲート制御回路２３５は、供給電圧Ｖ_ＢＡＴを供給電圧閾値と比較するためのコンパレータを含む。Ｖ_ＢＡＴが供給電圧閾値より小さい場合、ゲート制御回路２３５は、ゲートドライバ信号をｎチャネルトランジスタＱ１２１０に提供し、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５をオフにする電圧をｐチャネルトランジスタＱ２２１５のゲートに提供する。そのため、供給電圧Ｖ_ＢＡＴが供給電圧閾値より小さいとき、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５はイナクティブにされ、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０は、電力段のアクティブトランジスタとして機能する。Ｖ_ＢＡＴが供給電圧閾値より大きい場合、ゲート制御回路２３５は、ゲートドライバ信号をｐチャネルトランジスタＱ２２１５に提供し、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０をオフにする電圧をｎチャネルトランジスタＱ１２１０のゲートに提供する。そのため、供給電圧Ｖ_ＢＡＴが供給電圧閾値より大きいとき、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０がイナクティブにされ、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５は、電力段のアクティブトランジスタとして機能する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２００が、単一のＡＡセルを含む電力供給と２つのＡＡセルを含む電力供給との両方との互換性があることが意図されている例示の実装において、供給電圧閾値は、単一のＡＡセル電力供給及び２つのＡＡセル電力供給のオペレーションの通常範囲間にあるレベルに設定される。例えば、供給電圧閾値は、単一のＡＡセル（１．０〜１．６Ｖ）及び２つのＡＡセル（２．０〜３．２Ｖ）のオペレーションの通常範囲間にある約１．８ボルトに設定され得る。

代替の実施例において、ゲート制御回路２３５は、どのタイプの及びどのくらい多くのバッテリーが電力供給Ｖ_ＢＡＴを構成するかに関する情報を受け取るか又は判定する。例えば、ゲートコントローラ２３５が、電力供給Ｖ_ＢＡＴが単一のＡＡバッテリーで構成されると判定するか、又は単一のＡＡバッテリーで構成されることを示す情報を受け取る場合、ゲート制御回路２３５は、ゲートドライバ信号をｎチャネルトランジスタＱ１２１０に提供し、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５をオフにする電圧をｐチャネルトランジスタＱ２２１５のゲートに提供する。そのため、電力供給Ｖ_ＢＡＴが単一のＡＡバッテリーで構成される場合、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５はイナクティブにされ、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０が、電力段のアクティブトランジスタとして機能する。或いは、ゲートコントローラ２３５が、電力供給Ｖ_ＢＡＴが２つのＡＡバッテリーで構成されると判定するか、又は２つのＡＡバッテリーで構成されることを示す情報を受け取る場合、ゲート制御回路２３５は、ゲートドライバ信号をｐチャネルトランジスタＱ２２１５に提供し、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０をオフにする電圧をｎチャネルトランジスタＱ１２１０のゲートに提供する。そのため、電力供給Ｖ_ＢＡＴが２つのＡＡバッテリーで構成される場合、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０はイナクティブにされ、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５が、電力段のアクティブトランジスタとして機能する。

例示の実施例において、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０がＤＣ−ＤＣコンバータ２００のアクティブハイサイドトランジスタであるとき、即ち、電力供給Ｖ_ＢＡＴが単一のＡＡセルなど比較的一層低い電圧電力供給であるとき、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０のスイッチングを制御するためゲートコントローラ２３５により生成されるゲートドライバ信号は、チャージポンプ回路２４５を用いてブーストされる。ゲートドライバ信号のこのブーストは、ゲートドライバ信号の「オン」電圧を、トランジスタ電圧閾値Ｖｔｈより充分に大きな量、ソース電圧より大きくさせ、それにより、ｎチャネルトランジスタＱ１２１０を有効なスイッチとして振舞うようにさせる。ゲートドライバ信号の最大レベルが単一のＡＡセル電圧に実質的に等しかった場合など、ゲートドライバ信号の大きさが低すぎる場合、トランジスタＱ１２１０はスイッチとして振舞わない。

例示の実施例において、トランジスタＱ１２１０、Ｑ２２１５、及びＱ３２２０は全て、厚いゲート酸化物トランジスタで実装され、これらは、３．３ボルトを扱い得る。従って、これらのトランジスタはいずれも、単一のＡＡセル電力供給で、又は２つのＡＡセルで構成される電力供給で、働き得る。

図３は、単一のＡＡセル電力供給により電力供給される、図２に示すものなどのＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの電力段３００を表す概略図である。ｎチャネルトランジスタＱ１３１０のドレインは、単一のＡＡセルで構成される電力供給Ｖ_ＢＡＴ３０８に接続される電圧入力３０５に結合される。また、ｐチャネルトランジスタＱ２３１５のソースも電圧入力３０５に結合される。ｎチャネルトランジスタＱ１３１０のドレイン及びｐチャネルトランジスタ３１５のソースは、いずれも、ノードＮ１に結合される。ｎチャネルトランジスタＱ３３２０のドレインはノードＮ１に結合され、トランジスタＱ３３２０のソースは接地ノードに結合される。図３には示していないが、ノードＮ１は、図２に示すようなＤＣ−ＤＣ電力コンバータの出力段に結合される。また、ハイサイドｎチャネルトランジスタＱ１３１０及びハイサイドｐチャネルトランジスタＱ２３１５のゲートは、図２に示すゲートコントローラ２３５などのゲート制御回路に結合されるが、図３においてゲート制御回路は明示しない。

ゲート制御回路２３５は、電力供給Ｖ_ＢＡＴ３０８に関する情報に基づいて、ハイサイドトランジスタＱ１３１０及びＱ２３１５のいずれが電力段３００のアクティブハイサイドトランジスタとして機能するかを判定する。ＤＣ−ＤＣコンバータが単一のＡＡセルを含む電力供給と２つのＡＡセルを含む電力供給との両方との互換性があることが意図されている図３及び４の例示の実施例において、この判定は、電力供給電圧Ｖ_ＢＡＴを供給電圧閾値（１．８Ｖなど）と比較することを含み、異なる方式で、或いは、電力供給が一つのバッテリーセルで構成されるか又は２つのバッテリーセルで構成されるかを判定することにより、成され得る。いずれの場合でも、電力供給が図３にあるような単一のＡＡバッテリーで構成されるとき、ゲートコントローラ２３５は、ｎチャネルトランジスタＱ１３１０が電力段３００のアクティブハイサイドトランジスタとして機能すると判定し得る。その判定に基づいて、ゲートコントローラ２３５は、ｐチャネルトランジスタＱ２３１５をディアクティベート又はオフにする。

例示の実施例において、ゲートコントローラ２３５は、Ｖ_ＢＡＴに実質的に等しい電圧をｐチャネルトランジスタＱ２３１５のゲートに印加することによって、ｐチャネルトランジスタＱ２３１５をオフにする。その事象において、トランジスタＱ２３１５のソース電圧Ｖｓは、ゲート電圧Ｖｇに実質的に等しく、この場合、ｐチャネルトランジスタＱ２２１５は、いかなる充分な電流も導通しない。同時に、ゲートコントローラは、ｎチャネルハイサイドトランジスタＱ１３１０及びトランジスタＱ３３２０を、Ｑ１３１０及びＱ３３２０に供給されるゲートドライバ信号のデューティサイクルを制御することによって、動的に制御する。

例示の実施例において、ｎチャネルハイサイドトランジスタＱ１３１０に供給されるゲートドライバ信号の電圧は、図２に示すチャージポンプ回路２４５を用いてブーストされる。例えば、図３に示すように、トランジスタＱ１３１０のためのゲートドライバ信号は、ローエンドの０Ｖからハイエンドの約３Ｖまでの範囲を有するようにブーストされ得る。トランジスタＱ１３１０のためのゲートドライバ信号のこのブーストは、図２に関連して説明するように、単一のＡＡセル電力供給３０８の比較的低い電圧レベルを考慮して、ハイサイドｎチャネルトランジスタＱ１３１０のより良好な性能を可能にする。

図４は、２つのＡＡセルにより電力供給される図２に示すものなどの、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの電力段を表す概略図である。図４の電力段４００は、電力供給Ｖ_ＢＡＴ４０８が２つのＡＡセルで構成されるという事実を除き、図３及び図４に示すものと実質的に同一である。ｎチャネルトランジスタＱ１４１０のドレイン及びｐチャネルトランジスタＱ２４１５のソースは、２ＡＡ電力供給Ｖ_ＢＡＴ４０８に接続される電圧入力４０５に結合される。ｎチャネルトランジスタＱ１４１０のソース及びｐチャネルトランジスタ４１５のドレインはいずれも、ノードＮ１に結合される。ｎチャネルトランジスタＱ３４２０のドレインはノードＮ１に結合され、トランジスタＱ３４２０のソースは接地ノードに結合される。図４には示していないが、ノードＮ１は、図２に示すようにＤＣ−ＤＣ電力コンバータの出力段に結合される。また、ハイサイドｎチャネルトランジスタＱ１４１０及びハイサイドｐチャネルトランジスタＱ２４１５のゲートは、図２に示すゲートコントローラ２３５などのゲート制御回路に結合されるが、ゲート制御回路は図４において明示していない。

上述したように、ゲート制御回路２３５は、電力供給Ｖ_ＢＡＴ４０８に関する情報に基づいて、ハイサイドトランジスタＱ１４１０及びＱ２４１５のいずれが電力段４００のアクティブハイサイドトランジスタとして機能するかを判定する。ＤＣ−ＤＣコンバータが、単一のＡＡセルを含む電力供給と２つのＡＡセルを含む電力供給との両方との互換性があることが意図されている図３及び図４の例示の実施例において、この判定は、電力供給電圧Ｖ_ＢＡＴを供給電圧閾値（１．８Ｖなど）と比較することを含み、異なる方式で、或いは、電力供給が一つのバッテリーセルで構成されるか又は２つのバッテリーセルで構成されるかを判定することにより、成され得る。いずれの場合でも、電力供給が図４におけるように２つのＡＡバッテリーで構成されるとき、ゲートコントローラ２３５は、ｐチャネルトランジスタＱ２４１０が電力段４００のアクティブハイサイドトランジスタとして機能すると判定し得る。その判定に基づいて、ゲートコントローラ２３５は、ｎチャネルトランジスタＱ１４１０をディアクティベート又はオフにする。例示の実施例において、ゲートコントローラ２３５は、０Ｖに等しい実質的に等しい電圧をｎチャネルトランジスタＱ１４１０のゲートに印加することによってｎチャネルトランジスタＱ１４１０をオフにする。同時に、ゲートコントローラは、ｐチャネルハイサイドトランジスタＱ２４１５及びトランジスタＱ３４２０を、Ｑ２４１５及びＱ３４２０に供給されるゲートドライバ信号のデューティサイクルを制御することによって、動的に制御する。

図５は、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力段を動作させる方法を表すフローチャートである。ブロック５００において、ハイサイドｎチャネルトランジスタが提供される。ハイサイドｎチャネルトランジスタのドレイン端子は、電力供給に結合され得る電圧入力に結合され、ソース端子は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力段に結合され得る第１のノードに結合される。ブロック５１０において、ハイサイドｐチャネルトランジスタが提供される。ハイサイドｐチャネルトランジスタのソース端子は電圧入力に結合され、ドレイン端子は第１のノードに結合される。ブロック５２０において、電力供給電圧は閾値電圧レベルと比較される。判定ブロック５３０において、電力供給電圧Ｖ_ＢＡＴが電力供給電圧閾値Ｖｔｈより大きいかどうかについて判定が成される。電力供給電圧Ｖ_ＢＡＴが閾値電圧Ｖｔｈより大きい場合、ブロック５４０において示されるように、ハイサイドｎチャネルトランジスタがイナクティブにされ、ブロック５５０において示されるように、ハイサイドｐチャネルトランジスタがＤＣ−ＤＣコンバータのアクティブハイサイドトランジスタとして機能するようにされる。電力供給電圧Ｖ_ＢＡＴが閾値電圧Ｖｔｈより小さい場合、ブロック５６０において示されるように、ハイサイドｐチャネルトランジスタがイナクティブにされ、ブロック５７０において示されるように、ハイサイドｎチャネルトランジスタがＤＣ−ＤＣコンバータのアクティブハイサイドトランジスタとして機能するようにされる。

従って、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ電力段の例及びＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの電力段を動作させるための方法が本願において詳細に説明された。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。

Claims

ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータのための電力段であって、前記電力段が、
供給電圧に結合され得る電圧入力、
ソース端子、ドレイン端子、及びゲート端子を含むハイサイドｎチャネルトランジスタであって、前記ドレイン端子が前記電圧入力に結合され、前記ソース端子が、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの出力段に結合され得る第１のノードに結合される、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタ、
ソース端子、ドレイン端子、及びゲート端子を含むハイサイドｐチャネルトランジスタであって、前記ソース端子が前記電圧入力に結合され、前記ドレイン端子が前記第１のノードに結合される、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタ、及び
ソース端子、ドレイン端子、及びゲート端子を含むローサイドｎチャネルトランジスタであって、前記ドレイン端子が前記第１のノードに結合され、前記ソース端子が接地に結合される、前記ローサイドｎチャネルトランジスタ、
を含む、電力段。
請求項１に記載の電力段であって、更に、制御回路要素を含み、前記制御回路要素が、前記電圧入力に結合される供給電圧に関する情報を受け取るように動作し得、及び、前記供給電圧が所定の閾値を下回る場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させるように動作し得る一方で、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにし、前記供給電圧が所定の閾値を上回る場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させるように動作し得る一方で、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにする、電力段。
請求項２に記載の電力段であって、前記供給電圧が前記所定の閾値電圧を下回る場合、前記制御回路が、前記供給電圧に実質的に等しい定電圧を前記ハイサイドｐチャネルトランジスタの前記ゲートに提供するように動作し得、それにより前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにし、及び、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの出力電圧をレギュレートするために、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタの前記ゲートに提供されるゲートドライバ信号のデューティサイクルをレギュレートするように動作し得る、電力段。
請求項３に記載の電力段であって、更に、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタの前記ゲートに提供される前記ゲートドライバ信号の前記電圧をブーストするように動作し得るチャージポンプ回路を含む、電力段。
請求項３に記載の電力段であって、前記供給電圧が前記所定の閾値電圧を上回る場合、前記制御回路が、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタの前記ゲートに０ボルトに実質的に等しい定電圧を提供するように動作し得、それにより、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタをイナクティブにし、及び、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの出力電圧をレギュレートするために、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタの前記ゲートに提供されるゲートドライバ信号の前記デューティサイクルをレギュレートするように動作し得る、電力段。
請求項１に記載の電力段であって、更に、前記電圧入力に結合される電力供給に関する情報を受信するように動作し得る制御回路要素を含み、前記制御回路要素が、前記電力供給が所与のタイプの第１の数のバッテリーを含む場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させるように動作し得る一方で、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにし、前記電力供給が所与のタイプの第２の数のバッテリーを含む場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させるように動作し得る一方で、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにする、電力段。
請求項６に記載の電力段であって、前記所定のタイプのバッテリーがＡＡセルを含み、前記第１の数のバッテリーが単一のバッテリーを含み、前記第２の数のバッテリーが２つのバッテリーを含む、電力段。
請求項１に記載の電力段であって、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタがＮＭＯＳトランジスタを含み、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタがＰＭＯＳトランジスタを含む、電力段。
ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータであって、
供給電圧に結合され得る電圧入力、
ソース端子、ドレイン端子、及びゲート端子を含むハイサイドｎチャネルトランジスタであって、前記ドレイン端子が前記電圧入力に結合され、前記ソース端子が第１のノードに結合される、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタ、
ソース端子、ドレイン端子、及びゲート端子を含む、ハイサイドｐチャネルトランジスタであって、前記ソース端子が前記電圧入力に結合され、前記ドレイン端子が前記第１のノードに結合される、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタ、
ソース端子、ドレイン端子、及びゲート端子を含むローサイドｎチャネルトランジスタであって、前記ドレイン端子が前記第１のノードに結合され、前記ソース端子が接地に結合される、前記ローサイドｎチャネルトランジスタ、
前記第１のノードとコンバータ出力との間に結合されるインダクタ、及び
前記コンバータ出力と接地との間に結合されるキャパシタ、
を含む、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ。
請求項９に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、更に、前記電圧入力に結合される供給電圧に関する情報を受け取るように動作し得る制御回路要素を含み、前記制御回路要素が、前記供給電圧が所定の閾値を下回る場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させるように動作し得る一方で、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにし、前記供給電圧が所定の閾値を上回る場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させるように動作し得る一方で、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにする、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ。
請求項１０に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記供給電圧が前記所定の閾値電圧を下回る場合、前記制御回路が、前記供給電圧に実質的に等しい定電圧を前記ハイサイドｐチャネルトランジスタの前記ゲートに提供するように動作し得、それにより、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにし、及び、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの出力電圧をレギュレートするために、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタの前記ゲートに提供されるゲートドライバ信号のデューティサイクルをレギュレートするように動作し得る、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ。
請求項１１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、更に、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタの前記ゲートに提供される前記ゲートドライバ信号の前記電圧をブーストするように動作し得るチャージポンプ回路を含む、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ。
請求項１１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記供給電圧が前記所定の閾値電圧を上回る場合、前記制御回路が、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタの前記ゲートに０ボルトに実質的に等しい定電圧を提供するように動作し得、それにより、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタをイナクティブにし、及び、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの出力電圧をレギュレートするために、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタの前記ゲートに提供されるゲートドライバ信号の前記デューティサイクルをレギュレートするように動作し得る、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ。
請求項９に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、更に、前記電圧入力に結合される電力供給に関する情報を受信するように動作し得る制御回路要素を含み、前記制御回路要素が、前記電力供給が所与のタイプの第１の数のバッテリーを含む場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させるように動作し得る一方で、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにし、前記電力供給が所与のタイプの第２の数のバッテリーを含む場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させるように動作し得る一方で、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにする、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ。
請求項１４に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記所定のタイプのバッテリーがＡＡセルを含み、前記第１の数のバッテリーが単一のバッテリーを含み、前記第２の数のバッテリーが２つのバッテリーを含む、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ。
請求項９に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタがＭＯＳトランジスタを含み、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタがＰＭＯＳトランジスタを含む、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ。
ＤＣ−ＤＣコンバータの電力段を動作させる方法であって、
ソース端子、ドレイン端子、及びゲート端子を含むハイサイドｎチャネルトランジスタを提供することであって、前記ドレイン端子が、電力供給に結合可能な電圧入力に結合され、前記ソース端子が、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの出力段に結合可能な第１のノードに結合される、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタを提供すること、
ソース端子、ドレイン端子、及びゲート端子を含むハイサイドｐチャネルトランジスタを提供することであって、前記ソース端子が前記電圧入力に結合され、前記ドレイン端子が前記第１のノードに結合される、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタを提供すること、
前記電力供給電圧を閾値電圧レベルと比較すること、
前記電力供給電圧が前記閾値電圧レベルより小さい場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させ、及び前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにすること、
前記電力供給電圧が前記閾値電圧レベルより大きい場合、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタに、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの前記アクティブハイサイドトランジスタとして機能させ、及び前記ハイサイドｎチャネルトランジスタをイナクティブにすること、
を含む、方法。
請求項１７に記載の方法であって、更に、
前記電力供給電圧が前記所定の閾値電圧より小さい場合、前記供給電圧に実質的に等しい定電圧を、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタの前記ゲートに提供することであって、それにより、前記ハイサイドｐチャネルトランジスタをイナクティブにすること、及び、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの出力電圧をレギュレートするために、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタの前記ゲートに供給されるゲートドライバ信号のデューティサイクルをレギュレートすること、
を含む、方法。
請求項１８に記載の方法であって、更に、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタの前記ゲートに提供される前記ゲートドライバ信号の前記電圧を、チャージポンプを用いてブーストすることを含む、方法。
請求項１９に記載の方法であって、更に、
前記電力供給電圧が前記所定の閾値電圧より大きい場合、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタの前記ゲートに０ボルトに実質的に等しい定電圧を提供し、それにより、前記ハイサイドｎチャネルトランジスタをイナクティブにすること、及び、前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータの出力電圧をレギュレートするために、ゲートドライバ信号の前記ゲートに供給される前記ハイサイドｐチャネルトランジスタの前記デューティサイクルをレギュレートすること、
を含む、方法。