JP2023015850A - Resonance switched capacitor converter, controller circuit thereof and control method, and electronic device using the same - Google Patents

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Abstract

To provide a resonance switched capacitor converter with an overcurrent protection function.SOLUTION: A controller circuit 200 of a resonance switched capacitor converter 100 comprises: an oscillator 150; a drive circuit 120; and an overcurrent protection circuit 160. The oscillator 150 generates a clock signal CLK. The drive circuit 120 drives a plurality of switches SW1 to SWm constituting a switch circuit 110 of the resonance switched capacitor converter in response to the clock signal CLK. The overcurrent protection circuit 160 varies a frequency of the clock signal CLK in a direction separating away from a resonance frequency ω0 when an overcurrent state of the resonance switched capacitor converter 100 is detected.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、共振スイッチドキャパシタコンバータに関する。 The present disclosure relates to resonant switched capacitor converters.

電源電圧より高い電圧あるいは低い電圧を生成するために、DC/DCコンバータやチャージポンプが使用される。エネルギーを蓄える素子としてインダクタを利用するDC/DCコンバータは、インダクタによって出力電圧を制御することができる一方で、スイッチング動作により効率が低下するという問題がある。 A DC/DC converter or charge pump is used to generate a voltage higher or lower than the power supply voltage. A DC/DC converter that uses an inductor as an energy-storing element can control the output voltage with the inductor, but there is a problem that the switching operation reduces the efficiency.

高効率が要求されるアプリケーションでは、エネルギーの保存要素としてのインダクタが不要なスイッチドキャパシタコンバータ(チャージポンプ)が使用される。このスイッチドキャパシタコンバータのひとつとして、フライングキャパシタと直列に共振用のインダクタを追加して、共振動作させるものが知られている(共振スイッチドキャパシタコンバータという)。共振スイッチドキャパシタコンバータによれば、ゼロ電流スイッチング(ソフトスイッチング)が可能となるため、高効率動作が可能となる。 Applications requiring high efficiency use switched-capacitor converters (charge pumps) that do not require inductors as energy storage elements. As one of these switched capacitor converters, there is known one in which a resonant inductor is added in series with a flying capacitor to perform resonant operation (referred to as a resonant switched capacitor converter). A resonant switched-capacitor converter enables zero-current switching (soft-switching), thereby enabling high-efficiency operation.

共振スイッチドキャパシタコンバータの1形態として、ディクソン型のチャージポンプにインダクタを追加した構成(スイッチドタンクコンバータ)も知られている。 A configuration (switched tank converter) in which an inductor is added to a Dickson type charge pump is also known as one form of a resonant switched capacitor converter.

米国特許第9917517号明細書U.S. Pat. No. 9,917,517

本開示は係る状況においてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、過電流保護機能を備える共振スイッチドキャパシタコンバータの提供にある。 SUMMARY OF THE INVENTION It is in this context that one exemplary objective of the present disclosure is to provide a resonant switched capacitor converter with overcurrent protection.

本開示のある態様は、共振スイッチドキャパシタコンバータのコントローラ回路に関する。コントローラ回路は、クロック信号を生成するオシレータと、クロック信号に応じて、共振スイッチドキャパシタコンバータのスイッチ回路を構成する複数のスイッチを駆動する駆動回路と、共振スイッチドキャパシタコンバータの過電流状態を検出すると、クロック信号の周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させる過電流保護回路と、を備える。 Certain aspects of the present disclosure relate to controller circuits for resonant switched-capacitor converters. The controller circuit includes an oscillator that generates a clock signal, a drive circuit that drives a plurality of switches constituting a switching circuit of the resonant switched capacitor converter according to the clock signal, and an overcurrent state of the resonant switched capacitor converter. and an overcurrent protection circuit that changes the frequency of the clock signal in a direction away from the resonance frequency.

本開示の別の態様は、共振スイッチドキャパシタコンバータの制御方法であって、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電流を検出するステップと、出力電流が所定のしきい値を越えると、共振スイッチドキャパシタコンバータのスイッチング周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させるステップと、を備える。 Another aspect of the present disclosure is a method of controlling a resonant switched-capacitor converter comprising the steps of sensing an output current of the resonant switched-capacitor converter; changing the switching frequency of the converter away from the resonant frequency.

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Arbitrary combinations of the above constituent elements, and mutually replacing constituent elements and expressions in methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as embodiments of the present invention.

本開示のある態様によれば、過電流保護を実現できる。 According to certain aspects of the present disclosure, overcurrent protection can be provided.

図1は、実施形態に係る共振スイッチドキャパシタコンバータの回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter according to an embodiment. 図2は、共振スイッチドキャパシタコンバータのゲインとスイッチング周波数ωの関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the gain of the resonant switched capacitor converter and the switching frequency ω. 図3は、実施例1に係る共振スイッチドキャパシタコンバータの回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter according to Example 1. FIG. 図4は、共振スイッチドキャパシタコンバータの動作を説明するタイムチャートである。FIG. 4 is a time chart explaining the operation of the resonant switched capacitor converter. 図5は、実施例1に係るコントローラICの回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram of a controller IC according to the first embodiment; 図6は、実施例2に係るコントローラICの回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a controller IC according to the second embodiment. 図7は、図6の周波数コントローラの動作を説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the frequency controller of FIG. 6; 図8は、実施例3に係る共振スイッチドキャパシタコンバータの回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter according to the third embodiment. 図9は、図8の共振スイッチドキャパシタコンバータの動作を説明する図である。9 is a diagram illustrating the operation of the resonant switched capacitor converter of FIG. 8. FIG. 図10は、図8の共振スイッチドキャパシタコンバータの動作波形図である。FIG. 10 is an operating waveform diagram of the resonant switched capacitor converter of FIG. 図11は、実施例4に係る共振スイッチドキャパシタコンバータの回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter according to a fourth embodiment. 図12は、実施例5に係る共振スイッチドキャパシタコンバータの回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter according to a fifth embodiment. 図13は、共振スイッチドキャパシタコンバータを備える電子機器の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of an electronic device that includes a resonant switched-capacitor converter.

(実施形態の概要)
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態(実施例や変形例)または複数の実施形態(実施例や変形例)を指すものとして用いる場合がある。
(Overview of embodiment)
SUMMARY OF THE INVENTION Several exemplary embodiments of the disclosure are summarized. This summary presents, in simplified form, some concepts of one or more embodiments, as a prelude to the more detailed description that is presented later, and for the purpose of a basic understanding of the embodiments. The size is not limited. This summary is not a comprehensive overview of all possible embodiments, and it is intended to neither identify key elements of all embodiments nor delineate the scope of some or all aspects. For convenience, "one embodiment" may be used to refer to one embodiment (example or variation) or multiple embodiments (examples or variations) disclosed herein.

一実施形態に係る共振スイッチドキャパシタコンバータのコントローラ回路は、クロック信号を生成するオシレータと、クロック信号に応じて、共振スイッチドキャパシタコンバータのスイッチ回路を構成する複数のスイッチを駆動する駆動回路と、共振スイッチドキャパシタコンバータの過電流状態を検出すると、クロック信号の周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させる過電流保護回路と、を備える。 A controller circuit for a resonant switched-capacitor converter according to one embodiment includes an oscillator that generates a clock signal, a drive circuit that drives a plurality of switches constituting a switching circuit of the resonant switched-capacitor converter according to the clock signal, and an overcurrent protection circuit that changes the frequency of the clock signal away from the resonant frequency upon detection of an overcurrent condition in the resonant switched capacitor converter.

この構成によると、スイッチング周波数を共振周波数から遠ざけることにより、共振スイッチドキャパシタコンバータのゲインを低下させ、出力電圧を低下させるとともに、出力電流を減へらすことができる。 According to this configuration, by moving the switching frequency away from the resonance frequency, the gain of the resonance switched capacitor converter can be lowered, the output voltage can be lowered, and the output current can be reduced.

一実施形態において、コントローラ回路は、正常状態において、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧に応じてオシレータの発振周波数を制御する周波数コントローラをさらに備えてもよい。 In one embodiment, the controller circuit may further comprise a frequency controller that, under normal conditions, controls the oscillation frequency of the oscillator in response to the output voltage of the resonant switched capacitor converter.

この構成によると、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧に応じてスイッチング周波数を最適化することで、共振周波数がばらついた場合でも、共振スイッチドキャパシタコンバータをソフトスイッチング動作させることができ、効率を改善できる。また過電流状態では、周波数コントローラによる周波数制御を無効化して、スイッチング周波数を共振周波数から遠ざけることができる。 With this configuration, by optimizing the switching frequency according to the output voltage of the resonant switched capacitor converter, even if the resonant frequency varies, the resonant switched capacitor converter can be operated in soft switching, improving efficiency. can. Also, in an overcurrent condition, frequency control by the frequency controller can be disabled to move the switching frequency away from the resonant frequency.

一実施形態において、周波数コントローラは、正常状態において、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧が最大値に近づくように、オシレータの発振周波数を制御してもよい。これによりゼロ電流スイッチング(ZCS:Zero Current Switching)が実現できる。 In one embodiment, the frequency controller may control the oscillation frequency of the oscillator such that under normal conditions the output voltage of the resonant switched capacitor converter approaches a maximum value. This enables zero current switching (ZCS).

一実施形態において、周波数コントローラは、オシレータの発振周波数を第1方向に変化させた結果、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧が増加したとき、次の周波数制御サイクルにおいて、オシレータの発振周波数を第1方向に変化させ、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧が低下したとき、次の周波数制御サイクルにおいて、オシレータの発振周波数を第1方向と反対の第2方向に変化させてもよい。 In one embodiment, the frequency controller changes the oscillation frequency of the oscillator to the first direction in the next frequency control cycle when the output voltage of the resonant switched capacitor converter increases as a result of changing the oscillation frequency of the oscillator in the first direction. When the direction is changed and the output voltage of the resonant switched capacitor converter drops, the oscillation frequency of the oscillator may be changed in a second direction opposite the first direction in the next frequency control cycle.

一実施形態において、周波数コントローラは、正常状態において、オシレータの発振周波数が共振スイッチドキャパシタコンバータの共振周波数より高い領域でオシレータの発振周波数を変化させてもよい。この場合、ゼロ電圧スイッチング(ZVS:Zero Voltage Switching)によって効率を改善できる。 In one embodiment, the frequency controller may change the oscillation frequency of the oscillator in a region where the oscillation frequency of the oscillator is higher than the resonant frequency of the resonant switched capacitor converter under normal conditions. In this case, efficiency can be improved by Zero Voltage Switching (ZVS).

一実施形態において、周波数コントローラは、正常状態において、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧が目標電圧に近づくように、オシレータの発振周波数を変化させてもよい。これにより出力電圧を任意の電圧レベルに設定できる。 In one embodiment, the frequency controller may change the oscillation frequency of the oscillator such that the output voltage of the resonant switched capacitor converter approaches the target voltage under normal conditions. This allows the output voltage to be set to any voltage level.

一実施形態において、コントローラ回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を1つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。 In one embodiment, the controller circuit may be monolithically integrated on a single semiconductor substrate. "Integrated integration" includes the case where all circuit components are formed on a semiconductor substrate, and the case where the main components of a circuit are integrated. A resistor, capacitor, or the like may be provided outside the semiconductor substrate. By integrating the circuits on one chip, the circuit area can be reduced and the characteristics of the circuit elements can be kept uniform.

(実施形態)
以下、本発明を好適な実施形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(embodiment)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. Moreover, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention.

本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, "a state in which member A is connected to member B" refers to a case in which member A and member B are physically directly connected, as well as a case in which member A and member B are electrically connected to each other. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.

同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "the state in which member C is provided between member A and member B" refers to the case where member A and member C or member B and member C are directly connected, as well as the case where they are electrically connected. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.

また、「信号A(電圧、電流)が信号B(電圧、電流)に応じている」とは、信号Aが信号Bと相関を有することを意味し、具体的には、(i)信号Aが信号Bである場合、(ii)信号Aが信号Bに比例する場合、(iii)信号Aが信号Bをレベルシフトして得られる場合、(iv)信号Aが信号Bを増幅して得られる場合、(v)信号Aが信号Bを反転して得られる場合、(vi)あるいはそれらの任意の組み合わせ、等を意味する。「応じて」の範囲は、信号A、Bの種類、用途に応じて定まることが当業者には理解される。 Further, "signal A (voltage, current) corresponds to signal B (voltage, current)" means that signal A has a correlation with signal B. Specifically, (i) signal A is signal B, (ii) signal A is proportional to signal B, (iii) signal A is obtained by level-shifting signal B, (iv) signal A is obtained by amplifying signal B. (v) if signal A is obtained by inverting signal B; (vi) or any combination thereof; It will be understood by those skilled in the art that the range of "depending on" is determined according to the types of signals A and B and the application.

本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。 The vertical and horizontal axes of the waveform diagrams and time charts referred to in this specification are enlarged or reduced as appropriate for ease of understanding, and each waveform shown is also simplified for ease of understanding. or exaggerated or emphasized.

(実施形態)
図1は、実施形態に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100の回路図である。共振スイッチドキャパシタコンバータ100は、少なくともひとつのキャパシタC1~Cnと、インダクタLと、スイッチ回路110と、駆動回路120と、オシレータ150と、過電流保護回路160と、を備える。これらのうち少なくとも駆動回路120、オシレータ150、過電流保護回路160は、ひとつの半導体チップ(以下、コントローラIC(Integrated Circuit))200に集積化されている。コントローラIC200に、スイッチ回路110を集積化してもよい。
(embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter 100 according to an embodiment. Resonant switched capacitor converter 100 includes at least one capacitor C1-Cn, an inductor L, a switch circuit 110, a drive circuit 120, an oscillator 150, and an overcurrent protection circuit 160. At least the drive circuit 120 , the oscillator 150 and the overcurrent protection circuit 160 among these are integrated in one semiconductor chip (hereinafter referred to as a controller IC (Integrated Circuit)) 200 . The switch circuit 110 may be integrated into the controller IC 200 .

共振スイッチドキャパシタコンバータ100のトポロジーは特に限定されず、共振スイッチドキャパシタコンバータ100のゲインすなわち分圧比あるいは昇圧比も特に限定されない。 The topology of resonant switched-capacitor converter 100 is not particularly limited, and the gain of resonant switched-capacitor converter 100, that is, the voltage dividing ratio or the step-up ratio is not particularly limited.

インダクタL1は、キャパシタC1~Cnのひとつ(フライングキャパシタ)と直列に接続され、LC共振回路を形成する。なお、複数のフライングキャパシタに対応して、複数のインダクタが設けられてもよい。 Inductor L1 is connected in series with one of capacitors C1-Cn (flying capacitor) to form an LC resonant circuit. A plurality of inductors may be provided corresponding to a plurality of flying capacitors.

スイッチ回路110は、入力ノードIN、出力ノードOUT、接地ノードGND、複数のスイッチSWを備える。入力ノードINには、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の入力電圧VINが供給され、出力ノードOUTには、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の出力電圧VOUTが発生する。接地ノードGNDは接地される。 The switch circuit 110 includes an input node IN, an output node OUT, a ground node GND, and a plurality of switches SW. Input voltage V IN of resonant switched capacitor converter 100 is supplied to input node IN, and output voltage V OUT of resonant switched capacitor converter 100 is generated at output node OUT. Ground node GND is grounded.

オシレータ150は、クロック信号CLKを生成する。共振スイッチドキャパシタコンバータ100は、このクロック信号CLKと同期してスイッチングする。つまり共振スイッチドキャパシタコンバータ100のスイッチング周波数は、クロック信号CLKの周波数(オシレータ150の発振周波数)にもとづいている。たとえばオシレータ150の発振周波数は、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の共振周波数ωまたはその近傍に固定してもよい。あるいは後述するように、出力電圧VOUTに応じてオシレータ150の発振周波数をフィードバック制御してもよい。 Oscillator 150 generates clock signal CLK. Resonant switched capacitor converter 100 switches in synchronization with this clock signal CLK. That is, the switching frequency of resonant switched capacitor converter 100 is based on the frequency of clock signal CLK (the oscillation frequency of oscillator 150). For example, the oscillation frequency of oscillator 150 may be fixed at or near the resonant frequency ω 0 of resonant switched capacitor converter 100 . Alternatively, as will be described later, the oscillation frequency of oscillator 150 may be feedback-controlled according to output voltage VOUT .

駆動回路120は、クロック信号CLKと同期して、スイッチ回路110を構成する複数のスイッチSW1~SWmを駆動する。駆動回路120は、複数のスイッチSW1~SWmに対応するドライバDr1~Drmを含む。 The drive circuit 120 drives the switches SW1 to SWm forming the switch circuit 110 in synchronization with the clock signal CLK. The drive circuit 120 includes drivers Dr1-Drm corresponding to the plurality of switches SW1-SWm.

コントローラIC200の電流検出ピンCSには、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の出力電流IOUTを示す電流検出信号ISが入力される。たとえば出力電流IOUTの経路上にセンス抵抗RCSを挿入し、その両端間電圧(電圧降下)を電流検出信号ISとして電流検出ピンCSに入力してもよい。 A current detection signal IS indicating the output current I OUT of the resonant switched capacitor converter 100 is input to the current detection pin CS of the controller IC 200 . For example, a sense resistor RCS may be inserted in the path of the output current IOUT , and the voltage across the resistor RCS (voltage drop) may be input to the current detection pin CS as the current detection signal IS.

過電流保護回路160は、電流検出信号ISにもとづいて、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の過電流状態を検出する。たとえば過電流保護回路160は、電流検出信号ISが所定のしきい値を越えると、過電流状態と判定してもよい。過電流保護回路160は、過電流状態を検出すると、オシレータ150が生成するクロック信号CLKの周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させる。 Overcurrent protection circuit 160 detects an overcurrent state of resonant switched capacitor converter 100 based on current detection signal IS. For example, overcurrent protection circuit 160 may determine an overcurrent state when current detection signal IS exceeds a predetermined threshold. When the overcurrent protection circuit 160 detects an overcurrent state, the overcurrent protection circuit 160 changes the frequency of the clock signal CLK generated by the oscillator 150 away from the resonance frequency.

以上が共振スイッチドキャパシタコンバータ100の構成である。続いてその動作を説明する。 The above is the configuration of the resonant switched capacitor converter 100 . Next, the operation will be explained.

図2は、共振スイッチドキャパシタコンバータ100のゲインとスイッチング周波数ωの関係を示す図である。ここでは1/2倍のスイッチドキャパシタコンバータを例に説明する。スイッチドキャパシタコンバータの特性は以下の式で表される。

Figure 2023015850000002
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the gain of resonant switched capacitor converter 100 and switching frequency ω. Here, a 1/2 times switched capacitor converter will be described as an example. The characteristics of the switched capacitor converter are expressed by the following equations.
Figure 2023015850000002

ωは共振周波数であり、スイッチング周波数ωが共振周波数ωと一致するときに、ゲインGは最大値である1/2となり、そこから逸脱するにしたがって、低下していく。 ω 0 is the resonance frequency, and when the switching frequency ω coincides with the resonance frequency ω 0 , the gain G becomes 1/2, which is the maximum value, and decreases as it deviates from there.

Rは、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の負荷のインピーダンスを表す。Qは回路のQ値であり、Zは特性インピーダンスである。 R represents the impedance of the load of resonant switched capacitor converter 100 . QL is the Q factor of the circuit and Z0 is the characteristic impedance.

重負荷になると(Rが小さくなると)、Q値が大きくなり、スイッチング周波数ωが共振周波数ωから逸脱したときのゲイン低下が大きくなる。 When the load becomes heavy (when R becomes small), the Q value becomes large, and the gain decrease becomes large when the switching frequency ω deviates from the resonance frequency ω0.

たとえば、正常状態(非過電流状態)では、オシレータ150の発振周波数は、共振周波数ωの近傍のハッチングを付した領域(NORMAL)内に定められており、共振スイッチドキャパシタコンバータ100のゲインは1/2に近い。このとき、共振スイッチドキャパシタコンバータ100は、入力電圧VINの1/2倍の出力電圧VOUTを生成する。 For example, in a normal state (non-overcurrent state), the oscillation frequency of oscillator 150 is defined within a hatched area (NORMAL) near the resonance frequency ω0 , and the gain of resonant switched capacitor converter 100 is Close to 1/2. At this time, resonant switched-capacitor converter 100 produces an output voltage V OUT that is half the input voltage V IN .

過電流保護回路160によって過電流状態が検出されると、オシレータ150の発振周波数は、共振周波数ωから遠ざかる方向に変化させる。図2の例では、OCPと表記した領域まで共振周波数ωを上昇させる。これにより、オシレータ150のゲインが1/2から低下させることができる。これにより、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の出力電圧VOUTを低下させ、また出力電流IOUTを減らすことができる。なお、過電流状態において、スイッチング周波数を共振周波数ωより低い方向に変化させてもよい。 When an overcurrent condition is detected by the overcurrent protection circuit 160, the oscillation frequency of the oscillator 150 is changed away from the resonance frequency ω0 . In the example of FIG. 2 , the resonance frequency ω0 is raised to the region labeled OCP. Thereby, the gain of the oscillator 150 can be lowered from 1/2. This allows the output voltage V OUT of resonant switched capacitor converter 100 to be lowered and the output current I OUT to be reduced. In addition, in the overcurrent state, the switching frequency may be changed in a direction lower than the resonance frequency ω0 .

本開示は、図1のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本開示の範囲を狭めるためではなく、本開示や本発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。 This disclosure extends to various apparatus and methods that can be grasped as the block diagram or circuit diagram of FIG. 1 or derived from the above description, and is not limited to any particular configuration. Hereinafter, more specific configuration examples and embodiments will be described not to narrow the scope of the present disclosure, but to help understand and clarify the essence and operation of the present disclosure and the present invention.

(実施例1)
図3は、実施例1に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aの回路図である。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、1/2倍のゲインを有しており、入力ライン102の入力電圧VINを1/2倍に降圧し、出力ライン104に出力電圧VOUT=VIN/2を発生する。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、2個のキャパシタC1,C2と、1個のインダクタL1、コントローラIC200Aを備える。またスイッチ回路110Aは、スイッチSW1~SW4を備える。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、1/2倍のチャージポンプのフライングキャパシタと直列に、インダクタを追加した構成である。
(Example 1)
FIG. 3 is a circuit diagram of the resonant switched capacitor converter 100A according to the first embodiment. Resonant switched-capacitor converter 100A has a gain of 1/2, steps down the input voltage V IN on input line 102 by 1/2, and outputs on output line 104 an output voltage V OUT =V IN /2. occurs. Resonant switched capacitor converter 100A includes two capacitors C1 and C2, one inductor L1, and controller IC 200A. The switch circuit 110A also includes switches SW1 to SW4. This resonant switched capacitor converter 100A has a configuration in which an inductor is added in series with the flying capacitor of the 1/2 charge pump.

スイッチSW1~SW4は、コントローラIC200Aによって駆動される。この実施例では、複数のスイッチSW1~SW4は、NチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。i番目のスイッチSWiの駆動信号をSと表記するものとし、SがH(ハイ)のとき、スイッチSWiはオン、SがL(ロー)のとき、スイッチSWiはオフであるものとする。 The switches SW1 to SW4 are driven by the controller IC200A. In this embodiment, the plurality of switches SW1-SW4 are N-channel MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). The drive signal for the i -th switch SWi is denoted as Si, and when Si is H (high), the switch SWi is on, and when Si is L (low), the switch SWi is off. do.

共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、第1状態φ1と第2状態φ2が切換可能である。第1状態φ1では、第1スイッチSW1と第3スイッチSW3がオン、第2スイッチSW2と第4スイッチSW4がオフである。このとき、キャパシタC1とインダクタL1を含むLC共振回路106と、キャパシタC2が直列に接続され、その両端間に、入力電圧VINが印加される。C1=C2であるとき、各キャパシタC1,C2の両端間電圧は、VIN/2で充電される。 Resonant switched capacitor converter 100A can switch between a first state φ1 and a second state φ2. In the first state φ1, the first switch SW1 and the third switch SW3 are on, and the second switch SW2 and the fourth switch SW4 are off. At this time, the LC resonance circuit 106 including the capacitor C1 and the inductor L1 and the capacitor C2 are connected in series, and the input voltage VIN is applied across them. When C1=C2, the voltage across each capacitor C1, C2 is charged with V IN /2.

第2状態φ2では、第1スイッチSW1と第3スイッチSW3がオフ、第2スイッチSW2と第4スイッチSW4がオンである。このとき、キャパシタC1とインダクタL1を含むLC共振回路106と、キャパシタC2が並列に接続され、出力ライン104にVOUT=VIN/2が発生する。 In the second state φ2, the first switch SW1 and the third switch SW3 are off, and the second switch SW2 and the fourth switch SW4 are on. At this time, the LC resonant circuit 106 including the capacitor C1 and the inductor L1 and the capacitor C2 are connected in parallel, and V OUT =V IN /2 is generated on the output line 104 .

図4は、共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aの動作を説明するタイムチャートである。図4には、駆動信号S~Sと、LC共振回路106に流れる共振電流IRES、入力電流Iin、出力電流IOUTが示される。 FIG. 4 is a time chart explaining the operation of resonant switched capacitor converter 100A. FIG. 4 shows the drive signals S 1 to S 4 , the resonance current I RES flowing through the LC resonance circuit 106, the input current I in , and the output current I OUT .

共振電流IRESの周波数(共振周波数)と、スイッチング周波数が一致しているとき、ゼロ電流スイッチング(ソフトスイッチング)の状態となるため、高効率な動作が可能となる。TSWは、スイッチング周期であり、これはコントローラIC200Aにおいて生成されるクロックCLKの周期であり、スイッチング周波数の逆数を表す。 When the frequency of the resonance current I RES (resonance frequency) and the switching frequency match, a state of zero current switching (soft switching) is achieved, enabling highly efficient operation. T SW is the switching period, which is the period of the clock CLK generated in the controller IC 200A, and represents the reciprocal of the switching frequency.

続いてコントローラIC200Aの構成を説明する。 Next, the configuration of the controller IC 200A will be explained.

図5は、実施例1に係るコントローラIC200Aの回路図である。コントローラIC200Aは、駆動回路120Aおよび周波数コントローラ130A、過電流保護回路160を備える。駆動回路120Aは、4個のスイッチSW1~SW4に対応する4個のドライバDr1~Dr4を含む。ドライバDr1とDr3はクロックCLKと同相で動作し、ドライバDr2とDr4はクロックCLKと逆相で動作する。 FIG. 5 is a circuit diagram of the controller IC 200A according to the first embodiment. The controller IC 200A includes a drive circuit 120A, a frequency controller 130A, and an overcurrent protection circuit 160. The drive circuit 120A includes four drivers Dr1-Dr4 corresponding to the four switches SW1-SW4. Drivers Dr1 and Dr3 operate in phase with clock CLK, and drivers Dr2 and Dr4 operate in phase opposite to clock CLK.

周波数コントローラ130Aは、周波数可変オシレータ132と、周波数調節部134を含む。周波数可変オシレータ132は、図1のオシレータ150に相当する。周波数調節部134は、正常状態において、フィードバックピンFBに入力されるフィードバック電圧VFB(出力電圧VOUT)にもとづいて、周波数可変オシレータ132の周波数を適応的に制御する。 Frequency controller 130A includes frequency variable oscillator 132 and frequency adjuster 134 . Variable frequency oscillator 132 corresponds to oscillator 150 in FIG. The frequency adjuster 134 adaptively controls the frequency of the variable frequency oscillator 132 in a normal state based on the feedback voltage V FB (output voltage V OUT ) input to the feedback pin FB.

具体的には周波数調節部134は、出力電圧VOUTが最大値に近づくように、周波数制御サイクルjごとに、周波数可変オシレータ132の周波数を制御する。周波数調節部134は、フィードバック電圧VFBの現在値VFBjと、フィードバック電圧VFBの過去の値VFB(j-1)を比較可能に構成される。周波数調節部134は、フィードバック電圧VFBの過去値VFBj-1を保持するサンプルホールド回路やメモリなどの記憶部136と、比較回路138を含む。 Specifically, frequency adjuster 134 controls the frequency of variable frequency oscillator 132 for each frequency control cycle j so that output voltage V OUT approaches the maximum value. The frequency adjuster 134 is configured to be able to compare the current value V FBj of the feedback voltage V FB with the past value V FB(j−1) of the feedback voltage V FB . The frequency adjustment unit 134 includes a storage unit 136 such as a sample hold circuit or memory that holds the past value V FBj−1 of the feedback voltage V FB and a comparison circuit 138 .

周波数調節部134は、ある周波数制御サイクルjにおいて、スイッチング周波数、すなわち周波数可変オシレータ132の周波数を第1方向(たとえば上昇方向)に変化させる。その結果得られるフィードバック電圧VFBjと、過去のフィードバック電圧VFBj-1が比較回路138によって比較される。比較の結果、出力電圧VOUT(フィードバック電圧VFB)が増加したとき、次の周波数制御サイクルj+1においても、周波数可変オシレータ132の周波数を第1方向(上昇方向)に変化させる。反対に、出力電圧VOUT(フィードバック電圧VFB)が低下したとき、次の周波数制御サイクルj+1において、周波数可変オシレータ132の周波数を第1方向と反対の第2方向(下降方向)に変化させる。周波数制御サイクルjにおける現在値VFBjは、次の周波数制御サイクルj+1における過去値VFBjとなる。 Frequency adjuster 134 changes the switching frequency, that is, the frequency of frequency variable oscillator 132 in a first direction (for example, upward direction) in a certain frequency control cycle j. A comparison circuit 138 compares the resulting feedback voltage V FBj with the past feedback voltage V FBj−1 . As a result of the comparison, when the output voltage V OUT (feedback voltage V FB ) increases, the frequency of the variable frequency oscillator 132 is changed in the first direction (upward direction) also in the next frequency control cycle j+1. Conversely, when the output voltage V OUT (feedback voltage V FB ) drops, the frequency of the variable frequency oscillator 132 is changed in the second direction (downward direction) opposite to the first direction in the next frequency control cycle j+1. The current value V FBj in the frequency control cycle j becomes the past value V FBj in the next frequency control cycle j+1.

周波数調節部134はこの周波数制御サイクルを繰り返すことにより、出力電圧VOUTを最大化することができる。図2から分かるように、出力電圧VOUTが最大値をとるとき、スイッチング周波数ωと共振周波数ωが一致するため、ゼロ電流スイッチングが可能となり、効率を高めることができる。 Frequency adjuster 134 can maximize output voltage V OUT by repeating this frequency control cycle. As can be seen from FIG. 2, when the output voltage V OUT takes the maximum value, the switching frequency ω and the resonance frequency ω 0 are the same, so zero current switching is possible and the efficiency can be improved.

過電流保護回路160によって過電流検出信号OCPがアサートされると、周波数調節部134の動作が停止し、周波数可変オシレータ132の周波数が、共振周波数ωから離れた所定の周波数ωOCPにセットされる。これにより、過電流保護をかけることができる。 When the overcurrent detection signal OCP is asserted by the overcurrent protection circuit 160, the operation of the frequency adjustment unit 134 is stopped, and the frequency of the variable frequency oscillator 132 is set to a predetermined frequency ωOCP that is distant from the resonance frequency ω0 . be. Thereby, overcurrent protection can be applied.

(実施例2)
図6は、実施例2に係るコントローラIC200Bの回路図である。コントローラIC200Bは、図3の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aに、コントローラIC200Aの代替として用いることができる。
(Example 2)
FIG. 6 is a circuit diagram of a controller IC 200B according to the second embodiment. Controller IC 200B can be used in resonant switched capacitor converter 100A of FIG. 3 as a replacement for controller IC 200A.

コントローラIC200Bは、駆動回路120B、周波数コントローラ130B、過電流保護回路160を備える。駆動回路120Bの構成は、図5の駆動回路120Aと同様である。 The controller IC 200B includes a drive circuit 120B, a frequency controller 130B, and an overcurrent protection circuit 160. The configuration of the drive circuit 120B is similar to that of the drive circuit 120A in FIG.

周波数コントローラ130Bは、周波数可変オシレータ132とフィードバック回路140を備える。 Frequency controller 130B comprises frequency variable oscillator 132 and feedback circuit 140 .

周波数可変オシレータ132は、VCO(Voltage Controlled Oscillator)あるいはDCO(Digital Controlled Oscillator)であり、制御信号SCTRLの信号レベルに応じた周波数で発振する。周波数可変オシレータ132は、図1のオシレータ150に相当する。 The frequency variable oscillator 132 is a VCO (Voltage Controlled Oscillator) or a DCO (Digital Controlled Oscillator), and oscillates at a frequency corresponding to the signal level of the control signal SCTRL . Variable frequency oscillator 132 corresponds to oscillator 150 in FIG.

フィードバック回路140には、出力電圧VOUTの目標レベルVOUT(REF)を規定する基準電圧VREFが入力される。出力電圧VOUTをそのままフィードバック電圧VFBとする場合、出力電圧VOUTの目標レベルVOUT(REF)は、基準電圧VREFとなる。 A reference voltage V REF that defines a target level V OUT (REF) of the output voltage V OUT is input to the feedback circuit 140 . When the output voltage V OUT is used as the feedback voltage V FB as it is, the target level V OUT (REF) of the output voltage V OUT becomes the reference voltage V REF .

フィードバック回路140は、正常状態において、ω>ωが成り立つ範囲で、周波数可変オシレータ132の周波数を制御する。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、ω>ωの範囲で動作するため、そのゲインは1/2より小さい領域で動作することとなり、出力電圧VOUTの目標レベルVOUT(REF)は、VIN/2よりも低く定められる。 The feedback circuit 140 controls the frequency of the frequency variable oscillator 132 in a range where ω > ω0 in a normal state. Since the resonant switched capacitor converter 100A operates in the range of ω > ω0, its gain operates in a region smaller than 1/2, and the target level V OUT (REF) of the output voltage V OUT is V IN /2.

フィードバック回路140は、フィードバック電圧VFBと基準電圧VREFの誤差がゼロに近づくように、周波数可変オシレータ132の周波数を制御する。フィードバック回路140は、アナログ回路あるいはデジタル回路で構成することができる。たとえばフィードバック回路140は、フィードバック電圧VFBと基準電圧VREFの誤差を増幅するエラーアンプを含み、エラーアンプの出力にもとづく制御信号SCTRLを周波数可変オシレータ132に供給する。あるいはフィードバック回路140は、PI(比例積分)コントローラやPID(比例積分微分)コントローラを含むデジタル回路で構成してもよい。 Feedback circuit 140 controls the frequency of variable frequency oscillator 132 so that the error between feedback voltage V FB and reference voltage V REF approaches zero. Feedback circuit 140 can be comprised of analog or digital circuitry. For example, feedback circuit 140 includes an error amplifier that amplifies the error between feedback voltage V FB and reference voltage V REF and provides control signal S CTRL to frequency variable oscillator 132 based on the output of the error amplifier. Alternatively, the feedback circuit 140 may be composed of a digital circuit including a PI (proportional-integral) controller or a PID (proportional-integral-derivative) controller.

図7は、図6の周波数コントローラ130Bの動作を説明する図である。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aの動作範囲は、ω>ωの範囲に限定され、この範囲内で、出力電圧VOUTの目標レベルVOUT(REF)が定められる。 FIG. 7 is a diagram explaining the operation of the frequency controller 130B of FIG. The operating range of resonant switched-capacitor converter 100A is limited to the range ω > ω0, within which the target level V OUT(REF) of output voltage V OUT is defined.

周波数コントローラ130Bのフィードバック制御の結果、周波数可変オシレータ132の周波数、すなわち共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aのスイッチング周波数ωは、VOUT=VOUT(REF)となる最適な周波数ωOPTに安定化される。 As a result of the feedback control of frequency controller 130B, the frequency of variable frequency oscillator 132, ie, switching frequency ω of resonant switched capacitor converter 100A, is stabilized at optimum frequency ω OPT where V OUT =V OUT(REF) .

過電流保護回路160によって過電流状態が検出されると、フィードバック回路140によるフィードバック制御が停止し、周波数可変オシレータ132の周波数は、動作範囲よりも高く定められた所定の周波数ωOCPにセットされる。これにより、過電流保護をかけることができる。 When an overcurrent condition is detected by the overcurrent protection circuit 160, the feedback control by the feedback circuit 140 is stopped and the frequency of the frequency variable oscillator 132 is set to a predetermined frequency ω OCP set higher than the operating range. . Thereby, overcurrent protection can be applied.

以上がコントローラIC200Bの動作である。実施例1では、ω=ωで動作させることにより、ゼロ電流スイッチングを実現したのに対して、実施例2では、ω>ωで動作させることにより、ゼロ電圧スイッチングが可能となり、これにより高効率動作を実現できる。 The above is the operation of the controller IC 200B. In Example 1, zero-current switching was achieved by operating at ω = ω0, whereas in Example 2, operating at ω>ω0 enabled zero -voltage switching. High efficiency operation can be realized.

実施例1では、出力電圧VOUTは、入力電圧VINの1/2の電圧レベルに安定化されるため、入力電圧VINが変動すると、出力電圧VOUTも変動することとなる。これに対して実施例2によれば、入力電圧VINが変動しても、出力電圧VOUTは基準電圧VREFに応じて定まる目標レベルに安定化することができる。 In Embodiment 1, the output voltage V OUT is stabilized at a voltage level that is half the input voltage VIN . Therefore, when the input voltage VIN fluctuates, the output voltage V OUT also fluctuates. In contrast, according to the second embodiment, even if the input voltage V IN fluctuates, the output voltage V OUT can be stabilized at the target level determined according to the reference voltage V REF .

(実施例3)
図8は、実施例3に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cの回路図である。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cは、スイッチドタンクコンバータであり、1/4倍のゲインを有しており、入力ライン102の入力電圧VINを1/4倍に降圧し、出力ライン104に出力電圧VOUT=VIN/4を発生する。
(Example 3)
FIG. 8 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter 100C according to the third embodiment. This resonant switched-capacitor converter 100C is a switched-tank converter and has a gain of 1/4. Generating a voltage V OUT =V IN /4.

共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cは、3個のキャパシタC1~C3と、2個のインダクタL1,L3、コントローラIC200Cを備える。またスイッチ回路110Cは、スイッチSW1~SW10を備える。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cは、ディクソン型のチャージポンプにインダクタL1,L3を追加した構成(スイッチドタンクコンバータ)である。 Resonant switched capacitor converter 100C includes three capacitors C1-C3, two inductors L1 and L3, and controller IC 200C. The switch circuit 110C also includes switches SW1 to SW10. This resonant switched-capacitor converter 100C has a configuration (switched tank converter) in which inductors L1 and L3 are added to a Dickson-type charge pump.

第1スイッチSW1~第4スイッチSW4はNチャンネルMOSFETであり、入力端子INと出力端子OUTの間に直列に接続される。 The first switch SW1 to the fourth switch SW4 are N-channel MOSFETs and are connected in series between the input terminal IN and the output terminal OUT.

第5スイッチSW5と第6スイッチSW6のペア、第7スイッチSW7と第8スイッチSW8のペア、第9スイッチSW9と第10スイッチSW10のペアはそれぞれ、インバータINV1~INV3を構成している。 A pair of the fifth switch SW5 and the sixth switch SW6, a pair of the seventh switch SW7 and the eighth switch SW8, and a pair of the ninth switch SW9 and the tenth switch SW10 respectively form inverters INV1 to INV3.

スイッチSW1~SW10は、コントローラIC200Cによって駆動される。コントローラIC200Cは、コントローラIC200AやコントローラIC200Bと同様に構成することができる。 The switches SW1 to SW10 are driven by the controller IC200C. The controller IC 200C can be configured similarly to the controller IC 200A and the controller IC 200B.

図9は、図8の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cの動作を説明する図である。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cは、第1状態φ1と第2状態φ2が切換可能である。第1状態φ1では、スイッチSW1,SW3,SW5,SW7,SW9がオンとなり、残りのスイッチSW2,SW4,SW6,SW8,SW10がオフである。 FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of resonant switched capacitor converter 100C of FIG. The resonant switched capacitor converter 100C can switch between a first state φ1 and a second state φ2. In the first state φ1, the switches SW1, SW3, SW5, SW7 and SW9 are turned on and the remaining switches SW2, SW4, SW6, SW8 and SW10 are turned off.

第2状態φ2では、スイッチSW1,SW3,SW5,SW7,SW9がオフとなり、残りのスイッチSW2,SW4,SW6,SW8,SW10がオンである。 In the second state φ2, the switches SW1, SW3, SW5, SW7 and SW9 are turned off and the remaining switches SW2, SW4, SW6, SW8 and SW10 are turned on.

第1状態φ1と第2状態φ2を交互に繰り返すことにより、キャパシタC1とインダクタL1のLC共振回路106_1の両端間電圧は36V、キャパシタC2の両端間電圧は24V、キャパシタC3およびインダクタL3のLC共振回路106_2の両端間電圧は12Vとなり、12Vの出力電圧VOUTを得ることができる。 By alternately repeating the first state φ1 and the second state φ2, the voltage across the LC resonance circuit 106_1 of the capacitor C1 and the inductor L1 is 36 V, the voltage across the capacitor C2 is 24 V, and the LC resonance of the capacitor C3 and the inductor L3 is 36 V. The voltage across the circuit 106_2 will be 12V, and an output voltage V OUT of 12V can be obtained.

図10は、図8の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cの動作波形図である。図10には、スイッチSW1~SW10の状態と、第1状態φ1において流れる電流iφ1、第2状態φ2において流れる電流iφ2が示される。 FIG. 10 is an operating waveform diagram of resonant switched capacitor converter 100C of FIG. FIG. 10 shows the states of the switches SW1 to SW10, the current i φ1 flowing in the first state φ1, and the current i φ2 flowing in the second state φ2.

ω=ωの共振状態で動作させることにより、ゼロ電流スイッチング(ZCS)、すなわちZCSターンオン、ZCSターンオフが可能となり、高効率を得ることができる。 By operating in the resonance state of ω=ω0, zero current switching (ZCS), that is, ZCS turn-on and ZCS turn-off, becomes possible, and high efficiency can be obtained.

実施例3に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100CのコントローラIC200Cは、実施例1で説明したコントローラIC200Aをもとにして構成することができ、コントローラIC200Aの駆動回路120Aのドライバの個数を、10個に増やせばよい。この構成によれば、実施例1と同様に、ゼロ電流スイッチングが可能となり、高効率を得ることができる。 The controller IC 200C of the resonant switched capacitor converter 100C according to the third embodiment can be configured based on the controller IC 200A described in the first embodiment, and the number of drivers of the drive circuit 120A of the controller IC 200A is reduced to ten. You can increase it. According to this configuration, as in the first embodiment, zero current switching becomes possible and high efficiency can be obtained.

あるいは実施例3に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100CのコントローラIC200Cは、実施例2で説明したコントローラIC200Bをもとにして構成してもよく、コントローラIC200Bの駆動回路120Bのドライバの個数を、10個に増やせばよい。この構成によれば、実施例2と同様に、ゼロ電圧スイッチングが可能となり、高効率を得ることができる。またVOUT<VIN/4の範囲において、出力電圧VOUTを任意の目標レベルVOUT(REF)に安定化できる。 Alternatively, the controller IC 200C of the resonant switched capacitor converter 100C according to the third embodiment may be configured based on the controller IC 200B described in the second embodiment, and the number of drivers of the drive circuit 120B of the controller IC 200B is ten. should be increased to According to this configuration, as in the second embodiment, zero voltage switching becomes possible and high efficiency can be obtained. Also, in the range of V OUT <V IN /4, the output voltage V OUT can be stabilized at an arbitrary target level V OUT(REF) .

(実施例4)
図11は、実施例4に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100Dの回路図である。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Dは、実施例3と同様に、1/4倍のゲインを有しており、入力ライン102の入力電圧VINを1/4倍に降圧し、出力ライン104に出力電圧VOUT=VIN/4を発生する。
(Example 4)
FIG. 11 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter 100D according to the fourth embodiment. This resonant switched-capacitor converter 100D has a gain of 1/4 times as in the third embodiment, steps down the input voltage VIN of the input line 102 to 1/4 times, and outputs it to the output line 104. Generating a voltage V OUT =V IN /4.

共振スイッチドキャパシタコンバータ100Dは、実施例1で説明した1/2倍の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aを、2段直列に接続した構成を有する。前段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは入力電圧VINを1/2倍し、中間電圧VMIDを生成する。後段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Bは、中間電圧VMIDを1/2倍し、出力電圧VOUTを生成する。 The resonant switched capacitor converter 100D has a configuration in which the 1/2 resonant switched capacitor converters 100A described in the first embodiment are connected in series in two stages. The front-stage resonant switched-capacitor converter 100A multiplies the input voltage VIN by 1/2 to generate an intermediate voltage V-- MID . A downstream resonant switched-capacitor converter 100B multiplies the intermediate voltage V MID by a factor of two to produce an output voltage V OUT .

実施例4では、共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aごとに、個別にコントローラIC200A(または200B)が設けられる。前段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100AのコントローラIC200A(200B)は、中間電圧VMIDにもとづいて、前段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aのスイッチング周波数を制御する。後段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100AのコントローラIC200A(200B)は、出力電圧VOUTにもとづいて、後段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aのスイッチング周波数を制御する。 In Example 4, a controller IC 200A (or 200B) is individually provided for each resonant switched capacitor converter 100A. Controller IC 200A (200B) of resonant switched-capacitor converter 100A in the preceding stage controls the switching frequency of resonant switched-capacitor converter 100A in the preceding stage based on intermediate voltage V MID . The controller IC 200A (200B) of the subsequent resonant switched capacitor converter 100A controls the switching frequency of the subsequent resonant switched capacitor converter 100A based on the output voltage VOUT .

この構成によれば、1/4倍の共振スイッチドキャパシタコンバータを、高効率に動作させることができる。 According to this configuration, a 1/4 times resonant switched capacitor converter can be operated with high efficiency.

(実施例5)
図12は、実施例5に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100Eの回路図である。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Eは、実施例3および実施例4と同様に、1/4倍のゲインを有しており、入力ライン102の入力電圧VINを1/4倍に降圧し、出力ライン104に出力電圧VOUT=VIN/4を発生する。
(Example 5)
FIG. 12 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter 100E according to the fifth embodiment. This resonant switched-capacitor converter 100E has a gain of 1/4 as in the third and fourth embodiments, and steps down the input voltage VIN of the input line 102 by a factor of 1/4. It produces an output voltage V OUT =V IN /4 on line 104 .

共振スイッチドキャパシタコンバータ100Eは、実施例4と同様に、1/2倍の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aを、2段直列に接続した構成を有するが、実施例5では、2個の共振スイッチドキャパシタコンバータ100AのコントローラIC200Eが1チップに統合されている。コントローラIC200Eには、後段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aの出力電圧VOUTのみがフィードバックされており、出力電圧VOUTにもとづいて、前段および後段の両方のスイッチング周波数が同様に制御される。 Similar to the fourth embodiment, the resonant switched capacitor converter 100E has a configuration in which two stages of 1/2 resonant switched capacitor converters 100A are connected in series. Controller IC 200E of capacitor converter 100A is integrated into one chip. Only the output voltage V OUT of the latter-stage resonant switched capacitor converter 100A is fed back to the controller IC 200E, and the switching frequencies of both the former and latter stages are similarly controlled based on the output voltage V OUT .

この構成によれば、1/4倍の共振スイッチドキャパシタコンバータを、高効率に動作させることができる。 According to this configuration, a 1/4 times resonant switched capacitor converter can be operated with high efficiency.

(変形例)
上述した実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なことが当業者に理解される。以下、こうした変形例について説明する。
(Modification)
Those skilled in the art will understand that the above-described embodiments are examples, and that various modifications can be made to combinations of each component and each processing process. Such modifications will be described below.

実施形態では、1/2倍あるいは1/4倍のコンバータを説明したが、本開示の適用はそれに限定されず、その他のゲインを有するコンバータにも適用可能である。またゲインが1より大きいスイッチドキャパシタコンバータにも適用可能である。 In the embodiments, a 1/2 or 1/4 converter has been described, but the application of the present disclosure is not limited thereto, and can also be applied to converters having other gains. It is also applicable to switched capacitor converters with a gain greater than one.

(用途)
図13は、共振スイッチドキャパシタコンバータ100を備える電子機器700の一例を示す図である。電子機器700の好適な一例はサーバーである。元来、サーバーには12Vの電源線が引き込まれていたため、内部回路710は12Vで動作するように設計されている。内部回路710は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ、LAN(Local Area Network)のインタフェース回路と、12Vの電圧を降圧するDC/DCコンバータなどを含みうる。
(Application)
FIG. 13 is a diagram showing an example of an electronic device 700 that includes the resonant switched capacitor converter 100. As shown in FIG. A suitable example of the electronic device 700 is a server. Since a 12V power supply line was originally drawn into the server, the internal circuit 710 is designed to operate at 12V. The internal circuit 710 can include a CPU (Central Processing Unit), a memory, a LAN (Local Area Network) interface circuit, a DC/DC converter that steps down a voltage of 12 V, and the like.

近年、電線に流れる電流を減らすために、バス電圧を12Vから48Vに置き換える動きが進められている。この場合に、48Vの電源電圧を12Vに降圧する電源回路720が必要となる。上述したゲインが1/4倍の共振スイッチドキャパシタコンバータ100は、こうした電源回路720に好適に用いることができる。 In recent years, there has been a movement to replace the bus voltage from 12V to 48V in order to reduce the current flowing through the wires. In this case, a power supply circuit 720 for stepping down the power supply voltage of 48V to 12V is required. The resonant switched capacitor converter 100 having a gain of 1/4 as described above can be suitably used for such a power supply circuit 720 .

電子機器700はサーバーに限定されず、車載機器であってもよい。従来の自動車のバッテリは12Vあるいは24Vが主流であるが、ハイブリッド車両では、48Vシステムが採用される場合があり、この場合も48Vのバッテリ電圧を、12Vあるいは24Vに変換する電源回路が必要とされる。このような場合に、1/2倍あるいは1/4倍の共振スイッチドキャパシタコンバータ100を好適に利用することができる。 Electronic device 700 is not limited to a server, and may be an in-vehicle device. Conventional automobile batteries are mainly 12V or 24V, but hybrid vehicles may adopt a 48V system, and in this case also, a power supply circuit that converts the 48V battery voltage to 12V or 24V is required. be. In such a case, the 1/2 or 1/4 resonant switched capacitor converter 100 can be preferably used.

その他、電子機器700は、産業機器、OA機器であってもよいし、オーディオ機器などの民生機器であってもよい。 In addition, the electronic device 700 may be industrial equipment, OA equipment, or consumer equipment such as audio equipment.

実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにさまざまな変形例が存在すること、またそうした変形例も本開示に含まれ、また本発明の範囲を構成しうることは当業者に理解されるところである。 The embodiments are examples, and it should be noted that there are various modifications in the combination of each component and each processing process, and such modifications are included in the present disclosure and can constitute the scope of the present invention. It is understood by those skilled in the art.

100 共振スイッチドキャパシタコンバータ
102 入力ライン
104 出力ライン
106 LC共振回路
110 スイッチ回路
120 駆動回路
130 周波数コントローラ
132 周波数可変オシレータ
134 周波数調節部
136 記憶部
138 比較回路
140 フィードバック回路
150 オシレータ
160 過電流保護回路
200 コントローラIC
SW スイッチ
C キャパシタ
L インダクタ
REFERENCE SIGNS LIST 100 resonant switched capacitor converter 102 input line 104 output line 106 LC resonant circuit 110 switch circuit 120 drive circuit 130 frequency controller 132 variable frequency oscillator 134 frequency adjustment section 136 storage section 138 comparison circuit 140 feedback circuit 150 oscillator 160 overcurrent protection circuit 200 Controller IC
SW Switch C Capacitor L Inductor

Claims (10)

共振スイッチドキャパシタコンバータのコントローラ回路であって、
クロック信号を生成するオシレータと、
前記クロック信号に応じて、前記共振スイッチドキャパシタコンバータのスイッチ回路を構成する複数のスイッチを駆動する駆動回路と、
前記共振スイッチドキャパシタコンバータの過電流状態を検出すると、前記クロック信号の周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させる過電流保護回路と、
を備える、コントローラ回路。
A controller circuit for a resonant switched capacitor converter, comprising:
an oscillator that generates a clock signal;
a drive circuit for driving a plurality of switches constituting a switch circuit of the resonant switched capacitor converter in accordance with the clock signal;
an overcurrent protection circuit that, upon detecting an overcurrent condition of the resonant switched capacitor converter, changes the frequency of the clock signal away from the resonant frequency;
a controller circuit.
正常状態において、前記共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧にもとづいて前記オシレータの発振周波数を制御する周波数コントローラをさらに備える、請求項1に記載のコントローラ回路。 2. The controller circuit of claim 1, further comprising a frequency controller that, in normal conditions, controls the oscillation frequency of said oscillator based on the output voltage of said resonant switched capacitor converter. 前記周波数コントローラは、正常状態において、前記共振スイッチドキャパシタコンバータの前記出力電圧が最大値に近づくように、前記オシレータの発振周波数を制御する、請求項2に記載のコントローラ回路。 3. The controller circuit of claim 2, wherein the frequency controller controls the oscillation frequency of the oscillator such that, under normal conditions, the output voltage of the resonant switched capacitor converter approaches a maximum value. 前記周波数コントローラは、前記オシレータの発振周波数を第1方向に変化させた結果、前記共振スイッチドキャパシタコンバータの前記出力電圧が増加したとき、次の周波数制御サイクルにおいて、前記オシレータの発振周波数を前記第1方向に変化させ、前記共振スイッチドキャパシタコンバータの前記出力電圧が低下したとき、次の周波数制御サイクルにおいて、前記オシレータの発振周波数を前記第1方向と反対の第2方向に変化させる、請求項3に記載のコントローラ回路。 When the output voltage of the resonant switched-capacitor converter increases as a result of changing the oscillation frequency of the oscillator in the first direction, the frequency controller changes the oscillation frequency of the oscillator to the first direction in the next frequency control cycle. changing in one direction and changing the oscillation frequency of the oscillator in a second direction opposite to the first direction in the next frequency control cycle when the output voltage of the resonant switched capacitor converter drops. 4. The controller circuit of claim 3. 前記周波数コントローラは、正常状態において、前記オシレータの発振周波数が前記共振スイッチドキャパシタコンバータの共振周波数より高い領域で前記オシレータの発振周波数を変化させる、請求項2に記載のコントローラ回路。 3. The controller circuit according to claim 2, wherein said frequency controller changes the oscillation frequency of said oscillator in a region where the oscillation frequency of said oscillator is higher than the resonance frequency of said resonant switched capacitor converter in a normal state. 前記周波数コントローラは、正常状態において、前記共振スイッチドキャパシタコンバータの前記出力電圧が目標電圧に近づくように、前記オシレータの発振周波数を変化させる、請求項5に記載のコントローラ回路。 6. The controller circuit of claim 5, wherein the frequency controller changes the oscillation frequency of the oscillator such that the output voltage of the resonant switched capacitor converter approaches a target voltage under normal conditions. ひとつの半導体基板に一体集積化される、請求項1から6のいずれかに記載のコントローラ回路。 7. The controller circuit according to claim 1, monolithically integrated on one semiconductor substrate. 請求項1から7のいずれかに記載のコントローラ回路を備える、共振スイッチドキャパシタコンバータ。 A resonant switched capacitor converter comprising a controller circuit according to any of claims 1-7. 請求項8に記載の共振スイッチドキャパシタコンバータを備える、電子機器。 An electronic device comprising the resonant switched capacitor converter according to claim 8 . 共振スイッチドキャパシタコンバータの制御方法であって、
前記共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電流を検出するステップと、
前記出力電流が所定のしきい値を越えると、前記共振スイッチドキャパシタコンバータのスイッチング周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させるステップと、
を備える、制御方法。
A method of controlling a resonant switched capacitor converter, comprising:
sensing the output current of the resonant switched capacitor converter;
changing the switching frequency of the resonant switched capacitor converter away from the resonant frequency when the output current exceeds a predetermined threshold;
A control method comprising:
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