JP5978196B2 - ケーブル原因の電圧降下補償器、コントローラおよび電力変換器 - Google Patents

Description

本発明は概して電力変換器に関し、さらに特定すると本発明は電力変換器の電圧調節に関する。

本出願は２００７年４月６日に提出された「Ｍｅｔｈｏｄ Ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃａｂｌｅ Ｄｒｏｐ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｏｆ Ａ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」という表題の米国特許仮出願第６０／９２２１９３号の恩典を権利主張するものである。

携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ラップトップ等の多くの電気器具は、比較的低電圧のＤＣ電力の電源によって電力が供給される。電力は、一般に、高電圧ＡＣ電力として壁付コンセントを通じて供給されるため、典型的には電力変換器と称する器具は、高電圧ＡＣ電力を低電圧ＤＣ電力に変換することが必要である。低電圧ＤＣ電力は、電力変換器によって器具に直接提供されてもよく、エネルギーを器具に提供するが、蓄積されたエネルギーが尽きると充電が必要となる充電式電池を充電するのに使用されてもよい。典型的には、電池は、電池が必要とする一定電流と一定電圧の要件を満たす電力変換器を含む電池充電器で充電される。ＤＶＤプレーヤ、コンピュータのモニタ、ＴＶなどの他の電気デバイスもやはりデバイス動作のための電力変換器を必要とする。これらのデバイス内の電力変換器もやはりデバイスの要求条件に合致した出力電圧及び電流を供給しなければならない。作動中、電力変換器は、広くは負荷と称される電池のような電気器具に供給される出力電力を調整するためのコントローラを使用する。より具体的には、そのコントローラは、負荷に供給される電力を調整するために、電力変換器の出力のフィードバック情報を提供するセンサに結合される。コントローラは、電力線のような入力電力源から出力にエネルギー・パルスを転送するために、センサからのフィードバック情報に応答して、電力スイッチをオン・オフさせるように制御することによって負荷への電力を調整する。使用される１つの特定のタイプの電力変換器はフライバック電力変換器である。フライバック電力変換器では、エネルギー伝達素子は電力変換器の入力側を出力側から電気的に分離することが可能である。電気的な分離は、電力変換器の入力側と出力側との間でＤＣ電流が流れるのを阻止し、安全な調節を満足させるために通常必要とされる。

電力変換器制御回路は数多くの目的及び用途のために使用される。集積型制御回路の外側の部品の数を削減することが可能な制御回路機能の統合に関する需要が存在する。外部部品数のこの削減は電力変換器の小型化を可能にして携帯性を向上させ、電力変換器設計を仕上げるために必要とされる設計段階の数を削減し、かつ最終製品の信頼性を高める。さらに、削減された部品数は電力変換器の動作におけるエネルギー効率の改善を提供することが可能であり、かつ電力変換器のコストを削減することが可能である。通常、電力変換器は出力電圧についてのフィードバック情報を感知して電力変換器の入力側にある制御回路に送信するための特別の回路を電力変換器の出力側に有する。電力変換器内の部品の数を削減するための１つの技法は電力変換器の出力側で出力電圧のフィードバック情報を感知するのではなく電力変換器の入力側からこれを感知することである。これは間接的なフィードバックによって達成される。間接的フィードバックを使用する電力変換器に付随する１つの課題は電力変換器（例えば充電器）を負荷（例えば電池）に接続するケーブルを横切って降下する変動電圧に対して補償することである。間接的フィードバックはケーブルの一方の端部にある電力変換器の出力部における電圧を調節することは可能であるが、ケーブルの他方の端部の電圧はケーブルの電圧降下によって電力変換器の出力部の電圧とは異なる。ケーブル原因の付加的な電圧降下を補償することによって、電力変換器は負荷における電圧調節を向上させることができる。

米国特許仮出願第６０／９２２１９３号

集積型電源制御器の外部に実装される知られている個別の回路があり、これらはケーブル原因の電圧降下を補償することができる。しかしながら、ケーブルを横切る電圧降下を補償する知られている個別回路は付加的な部品を実装し、これらは電力変換器のコストとサイズを増大させる。例えば、知られている個別のケーブル電圧降下補償回路は電力変換器のサイズを増大させる比較的大型のキャパシタを含む。付け加えると、ケーブルを横切る電圧降下を補償する知られている個別回路は、或る最新の制御方法を実装する制御器を使用する或る種の電力変換器にとって適切でないこともある。

本発明の教示に従って一例の制御器を含み、配線網と負荷に連結された電力変換器の一例の機能ブロック図を概して例示する結線図である。 本発明の教示による図１の一例の制御器を概してさらに例示する機能ブロック図である。 本発明の教示による図２Ａの一例の制御器に対応する信号の一例の波形を概して例示する図である。 本発明の教示による図２の一例のケーブル原因の電圧降下の補償器をさらに具体的に示す機能ブロック図である。 本発明の教示による図３Ａの一例のケーブル原因の電圧降下の補償器に対応する信号の一例の波形を概して例示する図である。 本発明の教示による図３Ａの一例のケーブル原因の電圧降下の補償器に対応する信号の代替の一例の波形を概して例示する図である。 本発明の教示による電力変換器用のケーブル原因の電圧降下の補償のための一例の方法を概して例示するフローチャートである。 本発明の教示による電力変換器用のケーブル原因の電圧降下の補償のための方法の代替の一例を概して例示するフローチャートである。 本発明の教示に従って一例の制御器を含み、配線網に連結された一例の電力変換器を概して例示する結線図である。 本発明の教示による統合されたケーブル原因の電圧降下の補償器の一例を例示する結線図である。 本発明の教示に従って電流限度を変えるために適応する統合されたケーブル原因の電圧降下の補償器の代替の一例を例示する結線図である。

他に指定がなければ、それぞれの図の全体を通して同様の参照番号が同様の部分を指す以下の図を参照しながら本発明の非限定的か非網羅的な実施形態と具体例を説明する。

電力変換器に使用するための統合されたケーブル原因の電圧降下の補償回路及び方法に関する例が開示される。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために数多くの特定の詳細が述べられる。しかしながら、この特定の詳細が必ずしも本発明を実践するために使用される必要のないことは当業者に明らかであろう。本発明を曖昧にしないために、実施に関してよく知られている方法は詳しく述べられていない。
本明細書全体を通じての「一実施形態」、「実施形態」、「一具体例」又は「具体例」とは、実施形態又は具体例に関して記載されている特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な箇所における「一実施形態」、「実施形態」、「一具体例」又は「具体例」という語句は、すべて同一の実施形態又は具体例を指すとは限らない。また、特定の特徴、構造又は特性を１つ又は複数の実施形態又は具体例における任意の好適な組合せ及び／又は部分的組合せとして組み合わせることができる。また、本明細書とともに提供されている図は、当業者に対する説明を目的としたものであること、及び図面は、必ずしも同じ縮尺で描かれていないことが理解できるであろう。さらに、特定の特徴、構造、又は特性が記述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、又は他の適切な部品類の中に含まれることもある。

検討されるであろうが、本発明の教示による例の電力変換器は、個別部品類を除外してかつ最新の制御方法のための電力変換器への有用性を広げる統合されたケーブル原因の電圧降下の補償を特徴とする。本願明細書で言及される１つの制御方法は「オンオフ」制御と称される。ここでは「オンオフ」は電力スイッチを導通させるか否かである。「オン」サイクルはスイッチが可能にされ、したがってこのサイクルの間の時間部分の間に導通することが可能なサイクルであり、「オフ」サイクルはスイッチが不能にされ、又は導通することを阻止されるサイクルである。したがって、本開示における「オンオフ」はスイッチが実際に所定のサイクルで導通しているかどうかに言及するものではなく、スイッチの導通が可能にされるか否かに過ぎない。本願明細書でパルス幅変調と称される別の制御方法は「ＰＷＭ」と称される。さらに特定すると、ＰＷＭは一定の持続時間又は可変持続時間であってもよいサイクル中のスイッチの導通時間とも称されるオン時間を調節する過程を含む。ＰＷＭの別の形態はオフ時間を調節する過程を含み、これはスイッチが導通するのを阻止されるときの一定の持続時間又は可変持続時間であってもよいサイクル中のスイッチである。スイッチング・サイクルが一定の持続時間であるとき、オン時間を調節することがオフ時間を調節することと区別できないことは理解できるであろう。開示される電力変換器及び方法の例は、電力変換器の入力側が出力側から電気的に分離される用途であって、電力変換器の出力電圧を表す入力側の信号を感知することに応答して負荷電圧が調節される様々な用途に使用することができる。

具体的に示すために、図１は配線網１０２と負荷１０４に連結された一例の電力変換器１００を概して示し、本発明の教示による一例の制御器を含む。図示されるように、配線網１０２は出力電圧Ｖ_OUT１０６に相当する出力部１０５に連結される。負荷電流Ｉ_LOAD１０９は出力部１０５から流れて配線網１０２を通って負荷１０４に供給される。通常、配線網１０２は例えば電源コードなどのケーブルを含む。一例では、限定はされないが配線網１０２は電力変換器１００の出力側で付加的な抵抗を供給する端子インターフェース及び／又はいずれかの他の素子を含むこともある。この端子インターフェースは、例えば電力供給装置とケーブルとの間の接続インターフェース、さらにはケーブルと負荷との間の接続インターフェースを含むこともある。

図示されるように、入力部１１０は入力電圧Ｖ_IN１１２に相当する入力部１１０と出力部１０５との間を、例示された例では、電気的に分離するエネルギー伝達素子１１４に連結される。言い換えると、エネルギー伝達素子１１４は電力変換器１００の入力側から出力側にＤＣ電流が流れるのを阻止する。一例では、エネルギー伝達素子１１４は入力巻線１１６と出力巻線１１７を有する。「入力巻線」は「一次巻線」と称され、「出力巻線」は「二次巻線」と称される。例示された例に示されるように、制御器１１９にかかる電圧を制限するためにクランプ回路１１８がエネルギー伝達素子１１４の入力巻線１１６の間に連結される。

図示されるように、制御器１１９は入力部１１０に連結され、かつ出力部１０５を調節するように連結される。様々な例において、制御器１１９は、限定はされないがオンオフ制御、変化する電流制限レベルを伴うオンオフ制御、可変又は固定周波数のパルス幅変調（ＰＷＭ）などの様々なスイッチング方式のうちのいずれかを使用することができることを特徴とする。制御器１１９はまた、電力変換器１００の出力部１０５の値を感知するセンサ１２０にも連結される。この例では、出力電圧Ｖ_OUT１０６はセンサ１２０によって感知される。この例に例示されるように、出力電圧Ｖ_OUT１０６とセンサ１２０は整流器１４０によって、及びこの例では変圧器であるエネルギー伝達素子１１４の２つの巻線１１６、１１７の間の磁気結合によって分離される。センサ１２０は出力部１０５を調節するためにフィードバック信号１２４Ｕ_FBを制御器１１９に出力するように連結される。

動作時では、制御器１１９はフィードバック信号１２４Ｕ_FBに応答して制御器１１９内に含まれる電力スイッチをスイッチングさせることによって電力変換器１００の出力部１０５を調節する。制御器１１９内の電力スイッチがオンであるとき、入力部１１０からのエネルギーはエネルギー伝達素子１１４の入力巻線１１６の中に移され、エネルギー伝達素子１１４に蓄えられる。制御器１１９内の電力スイッチがオフであるとき、エネルギー伝達素子１１４に蓄えられたエネルギーは出力巻線１１７に移される。出力巻線１１７からのエネルギーは順方向バイアスされた整流器１４０を通って出力キャパシタ１４２に流れる脈動電流で電力変換器１００の出力部１０５に移される。実質的にＤＣの（非脈動の）負荷電流１０９が電力変換器の出力部１０５から配線網１０２を通って負荷１０４に流れる。入力戻り１２５が入力端子１１０に連結され、出力戻り１２７が出力端子１０５に連結される。一例では、入力戻り１２５と出力戻り１２７が連結される。

図示されるように、負荷電流Ｉ_LOAD１０９は、負荷１０４を供給するために配線網１０２を通って供給される。一例では、負荷１０４は、例えば携帯電話の電池などの充電されるべきデバイスを代表し、調節された負荷電圧Ｖ_LOAD１３０を必要とする。動作時では、制御器１１９は出力巻線１１７内に脈動電流を生成する。出力巻線１１７内の電流は整流器１４０によって整流され、実質的に一定の出力電圧Ｖ_OUT１０６を生成するために出力キャパシタ１４２によってフィルタ処理される。負荷電流Ｉ_LOAD１０９が増大すると、配線網１０２内の実質的に一定の抵抗値のせいで配線電圧降下Ｖ_DIST１３２が比例して増大する。一例では、電力変換器１００は本発明の教示に従って出力電圧Ｖ_OUT１０６を制御することによって負荷１０４におけるさらに優れた調節を受けるために配線電圧降下Ｖ_DIST１３２を補償することが可能である。配線網１０２の抵抗値は多様な用途に応じて異なるので、本発明の恩典を実現するために、ユーザは、適切なフィードバック部品の選択の際に特定の配線網の適切な抵抗値を知って責任を負う必要があることは理解できるであろう。

一例では、電力変換器１００は入力巻線１１６が入力部１１０からより多くのエネルギーを受け取る前にすべてのエネルギーがエネルギー伝達素子１１４から出力巻線１１７に移される不連続導通モード（ＤＣＭ）で動作することもある。

本発明の教示によると、先行技術による電力変換器と比較して負荷電圧Ｖ_LOAD１３０の変動が削減される。これは配線網１０２に渡る変動する電圧降下（Ｖ_DIST１３２）を補償するように出力電圧Ｖ_OUT１０６を調節することによって達成される。上記で述べられたように、配線電圧降下Ｖ_DIST１３２は負荷１０４に供給される電流に応答して変わる。本発明は、変動する配線電圧Ｖ_DIST１３２を補償するように出力電圧Ｖ_OUT１０６を調節することが制御器１１９内の電力スイッチのスイッチングに応答して達成できることを教示する。

図２Ａは本発明の教示による電力変換器１００の一例の制御器１１９のさらなる態様を概して例示する機能ブロック図２００である。例示された例に示されるように、制御器１１９は電力スイッチ２０８、スイッチング・ブロック２０１、統合されたケーブル原因の電圧降下の補償器２０２、発振器２０４、電流制限器２０６をさらに含む。図２Ａの例では、制御器１１９は単一のモノリシック・デバイス内に電力スイッチ２０８、スイッチング・ブロック２０１、統合されたケーブル原因の電圧降下の補償器２０２、電流制限器２０６を含む集積回路の境界線を表している。他の例では、これらの機能ブロックのうちの１つ又は複数が個別回路部品、モノリシック集積回路、ハイブリッド集積回路、又はこれらの様々な組合せで実装されることもある。

描かれた例では、スイッチング・ブロック２０１は第１の端子２０９と第２の端子２１０との間にある電力スイッチ２０８をスイッチングさせることによって出力電圧１０６を調節する。一例では、第１の端子２０９はドレイン端子と称され、第２の端子２１０はソース端子と称される。動作時では、電力スイッチ２０８は電流が電力スイッチ２０８を通って流れることを可能にするオン状態にあるか又は電流が電力スイッチ２０８を通って流れることを実質的に阻止するオフ状態にある。スイッチング・ブロック２０１からのドライブ信号２１１は電力変換器１００の出力部１０５の出力を調節するように電力スイッチ２０８のスイッチングを制御する。スイッチング信号２１２はドライブ信号２１１を表し、ケーブル原因の電圧降下の補償器２０２に出力される。一例では、スイッチング・ブロック２０１が一定周波数又は可変周波数のＰＷＭ制御技法を使用しているとき、スイッチング信号２１２は電力スイッチ２０８の「オン」時間と「オフ」時間を表している。

他の例では、スイッチング・ブロック２０１がオンオフ制御技法を使用している場合、スイッチング信号２１２は「可能」サイクルと「不能」サイクルを表す。可能サイクルではスイッチは導通することが可能であり、不能サイクルではスイッチは導通することを阻止される。「不能サイクル」が「スキップ・サイクル」と称されることもあることに留意すべきである。オンオフ制御技法の期間中、電力スイッチ２０８のスイッチングは図２Ｂに示されるような一定持続時間のサイクルに基づいて動作する。オンオフ制御を使用すると、スイッチング・ブロック２０１はサイクル中のスイッチング事象を実行するように決定することによって、又はサイクル中のスイッチング事象を省略することによって出力電圧Ｖ_OUT１０６を調節することが可能である。さらに特定すると、スイッチング事象は電力スイッチ２０８が所定のサイクルでオフ状態からオン状態に移行し、オフ状態に戻るときとして定義される。可能にされたサイクル中の電力スイッチ２０８の導通の持続時間は一定の持続時間又は可変の持続時間であり、この持続時間は一定持続時間のタイミング信号、電流制限などを含む様々な方式によって決定できる。例に示されるように、スイッチング事象が起こるとサイクルが可能（ＥＮ）にされ、サイクルの全持続時間についてスイッチング信号２１２はハイである。スイッチング事象が省略されるとサイクルが不能（ＤＩＳ）にされ、サイクルの持続時間についてスイッチング信号２１２はローである。

図２Ａに示された例で続けると、スイッチング・ブロック２０１はフィードバック端子２１３を経由して実質的に出力電圧Ｖ_OUT１０６を表すフィードバック信号１２４を受信する。フィードバック信号１２４に応答してスイッチング・ブロック２０１は電力スイッチ２０８を切り換える。図示されるように、統合されたケーブル原因の電圧降下の補償器２０２は、配線電圧Ｖ_DIST１３２を補償することを要求される出力電圧Ｖ_OUTの値を表す調整された電圧Ｖ_ADJを表す補償された基準電圧信号２１６を出力する。調整された基準電圧値Ｖ_ADJに応答して調節される出力電圧Ｖ_OUT１０６は実質的に配線電圧Ｖ_DIST１３２と負荷電圧Ｖ_LOAD１３０の合計である。負荷電流１０９が大きいとき、比較的大きい配線電圧降下１３２が存在し、負荷電流１０９が小さいとき、比較的小さい配線電圧降下１３２が存在する。したがって、補償された基準電圧信号２１６が負荷電流１０９に比例して配線電圧降下１３２を補償するように調節するとき、負荷電圧Ｖ_LOAD１３０の向上した調節が達成される。

描かれた例に示されるように、スイッチング・ブロック２０１は発振器２０４からクロック信号２１４を受信する。クロック信号２１４は電力スイッチ２０８をスイッチングさせるためにスイッチング・ブロック２０１によって時間基準として使用される脈動信号である。例えば、オンオフ制御の一例では、一定持続時間のスイッチング・サイクルを維持するためにクロック信号２１４が参照される。ＰＷＭ制御の一例では、各々のサイクルについて電力スイッチ２０８のオン時間又はオフ時間を制御するためにクロック信号２１４が参照される。

図示されるように、電流制限器２０６がスイッチ電流Ｉ_SWITCH２１８を感知する電流感知部２１７に連結される。例示された例では、電流感知部２１７は電力スイッチ２０８と第２の端子２１０との間のスイッチ電流Ｉ_SWITCH２１８を検出するために連結される。他の例で、電流感知部２１７が電力スイッチ２０８と第１の端子２０９との間のスイッチ電流Ｉ_SWITCH２１８を検出するために連結されてもよいことは理解できるであろう。電流制限器２０６はスイッチ電流Ｉ_SWITCH２１８がピーク電流限度Ｉ_PEAKに達すると電流限度到達信号２２０をスイッチング・ブロック２０１に出力する。スイッチング・ブロック２０１はピーク電流限度Ｉ_PEAKを変更してピーク電流限度調整信号Ｉ_ADJ２２２を出力することもある。さらに特定すると、ピーク電流限度Ｉ_PEAKを調整する過程は、限定はされないが、動作のモードや制御の技法などの動作パラメータに基づくか又はそれに応答してもよい。一例では、最大ピーク電流限度Ｉ_PEAKはスイッチ電流Ｉ_SWITCH２１８の最大値を制限する値である。一例では、ピーク電流限度調整信号Ｉ_ADJ２２２は電流制限比Ｋ_IRATIOを決定するためにケーブル原因の電圧降下の補償器２０２によって受信される。一例では、電流制限比Ｋ_IRATIOは電力スイッチ２０８のスイッチングを制御するために使用されることもある。電流制限比Ｋ_IRATIOは以下の式、すなわち、以下の式によって計算される。

図３Ａは本発明の教示による図２Ａの一例の統合されたケーブル原因の電圧降下の補償器２０２をさらに具体的に示す機能ブロック図３００である。この統合されたケーブル原因の電圧降下の補償器２０２はスイッチング係数演算器３０２と電圧補償演算器３０４を含む。図示されるように、スイッチング係数演算器３０２はスイッチング係数値（ＳＣ）を表すスイッチング係数信号３０６を出力する。さらに特定すると、スイッチング係数は供給可能な負荷電流１０９の最大量によって割り算された負荷電流１０９の比を表す方式で電力スイッチのスイッチングを表す。例えば、スイッチング係数ＳＣが１．０であるとき、最大の負荷電流１０９が負荷に供給されており、これは配線網１３２を横切る最大の電圧降下に結果としてつながる。スイッチング係数ＳＣが０．５であるとき、最大の負荷電流１０９の半分が負荷１０４に供給されており、これは配線網１３２を横切る最大の電圧降下の半分に結果としてつながる。

図３Ｂは本発明の教示に従ってスイッチング・ブロック２０１がオンオフ制御の技法を使用しているときのスイッチング係数ＳＣの一例の計算を例示している。図３Ｂに示されるように、スイッチング信号２１２は可能にされたサイクル（ＥＮ）中にスイッチング事象が起こるときのそのサイクルを示し、かつスイッチング事象が起こらないときの不能にされたサイクル（ＤＩＳ）を示す。オンオフ制御技法では、スイッチング係数ＳＣはサイクルの合計数の中からスイッチング信号２１２がハイであるサイクルの数を判定することによって計算される。一例では、スイッチング係数は以下の式に従って計算され、

ここでＮ_ENABLEは可能にされたサイクルの数として規定され、Ｎ_DISABLEは不能にされたサイクルの数として規定される。スイッチング・サイクルの合計数Ｎ_TOTALは設定時間内の可能にされたサイクルと不能にされたサイクルの合計として規定される。個別の方式でスイッチング係数を計算するときに考慮されるべきスイッチング・サイクルの数が、負荷電流が一定であるときにスイッチング係数ＳＣに関して実質的に一定の値を与えるように十分に大きくなければならず、さらに負荷電流が変化するときに負荷における電圧を特定の限度内に維持するように十分に小さくなければならないことは明らかであろう。

例証するために、図３Ｂは可能にされたサイクルの数Ｎ_ENABLEが８に等しく、不能にされたサイクルの数Ｎ_DISABLEが１２に等しく、かつサイクルの合計数Ｎ_TOTALが２０に等しい一例を示している。スイッチング係数ＳＣは可能にされたサイクルの数Ｎ_ENABLEをサイクルの合計数Ｎ_TOTALで割り算して０．４のスイッチング係数ＳＣを得ることによって判定される。

図３Ｃは、本発明の教示に従って一例のスイッチング・ブロック２０１が可変周波数のパルス幅変調（ＰＷＭ）制御技法を使用する代替例のスイッチング係数ＳＣの計算を例示している。図示されるように、スイッチング信号２１２はデジタル信号であって電力スイッチ２０８がオン状態にあるときにハイであり、電力スイッチ２０８がオフ状態にあるときにローである。例示されたＰＷＭ制御技法では、スイッチング係数ＳＣは時間期間全体にわたるスイッチング信号の実効デューティ比を判定することによって計算される。さらに特定すると、スイッチング係数は以下の式で判定される。

ここで、合計時間ｔ_TOTALの中でｔ_ONは電力スイッチ２０８がオンである時間として規定され、これは電流が流れることを可能にされるときであり、ｔ_OFFはスイッチがオフに留まっている時間として規定される。図３Ｃの例で示されるように、オン時間ｔ_ONは１００μｓに等しく、オフ時間ｔ_OFFは１５０μｓに等しく、合計時間ｔ_TOTALは２５０μｓに等しい。スイッチング係数ＳＣはオン時間ｔ_ON１００μｓを合計時間ｔ_TOTAL２５０μｓで割り算することによって計算され、例示された例では結果として０．４のスイッチング係数につながる。

図３Ａの一例のケーブル原因の電圧降下の補償器２０２で続けると、スイッチング係数信号３０６に応答して、電圧補償演算器３０４は補償された基準電圧信号２１６を出力する。スイッチング係数ＳＣは最大負荷電流で割り算された負荷電流の値を表す小数である。したがって、スイッチング係数信号３０６は補償の必要量を最大の予期される配線電圧降下Ｖ_DIST１３２の小数として示される。補償された基準電圧信号２１６は出力電圧Ｖ_OUT１０６を無負荷電流における値よりも上に、最大の予期される配線電圧降下Ｖ_DIST１３２の実質的に同じ小数である量で増大させる。このようにして、出力電圧Ｖ_OUT１０６は負荷電流１０９と共に変化する配線電圧降下Ｖ_DIST１３２を補償する。図７を参照してさらに述べられる一例では、スイッチング係数は本発明の教示に従って図３Ｂ、３Ｃで上述されたように個別の方式で計算されるのではなく連続的に計算されることもある。

図４は本発明の教示による統合されたケーブル原因の電圧降下の補償のための一例の方法を概して例示するフローチャート４００である。例示された例に示されるように、処理はブロック４０５で始まり、ブロック４１０でスイッチング信号２１２が受信される。ブロック４２０では、スイッチング信号２１２に応答してスイッチング係数が判定される。ブロック４３０では、調整された電圧Ｖ_ADJがスイッチング係数ＳＣと基準電圧Ｖ_REFに応答して計算される。基準電圧Ｖ_REFは、集積回路内の内部電圧であり、外部状態の範囲全体を通じて実質的に一定であり、電力変換器１００の設計パラメータに基づいて設定される。調整された電圧Ｖ_ADJはスイッチング係数ＳＣがゼロであればＶ_REFと実質的に同じ値である。ブロック４４０では、Ｖ_OUT１０６に関して配線電圧Ｖ_DIST１３２を補償するため、及び負荷電圧Ｖ_LOAD１３０の変動を制限するためにフィードバック信号１２４を調整された電圧Ｖ_ADJに保つように出力電圧Ｖ_OUT１２０が調節される。次いで処理はブロック４１０に戻る。

図５は本発明の教示による統合されたケーブル原因の電圧降下の補償のための他の例を概して例示するフローチャート５００である。図示されるように、図５のフローチャート５００は図４のフローチャート４００といくつかの類似点を共有する。例えば、処理はブロック４０５で始まる。ブロック４１０でスイッチング信号２１２が受信される。ブロック４２０では、スイッチング信号２１２に応答してスイッチング係数ＳＣが判定される。しかしながら、ブロック５２３では電流調整信号Ｉ_ADJ２２２に応答して前のサイクルから現在のサイクルで電流限度が変わったか否かが判定される。電流限度が変わったことがブロック５２３で判定されれば、ブロック５２５で電流制限比Ｋ_IRATIOが計算され、調整された電圧Ｖ_ADJが、ブロック５２７で、基準電圧Ｖ_REF、電流制限比Ｋ_IRATIO、スイッチング係数ＳＣに応答して計算される。不連続導通モードの動作では、出力電力はピーク電流限度Ｉ_PEAKの二乗に比例する。したがって一例では、調整された電圧Ｖ_ADJは電流制限比の二乗（Ｋ_IRATIO）²に応答して計算される。

電流限度が変わらなかったことがブロック５２３で判定されれば、基準電圧Ｖ_REFとスイッチング係数ＳＣに応答してブロック４３０で調整された電圧Ｖ_ADJが計算される。ブロック４４０では、Ｖ_OUT１０６に関して配線電圧Ｖ_DIST１３２を補償するため、及び負荷電圧Ｖ_LOAD１３０の変動を制限するために、フィードバック信号１２４を調整された電圧Ｖ_ADJに保つように出力電圧Ｖ_OUT１０６が調節される。次いで処理はブロック４１０に戻る。

図６は本発明の教示に従って一例の制御器を含み、配線網１０２に連結された電力変換器１００を例示する一例の結線図６００である。図示されるように、集積型制御器６０２と結び付けられたエネルギー伝達素子１１４は電力変換器６００の出力端子１０５の出力電圧Ｖ_OUT１０６を調節するように連結される。一例では、集積型制御器６０２は図１に示された制御器１１９の機能を実行する。集積型制御器６０２はドレイン端子２０９とソース端子２１０との間に連結される。出力電圧Ｖ_OUT１０６を表すフィードバック信号１２４を受信するためにフィードバック端子２１３が集積型制御器６０２に連結される。例示された例では、バイパス端子６０４がバイパス・キャパシタ６０６に連結され、動作中にこれが集積型制御器６０２の内部回路に供給電流を提供する。一例では、集積型制御器６０２にかかる最大電圧を制限するためにクランプ回路１１８は抵抗器６０５、整流器６０６、キャパシタ６０７を含む。

例では、図６は集積型制御器６０２によって受信されるように連結され、フィードバック信号１２４を出力する補助巻線６０８を含むセンサ１２０を例示している。一例では、補助巻線６０８を横切って現れる電圧は電力スイッチ２０８がオフに切り換えられた後の時間中の変換器の出力電圧Ｖ_OUT１０６に実質的に比例する。付け加えると、補助巻線６０８は第１と第２の抵抗器６１２、６１４を含む電圧分割器に連結され、それにより、フィードバック端子２１３が第１と第２の抵抗器６１２、６１４の間に連結される。一例では、第１と第２の抵抗器６１２、６１４に関する値は所定の負荷電流における負荷電圧Ｖ_LOAD１３０の望ましいレベルに基づいて選択されてもよく、導通しているときに整流器１４０の電圧の割合を占める。ＰＷＭ制御法を使用する他の例で、集積型制御器６０２が動作するための供給電流が補助巻線６０８から引き出されてもよいことは理解できるであろう。

図７は本発明の教示による一例の統合されたケーブル原因の電圧降下の補償器２０２を例示する結線図７００である。図示されるように、回路７００のために調節された内部電圧Ｖ_INT７０２を供給するために内部電圧源７０１が連結される。一例では、内部の調節された電圧Ｖ_INT７０２は図６の例に例示されるようにバイパス端子６０４を経由してバイパス・キャパシタ６０６によって供給されてもよい。

描かれた例に示されるように、ドライブ信号２１１を表すスイッチング信号２１２はインバータ７１０によって受信される。一例では、スイッチング信号２１２は可能にされたサイクルの持続時間中に活性であり、それ以外では不活性であるデジタル信号であってもよい。一例では、論理ハイのデジタル信号が活性信号であり、論理ローの信号が不活性信号である。スイッチング信号２１２がハイであるとき、トランジスタＴ₂７１４のゲートはローであって電流が抵抗器Ｒ₁７１６、Ｒ₂７１８を通って流れることを可能にする。スイッチング信号２１２がローであるとき、トランジスタＴ₂７１４のゲートはハイであってトランジスタＴ₂７１４、Ｒ₂７１８を通って流れる電流を阻止する。

例示された例では、内部電圧源７０１から電流を引き落とすために電流源７１５がトランジスタＴ₁７２５に連結される。図示されるように、ローパス・フィルタ７２０がノードＡ７２１、トランジスタＴ₃７２２のゲートに連結されるノードＢ７２４、共通の戻り７３７に連結される。一例では、このローパス・フィルタは図示されるように連結されたキャパシタ７２７と抵抗器７２９を含む。動作時では、トランジスタＴ₂７１４のゲートがハイであるとき、抵抗器Ｒ₁７１６を横切る電圧降下Ｖ_R1７３１は抵抗器Ｒ₁７１６の抵抗値に対して比較的高い抵抗器７２９の抵抗値のせいで実質的にゼロである。

図示されるように、第１のグラフ７３３ａは電圧降下Ｖ_R1７３１を代表するＡＣ電圧波形を例示している。さらに特定すると、トランジスタＴ₂７１４のゲートがローであるときにＶ_R1MAXの大きさを伴う電圧降下が抵抗器Ｒ₁７１６を横切って生じ、トランジスタＴ₂７１４のゲートがハイであるときに実質的に０ボルトの電圧降下が抵抗器Ｒ₁７１６を横切って生じる。第２のグラフ７３３ｂは抵抗器Ｒ₃７２６を横切る電圧降下Ｖ_R3７３５を代表するＤＣ電圧波形を例示している。さらに特定すると、電圧降下Ｖ_R3はＡＣ電圧降下Ｖ_R1７３１の連続して平均化された値である。言い換えると、抵抗器Ｒ₃７２６を横切る実質的にＤＣの電圧Ｖ_R3７３５を時間の関数である電圧Ｖ_R1７３１から供給するためにローパス・フィルタ７２０が連結される。トランジスタ７２５、７２２は低電流密度で動作するようにサイズ決定される。その結果、トランジスタ７２５のゲートとソースとの間の電圧はトランジスタ７２２のゲートとソースとの間の電圧とほぼ同じである。したがって、図示された例では、ローパス・フィルタ７２０はスイッチング係数演算器３０２として効果的に機能する。一例では、スイッチング信号２１２がハイであるときにＶ_R1は値Ｖ_R1MAXを有し、スイッチング信号２１２がロー又は「不能状態」であるときにＶ_R1は実質的にゼロである。したがって、Ｎスイッチング・サイクルにおける平均電圧Ｖ_R3はＮで割り算され、かつＮスイッチング・サイクルにおける可能サイクルの数で掛け算されたＶ_R1MAXである。

図示されるように、電圧補償演算器７３０はサイズの整合したトランジスタＴ₄７３６とＴ₅７３８にそれぞれ連結された整合した抵抗器Ｒ₄７３２とＲ₅７３４を有する。内部電圧源Ｖ_INT７０２に連結された電流源７４０は電圧補償演算器７３０に電流Ｉを供給する。例示された例では、第２の電流源７４２は共通戻り７３７に連結され、電流源７４０の電流のうちの半分を通す。

一例では、殆どすべてのサイクルが不能にされるとスイッチング係数は実質的にゼロに等しく、トランジスタＴ₃７２２を通る電流は実質的にゼロに等しい。さらに、トランジスタＴ₄７３６と抵抗器Ｒ₄７３２を通る電流はトランジスタＴ₅７３８と抵抗器Ｒ₅７３４を通る電流と同じである。したがって、調整された電圧Ｖ_ADJ７４６は一定の基準電圧Ｖ_REF７４４と実質的に同じ値である。

他の例では、スイッチング係数ＳＣは０．５すなわち５０％であり、これは例えば電力スイッチ２０８がサイクルのセット数のうちの５０％について可能にされることを示す。スイッチング信号２１２がローである時間の間、抵抗器Ｒ₁７１６、Ｒ₂７１８を通る電流は実質的に流れない。反対に、スイッチング信号２１２がハイであるとき、抵抗器Ｒ₁７１６、Ｒ₂７１８を通って電流が流れ、抵抗器７１６を横切る電圧降下がある。この電圧降下は以下の式で決定される。

ここでＶ_R1は抵抗器Ｒ₁を横切る電圧降下であり、Ｖ_INT７０２は内部供給電圧７０２であり、Ｖ_GS1はトランジスタ７２５に付随するゲート−ソース間電圧であり、Ｖ_GS2はトランジスタ７１４に付随するドレイン−ソース間電圧である。

動作時では、共通戻り７３７に対するノードＣ７４１の電圧は抵抗器Ｒ₃７２６、Ｒ₄７３２を通って流れる付加的な電流に応じて調節される。さらに特定すると、抵抗器Ｒ₃７２６を通る電流の流れが増大すると抵抗器Ｒ₄を横切る電圧降下が増大し、これが共通戻り７３７に対するノードＣ７４１の電圧を上げる。Ｒ₃７２６を通る電流の流れが減少すると抵抗器Ｒ₄を横切る電圧降下が減少し、これが共通戻り７３７に対するノードＣ７４１の電圧を下げる。抵抗器Ｒ₅７３４を横切る電圧は電流源７４２によって一定に保たれ、かつノードＣ７４１の電圧が変化しているので、調整された電圧Ｖ_ADJ７４６はノードＣの電圧と同じ量で変化する。この実装によると、調整された電圧Ｖ_ADJ７４６は以下の式で表される。

Ｖ_ADJ＝Ｖ_REF＋Ｖ_R4−Ｖ_R5 （５）
ここでＶ_R4は抵抗器Ｒ₄７３２を横切る電圧降下であり、Ｖ_R5は抵抗器Ｒ₅７３５を横切る一定の電圧降下であり、Ｖ_REF７４４は共通戻り７３７に対する設定された基準電圧である。

一例では、スイッチング・ブロック２０１に含まれる比較器７５０は調整された電圧Ｖ_ADJ７４６を表す補償された基準電圧信号２１６を受信し、これを、出力電圧Ｖ_OUT１０６を表すフィードバック信号１２４と比較することにより、変化する配線電圧Ｖ_DIST１３２を補償して負荷電圧Ｖ_LOAD１３０の制限された変動を維持するように出力電圧Ｖ_OUT１０６を調節する。

図８は本発明の教示に従ってピーク電流限度を変えるために適応する図７の統合されたケーブル原因の電圧降下の補償器の改造例を例示する結線図である。図示されるように、抵抗器Ｒ₆８０１とトランジスタＴ₆８０２が含まれ、複数の電流限度を可能にするように連結される。例示された例では、電流調整信号Ｉ_ADJ２２２は電流制限端子８０４を経由してケーブル原因の電圧降下の補償器２０２によって受信される。一例では、電流調整信号Ｉ_ADJ２２２は複数の電流限度レベルに対応するためのアナログ信号であってもよい。他の例では、抵抗器Ｒ₂７１８とＲ₆８０１との間での複数の抵抗器の使用を通じて複数の信号が複数の電流限度レベルを指定することも可能であり、各々の追加的な抵抗器は電流調整信号を受信するトランジスタによって短絡され、それにより、トランジスタ又は抵抗器のどちらかが抵抗器Ｒ₂７１８内に電流を導く。図８に例示された例によると、電流調整信号Ｉ_ADJ２２２はトランジスタ８０２を「オフ」状態と「オン」状態との間で切り換えるデジタル信号である。さらに特定すると、電流調整信号Ｉ_ADJ２２２がハイであるときに抵抗器Ｒ₆が短絡され、電流限度は最大のピーク電流限度Ｉ_MAXにある。抵抗器Ｒ₁７１６を横切る電圧は図７に関して検討されたのと同じ方式で上記の式（４）を使用して計算される。

電流調整信号Ｉ_ADJ２２２がローであるとき、存在するピーク電流限度Ｉ_PEAKは最大のピーク電流限度Ｉ_MAXから下げられ、トランジスタ８０２は抵抗器Ｒ₁を横切る減少した電圧降下に結果としてつながる「オフ」である。抵抗器７１６Ｒ₁を横切る電圧は以下の式に基づいて計算される。

ここでＶ_R1は抵抗器Ｒ₁７１６を横切る電圧降下であり、Ｖ_INTは内部供給電圧７０２であり、Ｖ_GS1はトランジスタＴ₁に付随するゲート−ソース間電圧であり、Ｖ_GS2はトランジスタＴ₂に付随するドレイン−ソース間電圧である。上記の式に示されるように、抵抗器Ｒ₆８０１の追加的な抵抗のせいで電圧降下Ｖ_R1７３１は減少する。さらに特定すると、Ｖ_R1７３１は最大のピーク電流限度Ｉ_MAXからのピーク電流限度Ｉ_PEAKの減少に比例して減少させられる。したがって、調整された電圧Ｖ_ADJ７４６は式（６）のＶ_R1の値が式（４）のＶ_R1の値から減少させられるのと同じ割合で制限される。一例では、本発明の教示に従って上記で述べられた原理を使用して複数のピーク電流限度が追加されて実装されることも可能である。

前述の詳細な説明において、本発明の方法及び装置はその特定の例又は実施形態を参照して述べられてきた。しかしながら、本発明の一層広い精神及び範囲から逸脱することなく様々な改造及び変形が為され得ることは明らかであろう。したがって本明細書及び図面類は限定ではなく具体的例証と見なされるべきである。

１００ 電力変換器、１０２ 配線網、１０４ 負荷、１０５ 出力部、１０６ 出力電圧、１０９ 負荷電流、１１０ 入力部、１１４ エネルギー伝達素子、１１８ クランプ回路、１１９ 制御器、１２０ センサ、１２４ フィードバック信号、１３０ 調節された負荷電圧。

Claims (15)

1. 配線網に結合されるべき電力変換器のためのケーブル原因の電圧降下補償器であって、
   前記電力変換器の駆動信号を表わすスイッチング信号を、前記電力変換器のスイッチングブロックから受信するように構成されるとともに、前記スイッチング信号に基づいてスイッチング係数信号を決定して出力するように構成されたスイッチング係数演算器と、
   前記スイッチング係数信号を受信するように構成されるとともに、受信された前記スイッチング係数信号に基づいて計算された、ケーブル原因の電圧降下を補償するための補償された基準電圧信号を計算して出力するように構成された電圧補償演算器とを備え、スイッチングブロックは、制御方式に応じて前記電力変換器の電力スイッチをスイッチングすることによって、前記電力変換器の出力を調整するように構成され、前記電力変換器の前記電力スイッチを前記スイッチングすることは、入力電力源から前記電力変換器の前記出力へとエネルギーパルスを転送する、ケーブル原因の電圧降下補償器。
2. 前記電圧補償演算器は、前記スイッチング係数信号以外の可変外部信号には基づかずに前記補償された基準電圧信号を計算するように構成される、請求項１に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
3. 前記電圧補償演算器は、固定内部基準信号を用いて前記補償された基準電圧信号を計算するように構成される、請求項２に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
4. 前記スイッチング係数信号は、受信された前記スイッチング信号のみに基づいて決定される、請求項１に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
5. 配線網に結合されるべき電力変換器のためのケーブル原因の電圧降下補償器であって、
   前記電力変換器の駆動信号を表わすスイッチング信号を、前記電力変換器のスイッチングブロックから受信するように構成されるとともに、前記スイッチング信号に基づいてスイッチング係数信号を決定して出力するように構成されたスイッチング係数演算器と、
   前記スイッチング係数信号およびピーク電流限度調整信号を受信するように構成されるとともに、受信された前記スイッチング係数信号および受信された前記ピーク電流限度調整信号に基づいて計算されたケーブル原因の電圧降下を補償するための補償された基準電圧信号を計算して出力するように構成された電圧補償演算器とを備え、スイッチングブロックは、制御方式に応じて前記電力変換器の電力スイッチをスイッチングすることによって、前記電力変換器の出力を調整するように構成され、前記電力変換器の前記電力スイッチを前記スイッチングすることは、入力電力源から前記電力変換器の前記出力へとエネルギーパルスを転送する、ケーブル原因の電圧降下補償器。
6. 前記電圧補償演算器は、前記スイッチング係数信号および前記ピーク電流限度調整信号以外の可変外部信号には基づかずに前記補償された基準電圧信号を計算するように構成される、請求項５に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
7. 前記電圧補償演算器は、固定内部基準信号を用いて前記補償された基準電圧信号を計算するように構成される、請求項５に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
8. 前記スイッチング係数信号は、受信された前記スイッチング信号のみに基づいて決定される、請求項５に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
9. 前記ピーク電流限度調整信号は、前記電力変換器の複数の電流限度レベルのうちのどれが現在用いられているかを示す、請求項５に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
10. 前記スイッチング係数演算器は、前記スイッチング係数信号を生成するように結合されたローパスフィルタを含む、請求項１または請求項５に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
11. 前記補償された基準電圧信号は、前記配線網にわたる配線電圧と、前記配線網に結合された負荷にわたる負荷電圧との和を表わす、請求項１または請求項５に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
12. 前記スイッチング信号は、スイッチング期間にスイッチングイベントが行なわれたか否かを示すオン／オフ制御スキームのスイッチング信号である、請求項１または請求項５に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
13. 前記スイッチング係数信号は、最大の供給可能負荷電流によって分割された、電力スイッチの負荷電流を表わす、請求項１または請求項５に記載のケーブル原因の電圧降下補償器。
14. 配線網に結合されるべき電力変換器のためのコントローラであって、
    前記電力変換器の出力を調整するようにスイッチのスイッチングを制御するための駆動信号を出力するスイッチング制御回路と、
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載のケーブル原因の電圧降下補償器とを備える、コントローラ。
15. 電力変換器であって、
    入力電圧に結合されるべき入力と、
    配線網に結合されるべき出力と、
    請求項１４に記載のコントローラと、
    前記コントローラによって制御されて、前記電力変換器の出力を調整するためのスイッチとを備える、電力変換器。