JP6047287B2

JP6047287B2 - 被変調電源ステージおよび電源電圧を生成するための方法

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Description

本発明は被変調電源ステージに関し、詳細には、低周波スイッチ電源の選択を制御するための入力が提供されるようにフィードバックループが接続されるステージに関する。フィードバックは、低周波スイッチ電源ステージの出力から提供することができ、あるいは高周波修正ステージの出力から提供することができる。

包絡線トラッキング（ＥＴ）ならびに包絡線除去および回復（ＥＥＲ）により、電力増幅器動作の効率、詳細には、大きい波高率を有する直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）などの信号を使用した電力増幅器動作の効率を著しく改善することができることは当業者に知られている。しかしながら、これらの技法には大きい電力および広い帯域幅が必要であり、そのため、これらの技法の適用には大きな困難が伴うことも同じく知られている。これらの困難は、とりわけ、離散コンポーネントの数を最少化しなければならず、また、磁場が大きくなること（ｌａｒｇｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｓ）を回避しなければならない携帯型無線端末に適用する場合に侮り難いものになる。

一見単純な解決法は、変調器を高速応答線形レギュレータにすることであろう。しかしながら、この解決法は、電力増幅器が浪費する電力を線形レギュレータが浪費する電力に単純に置き換えているにすぎず、したがって効率の正味の改善には寄与していない。

効率を少しでも改善するために、スイッチモード電源の後段に低ドロップアウト（ＬＤＯ）高速応答線形レギュレータを備えたいくつかの従来技術の実施態様が知られている。これにより、スイッチモード動作に固有の誤差が除去される。しかしながら、これは、平方自乗平均（ＲＭＳ）誤差より著しく大きくなり得るスイッチモード誤差のピークを許容するだけの十分な範囲が線形レギュレータになければならない点で問題である。これは、ＬＤＯにおける大きな持続的散逸（ｓｔａｎｄｉｎｇｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）の原因になっている。

ＧＢ２３９８６４８に開示されている技法は、この問題を著しく改善している。図１は、この実施態様を示したものである。図１には、有効な電力変換手段として使用されている典型的なスイッチモード電源の図が示されている。これは一例として示したものであり、本発明は、このタイプのトポロジーに限定されないことに留意されたい。

ＤＣ−ＤＣスイッチ電源１０２に入力ライン１１８から提供された基準波形は、フィルタ回路網１０４によってフィルタリングされた後、必要波形に近似される。

フィルタは、磁気エネルギーを蓄積するためのインダクタ１０６、および電気エネルギーを蓄積するためのコンデンサ１０８を備えている。真の合計を与えることができる変圧器１１０が使用されており、例えば信号を加算および減算して、修正増幅器１１４からの平均修正値をゼロに設定することにより、大きな持続的散逸を除去することができる。変圧器の出力は、負荷１１２に出力を提供する。

変圧器１１０の出力は、修正増幅器１１４に入力を提供するためにフィードバックされており、修正増幅器１１４は、もう１つの入力としてライン１１６上で基準信号を受け取る（この基準信号は、ライン１１８の基準信号と同じ信号源であっても、あるいはそれから誘導されたものであってもよい）。変圧器は、スイッチ電源電圧と修正増幅器の出力とを結合し、修正された出力電圧を提供する。

図１の構成が抱えている潜在的な問題は、変圧器の望ましくないインダクタンスを介した修正電流の分流を防止するために、変圧器１１０に大きい自己インダクタンスを持たせなければならないことである。これは、一般的には大きいフェライトコアを使用しなければならないことを意味している。これは、無線インフラストラクチャ実施態様の場合には許容可能であるが、携帯型送受話器実施態様の場合、あるいはサイズが制限される可能性のあるあらゆる実施態様にとっては、これを許容することはとりわけ困難である。

図１の電源ステージは、極めて効率的な動作が可能であるが、この回路が切り替えることができるのは、２つのレベルの間のみであり、中間レベルは、エネルギー蓄積要素であるインダクタ１０６およびコンデンサ１０８のフィルタリング作用によってのみ得ることができる。

低周波出力の場合（周波数がスイッチング周波数よりはるかに低い場合）、この構造は、トラッキングを実施することは可能であるが、この回路が提供することができるトラッキングは、高い周波数では不十分になることがある。また、高い周波数では、今後、スイッチング関連製品の実質的なブレークスルーがある。前記電力変換回路が変調器として使用される場合、エネルギー蓄積要素が、何らかの周波数で負荷に対して大きいインピーダンスを示すことになる並列共振タンクを形成する。

図２は、この効果を示したものである。急激に変化する電流需要に対するエネルギー蓄積要素の反作用により、電力増幅器部分に波形２０４が生成されている。これは、望ましい波形２０２と比較すると、大きく誤ったトラッキングを示している。また、出力インピーダンスが大きいため、負荷が不安定になることもある。

従来技術によるスイッチモード変調器の例については、米国特許第５９０５４０７号、第６０５４９１４号、第６１９８３７４号、第６３００８２６号、第６５８３６６４号、第６６６１２１０号、第６６６１２１７号、第６７１０６４６号、第６７９２２５２号および米国特許出願第２００２／０００８５７４号を参照されたい。

本発明の目的は、改良型被変調電源ステージを提供することである。

本発明の一態様では、所望の電源電圧を表す基準信号に応じて複数の電源電圧のうちの１つを選択するための選択手段と、調整された電源電圧を生成するために、選択された電源電圧と修正信号とを結合するための結合手段と、基準信号および調整された電源電圧に応じて修正信号を生成するように適合された調整手段とを備えた電圧供給段であって、選択手段が、結合手段への入力のうちの１つから誘導される信号にさらに応じて複数の電源電圧のうちの１つを選択するようになされた、電圧供給段が提供される。

結合手段へ選択された電源電圧および修正信号を結合する信号が入力される。選択された電源電圧は選択手段の出力であって、スイッチ電圧電源であることが好ましい。修正信号は調整手段の出力である。

結合手段への入力のうちの１つから誘導される信号は、選択手段の出力であってもよい。
結合手段への入力のうちの１つから誘導される信号は、調整手段の出力であってもよい。

フィードバック制御段は、結合手段への入力のうちの１つから誘導された信号を選択手段に提供することができる。フィードバック制御段は、第１の入力として基準信号を受け取り、また、第２の入力として結合手段への入力のうちの１つを受け取るように適合させることができ、さらに、調整された基準信号を選択手段に提供するために、結合手段への入力のうちの１つに応じて基準信号を調整するように適合させることができる。

一実施形態では、フィードバック制御段は、基準信号から選択手段の出力を減算するための減算器と、減算された信号を受け取り、かつ、修正された出力を生成するための比例−積分（ＰＩ）コントローラと、ＰＩコントローラの修正された出力を基準信号に加算し、調整された基準信号であるフィードバック制御段の出力を形成するための加算器とを備えることができる。

別の実施形態では、フィードバック制御段は、調整手段の出力を受け取り、かつ、修正された出力を生成するための比例−積分（ＰＩ）コントローラと、ＰＩコントローラの修正された出力を基準信号に加算し、調整された基準信号であるフィードバック制御段の出力を形成するための加算器とを備えることができる。

結合手段はインダクタを備えていることが好ましく、また、調整手段は電圧−電流変換器を備えていることが好ましく、選択された電源電圧によって提供されるインダクタに流れる電流を調整するために、修正信号を表す電流がインダクタの第２の端子に注入され、このようにして調整された電流がインダクタの第２の端子に接続されている負荷に流れ、それにより、前記負荷の両端間に調整された電源電圧が展開する。

電圧供給段は、修正基準信号を提供するために、基準信号を調整するための基準調整段を備えていることが好ましい。選択手段は、修正基準信号に応じて選択するように適合させることができる。フィードバック制御手段は、修正基準信号に応じて、結合手段への入力のうちの１つから誘導される信号を提供するように適合させることができる。

基準調整段は、基準信号の振幅と選択された電源電圧の振幅の差に応じて基準信号の振幅を調整するための手段を備えることができる。基準信号の振幅を調整するための手段は、基準信号と選択された電源電圧の間の振幅誤差を決定するための相関器と、前記誤差に応じて基準信号を修正するための振幅調整ブロックとを含むことができる。基準調整段は、結合手段に流れる電流を最大化し、それにより調整手段に流れる電流を最小化するために、結合手段に流れる電流を制御するための手段を備えることができる。

電流の流れを制御するための手段は、インダクタに流れる電流を決定し、かつ、その決定に応じて、基準信号を受け取り、その微分バージョンを生成するようになされた微分器の係数を修正するための制御信号を提供するための相関器を含むことができる。微分器は、振幅調整された基準信号を入力として受け取り、微分された、振幅調整された基準信号を生成するように構成することができ、基準調整段は、さらに、振幅調整された基準信号と、微分された、振幅調整された基準信号とを加算して修正基準信号を形成するための加算器を備えている。

移動無線デバイスのためのトラッキング被変調電源ステージには、定義されている電圧供給段が含まれていることが好ましい。

また、本発明の一態様では、電源電圧を生成するための方法であって、所望の電源電圧を表す基準信号に応じて、複数の電源電圧のうちの１つを選択するステップと、調整された電源電圧を生成するために、選択された電源電圧と修正信号とを結合するステップと、基準信号および調整された電源電圧に応じて修正信号を生成するステップと、結合ステップへの入力信号のうちの１つをフィードバック信号として提供するステップとを含み、選択ステップが、フィードバック信号に応じて複数の電源電圧のうちの１つを選択するようにさらになされた方法が提供される。

提供ステップは、選択手段の出力をフィードバック信号として提供することができる。提供ステップは、調整手段の出力をフィードバック信号として提供することができる。
この方法は、さらに、結合手段への入力のうちの１つから誘導された信号を選択手段に提供するためにフィードバック信号を制御するステップを含むことができる。

フィードバックを制御するステップは、第１の入力として基準信号を受け取り、また、第２の入力として結合ステップへの入力のうちの１つを受け取るステップと、調整された基準信号を選択ステップに提供するために、結合ステップへの入力のうちの１つに応じて基準信号を調整するステップとを含むことができる。

フィードバックを制御するステップは、基準信号から選択手段の出力を減算するステップと、減算された信号を受け取り、かつ、比例−積分（ＰＩ）修正出力を生成するステップと、調整された基準信号を形成するために修正出力を基準信号に加算するステップとを含むことができる。

フィードバックを制御するステップは、調整手段の出力を受け取り、かつ、比例−積分（ＰＩ）修正出力を生成するステップと、調整された基準信号を形成するために修正出力を基準信号に加算するステップとを含むことができる。

結合手段はインダクタを備えることができ、また、調整手段は電圧−電流変換器を備えることができ、この方法は、さらに、選択された電源電圧によって提供されるインダクタに流れる電流を調整するために、修正信号を表す電流をインダクタの第２の端子に注入するステップを含むことができ、このようにして調整された電流がインダクタの第２の端子に接続されている負荷に流れ、それにより、前記負荷の両端間に調整された電源電圧が展開する。

この方法は、さらに、修正基準信号を提供するために基準信号を調整するステップを含むことができる。
選択ステップは、修正基準信号に応じて選択するように適合させることができる。

制御ステップは、修正基準信号に応じて、結合ステップへの入力のうちの１つから誘導される信号を提供するように適合させることができる。
調整ステップは、基準信号の振幅と選択された電源電圧の振幅の差に応じて基準信号の振幅を調整するステップを含むことができる。

基準信号の振幅を調整するステップは、基準信号と選択された電源電圧の間の振幅誤差を決定するステップと、前記誤差に応じて基準信号を修正するステップとを含むことができる。
調整ステップは、結合手段に流れる電流を最大化し、それにより調整手段に流れる電流を最小化するために、結合手段に流れる電流を制御するステップを含むことができる。

電流の流れを制御するステップは、インダクタに流れる電流を決定するステップと、その決定に応じて微分器の係数を修正するための制御信号を提供するステップとを含むことができ、微分器は、基準信号を受け取り、その微分バージョンを生成するように構成される。

この方法は、さらに、振幅調整された基準信号を入力として微分器で受け取るステップと、微分された、振幅調整された基準信号を生成するステップとを含むことができ、調整ステップには、さらに、修正基準信号を形成するために、振幅調整された基準信号と、微分された、振幅調整された基準信号とを加算するステップが含まれている。

他の態様では、本発明により、第１の電圧信号と第２の電圧信号を結合して結合電圧信号を提供するための結合器であって、第１の電圧信号に接続された第１の端子を有するインダクタと、第２の電圧端子に接続された負荷と、入力部分で第２の電圧信号を受け取り、かつ、第２の電圧信号を表す電流を出力部分に生成するための変換手段であって、その出力がインダクタの第２の端子に接続された変換手段とを備え、結合された第１および第２の電圧を表す電流が負荷に生成され、したがって結合された電圧信号が負荷の両端間に展開する結合器が提供される。

結合器は、さらに、インダクタの第２の端子に接続されたコンデンサを備えることができ、インダクタとコンデンサが相俟って、結合された信号のためのＬ−Ｃフィルタを形成する。

変換手段は電圧−電流変換器であってもよい。
負荷は電力増幅器であってもよく、また、結合された電圧は、電力増幅器のための電源電圧である。
被変調電圧電源は、定義されている結合器を備えることができ、また、さらに、基準信号に応じて複数の電源電圧のうちの１つを選択するための選択手段を備えることができ、選択された電源は第１の電圧信号であり、変換手段は、基準信号に応じた第２の電圧信号および結合された電圧信号を備えた修正信号を生成するための調整手段である。

また、本発明の一態様では、第１の電圧信号と第２の電圧信号を結合して結合電圧信号を提供するための方法であって、第１の電圧信号をインダクタの第１の端子に接続するステップと、負荷をインダクタの第２の端子に接続するステップと、第２の電圧信号を該第２の電圧信号を表す電流に変換するステップと、第２の電圧信号を表す電流をインダクタの第２の端子に提供するステップとを含み、結合された第１および第２の電圧を表す電流が負荷に生成され、したがって結合された電圧信号が負荷の両端間に展開する方法が提供される。

第２の電圧信号を表す電流をインダクタの第２の端子に提供するステップは、インダクタの第２の端子に電流を注入するステップを含むことができる。
本発明の他の態様では、本発明により、所望の電源電圧を表す基準信号に応じて複数の電源電圧のうちの１つを選択するための選択手段と、選択された電源電圧と修正信号を結合し、調整された電源電圧を生成するための結合手段と、基準信号および調整された電源電圧に応じて修正信号を生成するように適合された修正手段と、基準信号の振幅と選択された電源電圧の振幅の差に応じて基準信号の振幅を調整するための調整手段と、結合手段に流れる電流を制御して該結合手段に流れる電流を最大化し、それにより修正手段を流れる必要のある電流を最小化するための微分手段とを備えた電圧供給段が提供される。

調整手段は、基準信号と選択された電源電圧の間の振幅誤差を決定するための相関器と、前記誤差に応じて基準信号を修正するための振幅調整ブロックとを含むことができる。
結合手段に流れる電流を制御して該結合手段に流れる電流を最大化し、それにより修正手段に流れる電流を最小化するための手段は、インダクタに流れる電流を決定し、かつ、その決定に応じて微分器の係数を修正するための相関器を含むことができる。

振幅調整ブロックは、基準信号を受け取って、振幅調整された基準信号を生成することができ、微分器は、振幅調整された基準信号を受け取って、その微分バージョンをその出力に生成し、また、加算器は、振幅調整された基準信号と修正された微分基準信号を加算し、被変調電源ステージで使用される基準信号を提供する。

また、この他の態様では、本発明により、被変調電源電圧を生成するための方法であって、所望の電源電圧を表す基準信号に応じて複数の電源電圧のうちの１つを選択するステップと、調整された電源電圧を生成するために、選択された電源電圧と修正信号を結合するステップと、基準信号および調整された電源電圧に応じて修正信号を生成するステップと、基準信号の振幅と選択された電源電圧の振幅の差に応じて基準信号の振幅を調整するステップと、結合手段に流れる電流を最大化し、それにより修正手段を流れる必要のある電流を最小化するために、結合手段に流れる電流を微分によって制御するステップとを含む方法が提供される。

調整ステップは、基準信号と選択された電源電圧の間の振幅誤差を決定するステップと、前記誤差に応じて基準信号を修正するステップとを含むことができる。
結合手段に流れる電流を最大化し、それにより修正手段に流れる電流を最小化するために結合手段に流れる電流を制御するステップは、インダクタに流れる電流を決定するステップと、決定ステップに応じて微分器の係数を修正するステップとを含むことができる。

振幅調整ブロックは、基準信号を受け取って、振幅調整された基準信号を生成することができ、微分器は、振幅調整された基準信号を受け取って、その微分バージョンをその出力に生成することができ、また、加算器は、振幅調整された基準信号と修正された微分基準信号を加算し、被変調電源ステージで使用される基準信号を提供する。
定義されている、あるいは以下の説明の中で考察されている本発明のすべての態様および特徴は、個々に、あるいは任意の組合せで実施することができる。
以下、本発明について、一例として添付の図を参照して説明する。

従来技術による低周波スイッチ電源および高周波誤差修正を含んだ被変調電源ステージを示す図である。図１などの従来技術の構造が抱えている問題を示す図である。本発明の第１の例示的実施形態による被変調電源ステージにおける改善を示す図である。第１の実施形態の好ましい実施態様に対する変形例を示す図である。第１の実施形態の好ましい実施態様に対する他の変形例を示す図である。本発明の第２の実施形態の一例示的実施態様を示す図である。本発明の実施形態の一例示的実施態様を示す図である。

以下、本発明について、一例として本発明を様々な実施形態で応用したものを参照して説明する。本発明の範囲は、何らかの特定の実施形態の実施詳細の細目に限定されないことは当業者には理解されよう。

本発明による広義の原理は、追加フィードバック経路を提供することである。フィードバック経路は、スイッチ電源に入力を提供する。

フィードバック経路の準備は、２つの広義の実施形態のうちの１つに基づいている。第１の広義の実施形態では、フィードバック経路は、スイッチ電源の出力、すなわち粗経路の出力を起点としている。第２の広義の実施形態では、フィードバック経路は、修正経路の出力を起点としている。したがって、スイッチ電源と修正信号を結合するための結合器段への入力から誘導される入力がスイッチ電源ステージに提供される。このフィードバックによって低周波数における誤差が小さくなり、したがって結合器段の帯域幅を狭くすることができる。

以下、図３を参照して、第１の広義の実施形態の実施態様のための第１の構造について説明する。添付の図において、他の図に示されている要素に対応する要素には、すべて同様の符号が使用されている。

全体的に符号３００で示されている図３の被変調電源ステージは、スイッチ電源ステージ３０２、スイッチ電源コントローラ３０４、修正増幅器３１０、結合器段３０８、フィードバック制御段３０６、コンデンサ３１２および負荷３１４を備えている。

図３の被変調電源ステージ３００は、入力ライン３１６上に提供される基準信号に応じて、負荷３１４への出力ライン３１８上に被変調電源を提供する。負荷３１４は電力増幅器であってもよい。

スイッチ電源コントローラ３０４は、フィードバック制御段３０６から入力信号を受け取る。スイッチ電源コントローラ３０４は、フィードバック制御段３０６からの信号に応じてスイッチ電源３０２を制御し、ライン３２０上にスイッチ電源出力を提供する。ライン３２０上のスイッチ電源出力は、結合器段３０８に第１の入力を提供する。

フィードバック制御段３０６は２つの入力を受け取り、第１の入力は、ライン３２０上のスイッチ電源ステージ３０２の出力からライン３２２上に提供され、また、第２の入力は、入力ライン３１６上の基準信号によって提供される。フィードバック制御段３０６は、スイッチ電源コントローラ３０４に修正入力を提供するために、受け取った基準信号をフィードバック信号に応じて調整するように動作する。

結合器段３０８への第２の入力は、修正増幅器３１０の出力によって提供される。修正増幅器３１０は、第１の入力としてライン３１６上の基準信号を受け取り、また、第２の入力として、ライン３１８上の結合器段３０８の出力からなるライン３２４上のフィードバック信号を受け取る。

任意選択のコンデンサ３１２は、出力ライン３１８と接地の間に接続されている。

第１の実施形態による図３の構造例では、結合器段３０８は変圧器として実施されている。変圧器は、第１の巻線３４０および第２の巻線３４２を有している。第１の巻線３４０の第１のタップは、ライン３２０上のスイッチ電源ステージ３０２の出力に接続されている。第１の巻線３４０の第２のタップは、ライン３１８上に出力信号を提供する。

第２の巻線３４２の第１のタップは、修正増幅器３１０の出力を受け取るように接続されている。第２の巻線３４２の第２のタップは接地に接続されている。変圧器は、このようにしてスイッチ電源の出力と修正増幅器の出力を結合し、修正されたスイッチ電源をその出力に生成する。

フィードバック制御段３０６は、ライン３１６上の基準信号の改良型バージョンをスイッチ電源コントローラ３０４の入力に提供するために、スイッチ電源の出力からのライン３２２上でのフィードバックを利用するように動作する。フィードバック制御段３０６には、減算器３２６、加算器３３０およびＰＩ制御ブロック３２８が含まれている。

減算器は、一方の入力としてライン３１６上の基準信号を受け取り、また、もう一方の入力として３２２上のフィードバック信号を受け取る。ライン３１６上の基準信号からライン３２２上のフィードバック信号が減算され、ＰＩ制御ブロック３２８に入力が提供される。ＰＩ（比例−積分）コントローラの実施態様は、当分野でよく知られている。

ＰＩ制御ブロック３２８の出力は、加算器３３０への第１の入力を形成しており、加算器３３０への第２の入力は、ライン３１６上の基準信号によって提供される。加算器は、ＰＩ制御ブロック３２８の出力を基準信号３１６に加算し、フィードバック制御段３０６の出力として、スイッチ電源コントローラ３０４のための修正された基準信号を生成する。加算器３３０は、フィードフォワード要素をフィードバック制御に加えており、これは、振幅が大きい信号を取り扱う場合に必要である。

フィードバック制御段３０６は、レベルの差を減算手段３２６を使用して知覚することによって動作する。減算器３２６からの出力レベルがＰＩ制御ブロック３２８によって知覚され、かつ、両方のレベルが可能な限り近くなるよう、スイッチ電源コントローラ３０４に対する入力レベルに低速調整トリムを提供するために使用される。

ライン３２２上のスイッチ電源ステージ経路に提供されるフィードバックにより、ライン３２０上のスイッチ電源出力中の低周波誤差が除去されるため、他のいかなる方法で可能であるよりも小さいデバイスとして結合器段３０８を実施することができる。

スイッチ電源コントローラ３０４は、適切な電源電圧が選択されるよう、当分野で知られている技法に従ってスイッチ電源を制御する。スイッチ電源コントローラは、その入力ライン上の信号に従ってスイッチ電源３０２を制御し、その信号は、図に示されている構造の場合、フィードバック制御段３０６の出力によって提供される。

修正構造では、結合器段３０８は、変圧器としてではなく、インダクタとして実施されている。図４は、この修正実施態様を示したものである。
図４に示されているように、結合器段３０８は、スイッチ電源ステージ３０２の出力ライン３２０に接続された第１の端子を有するインダクタ４０２を備えている。インダクタ４０２の第２の端子は、ライン３１８上に出力信号を提供する。

結合器段３０８をインダクタとして実施することにより、結合機能を達成するための追加修正が提供される。図３の修正増幅器３１０は、図４の修正増幅器４１０に置き換えられている。修正増幅器４１０は、出力ライン３１８に接続されているインダクタ４０２の端子に電流を注入する電流出力をライン４１２上に提供する。これにより、ライン３１８上に修正被変調電源電圧を得るために修正信号とスイッチ電源信号を結合する機能が提供される。

図４の例示的構造のインダクタ４０２は２つの機能を有している。第１に、インダクタは、スイッチ電源信号と修正（すなわち調整）信号を結合している。第２に、インダクタ４０２は、コンデンサ３１２と結合して、図１のインダクタ１０６およびコンデンサ１０８によって提供されるＬ−Ｃフィルタを提供することができる。

ＧＢ２３９８６４８の構成と比較すると、インダクタ４０２の磁化または自己インダクタンスは、図３の変圧器構造の場合のように望ましくはないが必要な追加手段としてではなく、回路機能の一部として使用されている。図１に示されているＬ−Ｃ構造が提供される場合、インダクタ１０６はインダクタ４０２を実施することができ、また、コンデンサ１０８はコンデンサ３１２を実施することができる。したがって結合器は既存の回路を使用して実施される。これは、出力結合回路の帯域幅要求事項が著しく緩和されることを示唆している。

図３のアーキテクチャと図４のアーキテクチャの間のもう１つの重大な相違は、出力電流のほとんどが、修正増幅器によって提供されるのではなく、スイッチ電源ステージによってインダクタ４０２を介して分流されることである。

一般に、図４を参照すると、スイッチ電源３０２は、ライン３１６上の基準信号電圧に対応するスイッチ電源を選択するために、スイッチ電源制御ブロック３０４の制御の下で１組の電圧の間を切り替えている。修正増幅器４１０は、調整すなわち修正信号を電流として提供しており、この電流が、ライン３１８上のインダクタ４０２の出力に流れる、スイッチ電源電圧を表す電流に追加される。ライン３１８上の調整された電流は、負荷３１４のための調整された電源電圧を展開する。

図４の追加要素は、図３の構造の動作を改善するための好ましい要素として提供される。電流注入修正増幅器を備えたインダクタとしての結合器段３０８の実施態様は、ライン３２２上に提供されるフィードバックには無関係である。この構造は、場合によっては、スイッチ電源ステージのためのフィードバックの準備には無関係に有利に実施することができる。

図５を参照すると、一例示的構造におけるさらに他の修正が示されている。図５を参照すると、図５に示されている被変調電源ステージ５００は、基準調整段４０３を追加で備えている。

基準調整段は、入力としてライン３１６上の基準信号を受け取るように適合されている。基準調整段４０３は、追加として、ライン４１２上の修正増幅器４１０の出力から誘導された、ライン４１６上のフィードバック信号である入力をさらに受け取る。基準調整段４０３は、フィードバック制御段３０６への入力を形成する出力を生成する。図５の構造の場合、フィードバック制御段３０６は、ライン３１６上の基準信号を直接入力として受け取る代わりに、基準調整段４０３の出力として提供される、このような基準信号の修正バージョンを受け取る。

基準調整段４０３には、振幅調整ブロック４０４、微分器ブロック４０６、加算器４０８、相関器４１１および２つの積分器４１３、４１４が含まれている。

相関器４１１は、第１の入力としてライン３１６上の基準信号を受け取り、また、第２の入力としてライン４１６上の修正増幅器４１０の出力を受け取る。相関器は２つの出力を生成する。第１の出力は、積分器４１３を介して振幅調整ブロック４０４に提供される。第２の出力は、積分器４１４を介して微分器ブロック４０６に提供される。

振幅調整ブロックは、相関器４１１の積分された第１の出力とは別に、入力としてライン３１６上の基準信号を受け取る。微分器ブロック４０６は、第１の入力として振幅調整ブロック４０３の出力を受け取り、また、第２の入力として相関器４１１の第２の積分された出力を受け取る。加算器４０８は、第１の入力として振幅調整ブロック４０４の出力を受け取り、また、第２の入力として微分器ブロック４０６の出力を受け取る。加算器４０８の出力は、基準調整段４０３の出力を形成しており、フィードバック制御段３０６への入力を提供する。

相関器４１１は、ライン３１６上の基準信号電流と、ライン４１６上の修正増幅器４１０によって提供される電流とを相関させる。相関器４１１は、両方の入力信号が相関すると正の出力を提供し、また、両方の入力信号が相関していない場合、負の出力を提供する。相関器の入力に存在する別様に形状化されたフィルタ応答の選択に応じて、相関器４１１から２つの出力が生成される。したがって相関器は、図には示されていない手段によって、その入力信号が２組のフィルタのうちの一方に印加されるように制御される。

微分器４０６は、相関器入力のフィルタ応答が帯域通過応答を有するように選択されると、相関器によって制御される。振幅調整ブロック４０４は、相関器入力のフィルタ応答が低域通過応答を有するように選択されると、相関器によって制御される。したがって相関器は２つの出力を生成し、それらの出力が積分器４１３および４１４への入力を形成している。

積分器４１４は相関器の出力を積分し、積分器４１４による制御された方法での微分器４０６の微分器係数の操作を可能にしている。
基準調整段４０３は二重機能を提供する。第１の機能は微分器４０６によって提供され、また、第２の機能は振幅調整ブロック４０４によって提供される。

通常、微分器４０６は、インダクタ４０２を通って流れる電流が最大になるように動作する。微分器４０６がこのように動作することにより、以下でさらに詳細に説明するように、修正増幅器４１０に引き渡す必要のある電流が最小化される。

通常、振幅調整ブロック４０４は、以下でさらに詳細に説明するように、振幅を修正して修正増幅器をより容易に動作させることができるようにするために、修正増幅器４１０の要求事項を最小化するように動作する。

インダクタ４０２の第１の端子の電圧は、ａ_１＋ｂ．ｄｘ／ｄｔで近似することができるスイッチ電源３０２の出力であり、上式でａ_１は変調器の望ましい信号出力、ｄｘ／ｄｔは時間微分修正信号、ｂは時間微分修正信号の振幅である。

インダクタの第２の端子の電圧は、望ましい変調器出力であるａ_２で表すことができる電圧信号の可能な限り近くに維持されるよう、修正増幅器の作用によって修正される第１の端子の電圧である。

微分器４０６は、負荷に引き渡される電圧信号の振幅成分ｂを制御するように動作する。相関器４１１は、インダクタ４０２に流れる電流に関する情報を微分器４０６に提供する。電圧レベルｂが適切なレベルであることを保証するために、この電流情報に基づいて微分器の係数が調整される。次に、ブロック４０６における微分が変更される。したがって微分器は、望ましい電圧により近づくように信号を改善している。

微分器４０６が存在しない場合、スイッチ電源フィードバック経路のため、インダクタ４０２を通って直流電流が流れることになる（交流電流は流れない）。微分器４０６は、直流電流が流れるだけではなく、電流の大部分がインダクタ４０２を通って流れることを保証するために提供される。

電流相関器４１１は、修正増幅器４１０によって提供される交流電流と、ライン３１６上の基準信号の交流成分とを乗算している。基準信号の時間微分が低すぎる場合、修正増幅器電流は相関している。微分項が高すぎる場合、２つの信号の間には相関は存在していない。これを使用して、測定された負荷電流と微分項の間の連係を調整することができる。第二次数項は調整する必要はない。

微分器４０６などの微分器の実施態様および微分器係数の適合は、当業者に知られている。
性能を改善するための微分器４０６の動作については、以下の通りにさらに理解することができる。

スイッチ電源３０２は一次トラッキング要素として使用され、修正増幅器４１０は、微調整すなわち微修正を実施する。スイッチ電源３０２は、フィードバック経路３２２に基づく改良型トラッキングのための閉ループを実行している。若干の残留誤差がスイッチ電源の出力に依然として存在している可能性がある。修正増幅器は、スイッチング電源の出力に存在するこの残留誤差を除去するもう１つの閉ループを提供する。修正増幅器によって高周波誤差を除去することはできるが、インダクタ４０２の自己インダクタンスの効果が無効になるため、低周波修正は、その有効性が損なわれている。しかしながら、スイッチ電源ループは、低い周波数でより大きいループ利得を有しており、したがってより低い周波数における修正を省略することができる。

基準調整段４０３は、両方のフィードバックループがインダクタ４０２の両側を強制的に等しくする場合に生じる問題に対処する。これは、インダクタ４０２の両端間の電圧を強制的にゼロにすることになる。その結果、修正増幅器４１０は、インダクタ４０２に流れる電流のうちのすべての交流部分をソースしなければならないことになる。

インダクタ４０２を介して交流電流を強制的に流すためには、インダクタ４０２の両端間の電圧を、インダクタンスにインダクタ４０２を通って流れる電流の時間微分を乗じたものと等しくしなければならない。インダクタ４０２を通って流れる電流は、負荷３１４を通って流れる電流であり、定義により、包絡線トラッキング変調器の電圧出力は、この電流に従わなければならない。したがってスイッチ電源３０２への入力が時間微分項ならびに変調信号に従っている場合、スイッチ電源３０２は、直流電流に加えて交流電流の大部分を供給することができ、したがって修正増幅器４１０が引き渡さなければならない電力を小さくすることができる。

出力部分に接続されているコンデンサ３１２は、インダクタ４０２の両端間の電圧の成分を、印加される変調電圧の第二次微分に等しくする。これは、理想的には、スイッチ電源３０２に印加される信号は、第１および第２の微分項を有していなければならないことを意味している。第２の微分項は、使用されるインダクタおよびコンデンサの値によって固定されるが、第１の微分は、負荷３１４によって引き出される電流の関数でもある。したがって負荷電流の何らかの測度が必要であり、微分項はこの負荷電流と連係している。

負荷電流とこの微分項の間の連係は、上で説明したように相関器４１１によって確立される。
振幅調整ブロック４０４は、インダクタ４０２の両端間の直流信号の振幅がゼロであること、つまりインダクタの２つの端子の振幅がゼロであることを保証するように動作する。

したがって振幅調整ブロック４０４は、ａ_１とａ_２が等しくなるように試行するべく動作する。ａ_１とａ_２が等しくなると、インダクタの第２の端子に展開する、負荷に引き渡すための電圧信号は、成分ｂ．ｄｘ／ｄｔによってのみ提供される。
このような目的が達成されると、修正増幅器は振幅修正を提供する必要はなく、修正増幅器の作業負荷が軽減される。

基準調整段４０３は、これらの性能目的を達成するために提供される。
インダクタの端子部分の潜在的な振幅不平衡は、スイッチ電源３０２からの出力と、ライン３１６上の修正増幅器４１０の入力に現れる基準信号との間の潜在的な振幅不平衡によるものである。このような振幅不平衡は、とりわけ低い周波数で大きな電流がインダクタ４０２に流れる原因になる。低周波数におけるフィードバック制御段３０６への入力をライン３０２上のスイッチ出力に強制的に等しくする振幅調整ブロック４０４はこの問題に対処しており、したがってインダクタの端子部分に展開する電圧は整合している。

振幅調整ブロック４０４は、振幅誤差を表す相関信号に応じて、ライン３１６上の基準信号の振幅を調整している。相関信号は、積分器４１３を介して相関器４１１から提供される。したがって、加算器４０８への入力として、また、微分器４０６への入力として、振幅調整された基準信号が振幅調整ブロック４０４によって提供される。

基準調整段４０３によって提供される制御機能は、有利には、結合器段３０８がインダクタとして実施されるかどうかには無関係である。
基準調整段４０３の二重機能は、次のように要約することができる。
相関器の一方の出力が、振幅調整ブロック４０４によって、微分器に提供され、かつ、基準調整段の出力として提供される信号の振幅を制御するために使用される。

相関器のもう一方の出力が、微分器によって、インダクタを通って流れる電流を制御して、修正増幅器がインダクタのための電流を提供しなければならない状態を回避するために使用される。

次に、図６を参照して、本発明の第２の広義の実施形態の実施態様のための一例示的構造について説明する。

図６に関しては、図５の構造が、フィードバック制御段３０６へのフィードバックがスイッチ電源ステージの出力からではなく、修正増幅器の出力から提供されるように修正されている。したがってフィードバック制御段３０６は、ライン４１２上の修正増幅器の出力から誘導されるライン６０２上のフィードバック信号を受け取る。

この構造の場合、減算器３２６が不要であるため、フィードバック制御段が修正されている。したがってライン６０２上のフィードバック信号がＰＩ制御ブロック３２８への入力を形成し、ＰＩ制御ブロック３２８が加算器３３０への入力を形成している。加算器３３０のもう一方の入力は、この場合も基準調整段４０３の出力によって提供される。

図６の構造は、好ましい例示的構造を示したもので、基準調整段４０３が提供され、また、結合器段３０８はインダクタとして実施されている。しかしながら、フィードバック制御段３０６のためのフィードバック信号を修正増幅器の出力から提供する原理は、基準調整段４０３が実施される構造、あるいは結合器段３０８がインダクタとして実施される構造に限定されない。基準調整段４０３は省略することができ、また、結合器段３０８は、変圧器などの他の手段によって実施することができる。

様々な実施形態では、特徴の組合せが開示されており、また、本発明の適用性または実施態様は、このような特徴の組合せに限定されないことに留意されたい。したがって、本明細書において説明されている、フィードバック信号を結合段への入力から準備する広義の原理は、結合器段の特定の実施態様に限定されない。同様に、結合器段の入力からスイッチ電源ステージへのフィードバック信号の実施態様は、本明細書において示されている基準調整段の実施態様に限定されない。

同様に、本明細書において説明されている基準調整段を、結合器段の実施態様には無関係に、被変調電源ステージの中で実施することによって利点を得ることができる。基準調整段は、結合器段がインダクタとして実施される場合など、本明細書において説明されている他の特徴と組み合わせた場合に特定の利点を有しているが、その有用性は、このような特定の実施態様に限定されない。

さらに、インダクタとしての結合器段の実施態様は、本明細書において示されている他の任意の態様の細目に限定されないことに留意されたい。インダクタとしての結合器段の実施態様は、結合器の入力からスイッチ電源ステージへフィードバックが提供される構造に限定されないが、このような特徴と組み合わせて使用することによって利点が得られる。

同様に、結合器段およびインダクタの実施態様は、基準調整段が提供されるどのような構造にも限定されないが、この場合も、インダクタとしての結合器段を基準調整段と組み合わせて実施することによって利点を得ることができる。

最後に、結合器への入力からスイッチ電源ステージへのフィードバックの特定の実施態様は、結合器段の特定の実施態様には無関係であり、また、基準調整段が提供されるか否かに無関係であることに留意されたい。

図７を参照すると、本明細書において説明されている例示的実施形態の原理による多相多重レベル電源構造が示されている。図７の構造には、図３に関連して上で説明したフィードバック構造が利用されており、スイッチ電源ステージへのフィードバックは、スイッチ電源ステージの出力から提供される。さらに、図７の構造には、上で説明した図４の構造の特徴が利用されており、結合器段３０８はインダクタとして実施されている。

図７に示されている多相構造の場合、二重相構造であることが仮定されている。したがって２組のスイッチ電源ステージが提供される。個々のスイッチ電源ステージは、それまでの図のスイッチ電源ステージ３０２に対応しており、したがって図７には、それぞれそれまでの図のスイッチ電源ステージ３０２に対応している第１のスイッチ電源ステージ３０２ａおよび第２のスイッチ電源ステージ３０２ｂが示されている。

スイッチ電源コントローラ３０４は、これらの２つのスイッチ電源ステージ３０２ａおよび３０２ｂのための共通のスイッチ電源制御信号を提供する。図３の構造の場合と同様、スイッチ電源コントローラ３０４は、フィードバック制御段３０６から入力信号を受け取る。

フィードバック制御段３０６は、入力としてライン３１６上の基準信号を受け取り、また、追加としてスイッチ電源ステージの出力からフィードバック信号を受け取る。多相構造の例では、フィードバック制御段３０６に必要であるのは、これらのスイッチ電源ステージのうちの１つからの単一のフィードバック信号のみである。したがって図７の構造の場合、スイッチ電源ステージ３０２ａの出力からフィードバック制御段３０６へのフィードバック信号の準備が示されている。

スイッチ電源ステージ３０２ａおよび３０２ｂの各々は、それぞれ対応する結合器段３０８ａおよび３０８ｂに出力を提供する。結合器段３０８ａおよび３０８ｂの各々は、例示的構造に関連して本明細書において既に説明した任意の結合器段に従って実施することができる。図７の好ましい構造では、結合器段３０８ａおよび３０８ｂは、それぞれ要素４０２ａおよび４０２ｂで識別されているインダクタとして実施されている。インダクタ４０２ａおよび４０２ｂの各々の第１の端子は、それぞれ対応するスイッチ電源ステージ３０２ａおよび３０２ｂから出力信号を受け取る。インダクタ４０２ａおよび４０２ｂの第２の端子は、まとめて出力ライン３１８に接続されている。

修正増幅器４１０は、ライン３１６上の基準信号を受け取って、インダクタ４０２ａおよび４０２ｂの出力に注入される電流をライン４１２上に生成する。したがって修正増幅器４１０の出力およびインダクタ４０２ａ、４０２ｂの出力は、まとめて出力ラインに接続され、負荷に出力信号を引き渡している。

以上の説明から、結合器段３０８ａおよび３０８ｂの各々は、変圧器として実施することができることは理解されよう。対応する個々の変圧器の出力は、結合された多相信号をライン３１８上に提供するために、まとめて接続することができる。

以上の説明から、修正増幅器４１０の出力からフィードバック制御段へフィードバック信号が提供されるように図７の構造を修正することができることは理解されよう。

以上の説明から、図５および６に示されている基準調整段４０３などの基準調整段を含むべく図７の構造をさらに修正することができることは明らかであろう。
個々のスイッチ電源３０２ａおよび３０２ｂは、複数の電圧、例えばＶ_１からＶｘの電圧のアレイを有することができ、ｘは、実行可能な２以上の任意の数字であってもよい。スイッチ電源３０２ａおよび３０２ｂは、最も近い電圧を選択するスイッチ電源コントローラ３０４からドライブされる。

実施形態では、スイッチ電源コントローラ３０４は、ＰＷＭ、ヒステリシスまたはデルタシグマ変換器であってもよい。
好ましい構造では、スイッチ電源３０２ａおよび３０２ｂは、スイッチングクロックの逆位相でクロックされる。

以上の説明によれば、本発明を実施するための多数の実施形態が示されている。個々の実施形態の様々な要素は、個々に利用することも、あるいは説明されている他の要素と組み合わせて利用することもできる。本発明の範囲は、本明細書において説明されている任意の実施形態の細目に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義されている。

Claims

所望の電源電圧を表す基準信号に応じて複数の電源電圧のうちの１つを選択するためのスイッチ電源コントローラと、調整された電源電圧を生成するために、スイッチ電源コントローラに基づく出力電圧と修正信号とを結合するためのインダクタと、前記インダクタに流れる選択された電源電圧によって提供される電流を調整するために、前記修正信号を表す電流が前記インダクタの端子に注入され、このようにして調整された電流が前記インダクタの前記端子に接続されている負荷に流れ、それにより前記負荷の両端間に前記調整された電源電圧が展開し、前記基準信号に応じて前記修正信号を生成するように適合された修正増幅器とを備えた被変調電源ステージであって、前記スイッチ電源コントローラが、前記修正増幅器の出力から誘導される信号にさらに応じて前記複数の電源電圧のうちの前記１つを選択するようになされた、被変調電源ステージ。
前記修正増幅器の出力から誘導された前記信号を前記スイッチ電源コントローラに提供するためのフィードバック制御段をさらに備えた、請求項１から３のいずれか一項に記載の被変調電源ステージ。
前記フィードバック制御段が、第１の入力として前記基準信号を受け取り、また、第２の入力として修正増幅器の出力を受け取るように適合され、さらに、調整された基準信号を前記スイッチ電源コントローラに提供するために、前記修正増幅器の出力に応じて前記基準信号を調整するように適合された、請求項２に記載の被変調電源ステージ。
前記フィードバック制御段が、前記修正増幅器の前記出力を受け取り、かつ、修正された出力を生成するための比例−積分（ＰＩ）コントローラと、前記ＰＩコントローラの前記修正された出力を前記基準信号に加算し、前記調整された基準信号である前記フィードバック制御段の出力を形成するための加算器とを備える、請求項３に記載の被変調電源ステージ。
前記スイッチ電源コントローラが前記修正基準信号に応じて選択するように、前記基準信号を調整するための基準調整段をさらに備えた、請求項１から４のいずれか一項に記載の被変調電源ステージ。
前記スイッチ電源コントローラが前記修正基準信号に応じて選択するように適合される、請求項５に記載の被変調電源ステージ。
前記フィードバック制御段が、前記修正基準信号に応じて前記修正増幅器の出力を提供するように適合される、請求項５または６に記載の被変調電源ステージ。
前記基準調整段が、前記基準信号の振幅と前記修正増幅器の出力の振幅の差に応じて前記基準信号の振幅を調整するための手段を備えた、請求項５から７のいずれか一項に記載の被変調電源ステージ。
前記基準信号の振幅を調整するための前記手段が、前記基準信号と前記修正増幅器の出力の間の振幅誤差を決定するための相関器と、前記誤差に応じて前記基準信号を修正するための振幅調整ブロックとを含む、請求項８に記載の被変調電源ステージ。
前記基準調整段が、前記インダクタに流れる電流を最大化し、それにより前記修正増幅器に流れる電流を最小化するために、前記インダクタに流れる電流を制御するための手段を備えた、請求項５から９のいずれか一項に記載の被変調電源ステージ。
前記電流の流れを制御するための前記手段が、前記インダクタに流れる電流を決定し、かつ、その決定に応じて、前記基準信号を受け取り、その微分バージョンを生成するようになされた微分器の係数を修正するための制御信号を提供するための相関器を含む、請求項１０に記載の被変調電源ステージ。
前記微分器が、振幅調整された基準信号を入力として受け取り、微分された、振幅調整された基準信号を生成するようになされ、前記基準調整段が、さらに、前記振幅調整された基準信号と、前記微分された、振幅調整された基準信号とを加算して前記修正基準信号を形成するための加算器を備える、請求項１１に記載の被変調電源ステージ。
請求項１から１２のいずれか一項に記載の被変調電源ステージを含んだ、移動無線デバイスのためのトラッキング被変調電源ステージ。
電源電圧を生成するための方法であって、所望の電源電圧を表す基準信号に応じて、複数の電源電圧のうちの１つをスイッチ電源コントローラによって選択する選択ステップと、調整された電源電圧を生成するために、スイッチ電源コントローラに基づく出力電圧とインダクタの修正信号とを結合する結合ステップと、前記インダクタに流れるスイッチ電源コントローラに基づく出力電圧によって提供される電流を調整するために、前記修正信号を表す電流を前記インダクタの端子に注入することを含み、修正増幅器を備えた被変調電源ステージにおいて前記基準信号に応じて前記修正信号を電流として生成する生成ステップと、前記修正信号をフィードバック信号として提供する提供ステップとを含み、調整された電流が前記インダクタの前記端子に接続されている負荷に流れ、それにより前記負荷の両端間に前記調整された電源電圧が展開し、前記選択ステップが、前記フィードバック信号に応じて前記複数の電源電圧のうちの前記１つを選択する電源電圧を生成するための方法。
前記フィードバック信号を制御する制御ステップをさらに含む、請求項１４に記載の電源電圧を生成するための方法。
前記フィードバック信号を制御する制御ステップが、第１の入力として前記基準信号を受け取り、また、第２の入力として前記修正信号を受け取るステップと、調整された基準信号を前記選択ステップに提供するために、前記修正信号に応じて前記基準信号を調整するステップとを含む、請求項１５に記載の電源電圧を生成するための方法。
前記フィードバック信号を制御する制御ステップが、前記修正信号を受け取り、かつ、比例−積分（ＰＩ）修正出力を生成するステップと、前記調整された基準信号を形成するために前記修正出力を前記基準信号に加算するステップとを含む、請求項１６に記載の電源電圧を生成するための方法。
前記選択ステップが前記修正基準信号に応じて選択するように、前記基準信号を調整するステップをさらに含む、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の電源電圧を生成するための方法。
前記選択ステップが前記修正基準信号に応じて選択するように適合される、請求項１８に記載の電源電圧を生成するための方法。
前記フィードバック信号を制御する制御ステップが、前記修正基準信号に応じて、前記結合ステップへの前記入力のうちの１つから誘導される信号を提供するように適合される、請求項１８または１９に記載の電源電圧を生成するための方法。
前記調整ステップが、前記基準信号の振幅と前記修正信号の振幅の差に応じて前記基準信号の振幅を調整するステップを含む、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の電源電圧を生成するための方法。
前記基準信号の振幅を調整する前記ステップが、前記基準信号と前記修正信号の振幅誤差を決定するステップと、前記誤差に応じて前記基準信号を修正するステップとを含む、請求項２１に記載の方法。
前記調整ステップが、前記結合ステップに流れる電流を最大化し、それにより前記修正信号を生成するステップに流れる電流を最小化するために、前記インダクタに流れる電流を制御するステップを含む、請求項１８から２２のいずれか一項に記載の電源電圧を生成するための方法。
電流の流れを制御する前記ステップが、前記インダクタに流れる電流を決定するステップと、その決定に応じて、前記基準信号を受け取り、その微分バージョンを生成するようになされた微分器の係数を修正するための制御信号を提供するステップとを含む、請求項２３に記載の電源電圧を生成するための方法。
振幅調整された基準信号を入力として前記微分器で受け取るステップと、微分された、振幅調整された基準信号を生成するステップとをさらに含み、前記調整ステップが、前記修正基準信号を形成するために、前記振幅調整された基準信号と、前記微分された、振幅調整された基準信号とを加算するステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。