JP6356140B2 - スロープ補償モジュール - Google Patents
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Description
本出願は、2012年11月15日に出願された、Hartono Darmawaskita、Sean Stacy Steedman、Cristian Nicolae Groza、Marilena Mancioiu、John Robert CharaisおよびZeke Lundstrumによる「Slope Compensation Module」という題名の共同所有された米国仮特許出願第61/726,977号に対して優先権を主張する。上記文献は、全ての目的のために本明細書において参照することによって援用される。
本開示は、スロープ補償モジュールに関し、特に、例えば、限定ではないが、コンパレータおよび演算増幅器等の他のモジュールと組み合わせて、マイクロコントローラ内で使用し、スイッチモード電力供給装置回路および類似用途を制御するためのスロープ補償モジュールに関する。
リアルタイムアナログ閉ループシステムならびに周波数ジェネレータおよび/またはパルス幅変調器等の他の用途のための回路を有する、マイクロコントローラの必要性が、存在する。従来のスイッチモード電力供給装置実施形態では、ユーザは、レジスタおよび/またはキャパシタ等の外部コンポーネントを提供し、スイッチモード電力供給装置用途においてスロープ値を設定しなければならず、故に、選択は、固定される。言い換えると、印刷回路基板上のコンポーネントを物理的に変更せずに、調節または変更されることができない。特に、他の周辺デバイスおよび外部デバイスと組み合わせて、マイクロコントローラ制御スイッチモード電力供給装置または他の用途を形成するとき、特に、マイクロコントローラ内で使用するためのスロープ補償モジュールの必要性が、存在する。
したがって、広範な動作範囲のPMWデューティサイクルにわたって、かつSMPS用途等のためのマイクロコントローラと組み合わせ使用され得る、向上されたスロープ補償モジュールの必要性が、存在する。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
スイッチモード電力供給装置(SMPS)コントローラ内の電流モード制御と併用するためのスロープ補償モジュールであって、前記スロープ補償モジュールは、
入力と出力との間に結合されたスロープ補償キャパシタと、
前記スロープ補償キャパシタと並列に結合されたスロープ補償スイッチと、
前記スロープ補償キャパシタの出力側および前記スロープ補償スイッチに結合された定電流源と
を備え、
前記スロープ補償スイッチが開放されると、前記スロープ補償キャパシタは、定電流源を通して回路コモンに充電し、それによって、線形減少(負スロープ)ランプ電圧を発生させる、スロープ補償モジュール。
(項目2)
前記スロープ補償スイッチが閉鎖されると、前記スロープ補償キャパシタは、放電する、項目1に記載のスロープ補償モジュール。
(項目3)
前記定電流源は、前記スロープ補償スイッチが第1の位置にあるとき、前記スロープ補償キャパシタの出力側から分断され、前記スロープ補償スイッチが第2の位置にあるとき、前記スロープ補償キャパシタの出力側に結合される、項目1に記載のスロープ補償モジュール。
(項目4)
前記線形減少(負スロープ)ランプ電圧は、自動的に、フィードバックループ誤差電圧を調節するように適合されている、項目1に記載のスロープ補償モジュール。
(項目5)
前記定電流源は、複数の選択可能定電流値を有するプログラム可能定電流源を備える、項目1に記載のスロープ補償モジュール。
(項目6)
前記スロープ補償キャパシタは、所望の容量値に対してプログラム可能に選択可能な複数のスロープ補償キャパシタを備える、項目1に記載のスロープ補償モジュール。
(項目7)
スロープ補償モジュールを有するスイッチモード電力供給装置(SMPS)コントローラであって、前記SMPSコントローラは、
電圧基準と、
前記電圧基準に結合された第1の入力と、SMPSフィルタキャパシタからの出力電圧に結合するために適合された第2の入力とを有する演算増幅器と、
前記演算増幅器の出力に結合された入力と、出力とを有するスロープ補償モジュールであって、前記スロープ補償モジュールは、
前記スロープ補償モジュールの入力と出力との間に結合されたスロープ補償キャパシタと、
前記スロープ補償キャパシタと並列に結合されたスロープ補償スイッチと、
前記スロープ補償キャパシタの出力側に結合された定電流源と、
を備える、スロープ補償モジュールと、
電圧コンパレータであって、前記電圧コンパレータは、
前記スロープ補償モジュールの出力に結合された第1の入力と、
電流信号を測定する電流/電圧回路に結合するために適合された第2の入力と、
を有する、電圧コンパレータと、
周期ジェネレータと、
リセット支配ラッチであって、前記リセット支配ラッチは、
前記周期ジェネレータの出力に結合された設定入力と、
前記電圧コンパレータの出力に結合されたリセット入力と、
前記スロープ補償スイッチに結合され、前記スロープ補償スイッチの開閉を制御する出力と、
を備え、
前記リセット支配ラッチの出力はまた、制御信号を提供する、リセット支配ラッチと
を備え、
前記周期ジェネレータは、あるパルス周期において、複数のパルスを前記リセット支配ラッチの設定入力に提供し、パルスが前記リセット支配ラッチの設定入力で受信される度に、前記リセット支配ラッチの出力は、第1の論理レベルから第2の論理レベルになり、
前記リセット支配ラッチの出力が前記第2の論理レベルにあるとき、前記スロープ補償スイッチは、開放し、前記スロープ補償キャパシタは、定電流源を通して回路コモンに充電し、それによって、前記演算増幅器からのフィードバック誤差電圧をスロープ補償フィードバック誤差電圧に変調させるための線形減少(負スロープ)ランプ電圧を発生させ、
前記電圧コンパレータの第1の入力に結合されている前記スロープ補償フィードバック誤差電圧が、前記電圧コンパレータの第2の入力におけるSMPSインダクタを通る電流を表す電圧未満であるとき、前記リセット支配ラッチの出力は、前記第1の論理レベルに戻り、前記スロープ補償スイッチは、閉鎖し、それによって、前記スロープ補償キャパシタを放電させ、前記電圧コンパレータの第1の入力を前記演算増幅器からのフィードバック誤差電圧に戻す、SMPSコントローラ。
(項目8)
前記定電流源は、複数の選択可能定電流値を有するプログラム可能定電流源である、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目9)
前記演算増幅器の出力と前記スロープ補償キャパシタおよびスイッチとの間に結合されたバッファ増幅器をさらに備える、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目10)
前記演算増幅器の出力と第2の入力との間に結合されたループ補償ネットワークをさらに備える、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目11)
前記SMPSインダクタを通る電流を表す電圧は、電流/電圧センサを用いて発生される、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目12)
前記電流/電圧センサは、前記SMPSインダクタの電流経路内の電流変圧器と、前記電流変圧器に結合された整流器ダイオードと、前記レジスタに結合された負荷レジスタとを備える、項目11に記載のSMPSコントローラ。
(項目13)
前記電流/電圧センサは、前記SMPSインダクタの電流経路内のレジスタと、前記レジスタに結合されたダイオードとを備える、項目11に記載のSMPSコントローラ。
(項目14)
前記周期ジェネレータは、複数のパルス周期時間のうちの1つを選択するためにプログラム可能である、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目15)
前記スロープ補償スイッチは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目16)
前記リセット支配ラッチの出力と前記スロープ補償スイッチとの間に結合されたスロープ補償スイッチコントローラをさらに備え、前記スロープ補償スイッチコントローラは、前記スロープ補償スイッチのためのプログラム可能開放遅延を提供する、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目17)
前記スロープ補償スイッチコントローラが、前記スロープ補償スイッチのためのプログラム可能最小閉鎖時間を提供することをさらに含む、項目16に記載のSMPSコントローラ。
(項目18)
前記SMPSフィルタキャパシタからの出力電圧は、抵抗分圧器を通して提供される、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目19)
前記定電流源は、前記SMPSコントローラの試験の間、較正のために適合される、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目20)
前記スロープ補償キャパシタは、所望の容量値に対してプログラム可能に選択可能な複数のスロープ補償キャパシタである、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目21)
前記スロープ補償キャパシタは、前記SMPSコントローラの試験の間、所望の容量値に対してプログラム可能に選択可能な複数のスロープ補償キャパシタである、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目22)
プログラム可能な前記定電流源とプログラム可能な前記周期ジェネレータとに結合されたデジタルプロセッサをさらに備え、前記デジタルプロセッサは、それぞれ、前記定電流源および前記周期ジェネレータに定電流値およびパルス周期時間を提供する、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目23)
前記SMPSコントローラは、マイクロコントローラを備える、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目24)
前記定電流源は、前記スロープ補償スイッチを用いて、前記スロープ補償キャパシタの出力側に結合されている、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目25)
前記定電流源は、前記スロープ補償スイッチが第1の位置にあるとき、前記スロープ補償キャパシタの出力側から分断され、前記スロープ補償スイッチが第2の位置にあるとき、前記スロープ補償キャパシタの出力側に結合される、項目7に記載のSMPSコントローラ。
(項目26)
アナログパルス幅変調(PWM)ジェネレータであって、前記アナログPWMジェネレータは、
第1の電圧基準に結合された入力を有するキャパシタと、
前記キャパシタの入力および出力と並列に結合されたスイッチと、
前記キャパシタの出力に結合された定電流源と、
前記キャパシタの出力に結合された第1の入力と、第2の電圧基準に結合された第2の入力と、前記スイッチの開閉を制御する出力とを有する第1の電圧コンパレータと、
前記キャパシタの出力に結合された第1の入力と、スイッチモード電力供給装置(SMPS)からの電圧に結合するために適合された第2の入力と、スイッチモード電力供給装置の電源スイッチを制御するためのパルス幅変調(PWM)制御信号を提供する出力とを有する第2の電圧コンパレータと
を備え、
前記キャパシタの出力における電圧が、前記第1の電圧基準からの電圧未満であるとき、前記スイッチは、開放し、それによって、前記キャパシタおよび前記定電流源は、線形負スロープ電圧波形を用いて、前記第1の電圧基準からの電圧を変調させ、
前記第1の電圧基準と前記第2の電圧基準との間の電圧差は、前記PWM制御信号の周期を判定し、前記SMPSからの電圧と前記キャパシタの第2のノードにおける電圧との間の電圧差は、前記PWM制御信号のデューティサイクルを判定する、アナログPWMジェネレータ。
(項目27)
前記定電流源は、複数の選択可能定電流値を有するプログラム可能定電流源である、項目26に記載のアナログPWMジェネレータ。
(項目28)
前記キャパシタは、所望の容量値に対してプログラム可能に選択可能な複数のキャパシタである、項目26に記載のアナログPWMジェネレータ。
(項目29)
前記第1の電圧基準は、デジタル/アナログコンバータ(DAC)であり、プログラム可能な第1の基準電圧値を提供する、項目26に記載のアナログPWMジェネレータ。
(項目30)
前記第1の電圧基準は、固定されている、項目26に記載のアナログPWMジェネレータ。
(項目31)
前記第1の電圧基準は、変調波形信号である、項目26に記載のアナログPWMジェネレータ。
(項目32)
前記第1の電圧基準の出力と前記キャパシタの入力との間に結合されたバッファ増幅器をさらに備える、項目26に記載のアナログPWMジェネレータ。
(項目33)
前記定電流源は、前記スイッチが第1の位置にあるとき、前記キャパシタの出力から分断され、前記スイッチが第2の位置にあるとき、前記キャパシタの出力に結合される、項目26に記載のアナログPWMジェネレータ。
(項目34)
スイッチモード電力供給装置(SMPS)コントローラ内にスロープ補償を提供するための方法であって、前記方法は、
基準電圧を提供するステップと、
前記基準電圧とSMPSフィルタキャパシタからの電圧との間の差異である誤差電圧を提供する出力を有する演算増幅器を用いて、前記基準電圧とSMPSフィルタネットワークからの出力電圧を比較するステップと、
前記演算増幅器の出力に結合されたスロープ補償キャパシタを提供するステップと、
前記スロープ補償キャパシタと並列に結合されたスロープ補償スイッチを提供するステップと、
前記スロープ補償キャパシタおよび前記スロープ補償スイッチに結合された定電流源を提供するステップと、
前記スロープ補償キャパシタからのスロープ補償誤差電圧とSMPSインダクタ内で測定された電流の電圧表現を比較するステップと、
周期ジェネレータの出力に結合された設定入力と、前記電圧コンパレータの出力に結合されたリセット入力と、前記スロープ補償スイッチの開閉を制御し、制御信号を供給するための出力とを有するリセット支配ラッチを提供するステップと、
あるパルス周期において、周期ジェネレータから複数のパルスを前記リセット支配ラッチの設定入力に提供するステップであって、パルスが前記リセット支配ラッチの設定入力において受信される度に、前記リセット支配ラッチの出力は、第1の論理レベルから第2の論理レベルになる、ステップと、
前記リセット支配ラッチの出力が前記第2の論理レベルにあるとき、前記スロープ補償スイッチを開放するステップと、
前記演算増幅器からのフィードバック誤差電圧をスロープ補償フィードバック誤差電圧に変調するための線形減少(負スロープ)ランプ電圧を発生させるステップと、
前記スロープ補償誤差電圧が、前記SMPSインダクタを通る電流を表す電圧未満であるとき、前記リセット支配ラッチの出力を前記第1の論理レベルに戻し、前記スロープ補償スイッチを閉鎖するステップと
を含む、方法。
種々の実施形態によると、スロープ補償は、特に、スイッチモード電力供給装置(SMPS)および他の電源制御用途において使用するためのマイクロコントローラの能力を拡張させる。例えば、多くのスイッチモード電力供給装置(SMPS)用途の機能性は、スロープ補償の能力を有することによって、改良され得る。例えば、SMPS用途が、そうでなければ、SMPSシステムの不安定性につながるであろう、50%を上回るデューティサイクルを有するときである。種々の実施形態によると、そのようなスロープ補償モジュールは、他のモジュール、例えば、限定ではないが、コンパレータならびに他の内部および外部アナログおよび/またはデジタルデバイスとともに、マイクロコントローラ集積回路内にプログラム可能に組み合わせられてもよい。
Claims (16)
- スロープ補償モジュールを備えるスイッチモード電力供給装置(SMPS)コントローラであって、前記スロープ補償モジュールは、前記SMPSコントローラ内の電流モード制御と併用するためのものであり、
前記SMPSコントローラは、
出力を備える誤差増幅器と、
第1の入力を備える電圧コンパレータと
を備え、
前記電圧コンパレータの第2の入力は、電流信号を測定する電流/電圧回路に結合するために適合されており、
前記SMPSコントローラは、
前記誤差増幅器と結合された電圧基準と、
周期ジェネレータと、
リセット支配ラッチと
をさらに備え、
前記スロープ補償モジュールは、
前記誤差増幅器の出力と前記電圧コンパレータの第1の入力との間に結合されたスロープ補償キャパシタと、
前記スロープ補償キャパシタと並列に結合されたスロープ補償スイッチと、
前記スロープ補償キャパシタの出力側および前記スロープ補償スイッチに結合されたプログラム可能定電流源と
を備え、
前記スロープ補償スイッチが開放されると、前記スロープ補償キャパシタは、前記定電流源を通して回路コモンに充電し、それによって、線形減少ランプ電圧を発生させ、
前記リセット支配ラッチは、
前記周期ジェネレータの出力に結合された設定入力と、
前記電圧コンパレータの出力に結合されたリセット入力と、
前記スロープ補償スイッチに結合され、前記スロープ補償スイッチの開閉を制御する出力と
を備え、
前記リセット支配ラッチの出力はまた、制御信号を提供し、
前記周期ジェネレータは、あるパルス周期において、複数のパルスを前記リセット支配ラッチの設定入力に提供し、パルスが前記リセット支配ラッチの設定入力で受信される度に、前記リセット支配ラッチの出力は、第1の論理レベルから第2の論理レベルになり、
前記リセット支配ラッチの出力が前記第2の論理レベルにあるとき、前記スロープ補償スイッチは、開放し、前記スロープ補償キャパシタは、前記プログラム可能定電流源を通して回路コモンに充電し、それによって、前記誤差増幅器からのフィードバック誤差電圧をスロープ補償フィードバック誤差電圧に変調させるための線形減少ランプ電圧を発生させ、
前記電圧コンパレータの第1の入力に結合されている前記スロープ補償フィードバック誤差電圧が、前記電圧コンパレータの第2の入力におけるSMPSインダクタを通る電流を表す電圧未満であるとき、前記リセット支配ラッチの出力は、前記第1の論理レベルに戻り、前記スロープ補償スイッチは、閉鎖し、それによって、前記スロープ補償キャパシタを放電させ、前記電圧コンパレータの第1の入力を前記誤差増幅器からのフィードバック誤差電圧に戻す、SMPSコントローラ。 - 前記誤差増幅器の出力と前記誤差増幅器の第2の入力との間に結合されたループ補償ネットワークをさらに備える、請求項1に記載のSMPSコントローラ。
- 前記SMPSインダクタを通る電流を表す電圧は、電流/電圧センサを用いて発生される、請求項1に記載のSMPSコントローラ。
- 前記電流/電圧センサは、前記SMPSインダクタの電流経路内の電流変圧器と、前記電流変圧器に結合された整流器ダイオードと、レジスタに結合された負荷レジスタとを備える、請求項3に記載のSMPSコントローラ。
- 前記電流/電圧センサは、前記SMPSインダクタの電流経路内のレジスタと、前記レジスタに結合されたダイオードとを備える、請求項3に記載のSMPSコントローラ。
- 前記周期ジェネレータは、複数のパルス周期時間のうちの1つを選択するためにプログラム可能である、請求項1〜5のうちの1項に記載のSMPSコントローラ。
- 前記スロープ補償スイッチは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である、請求項1〜6のうちの1項に記載のSMPSコントローラ。
- 前記リセット支配ラッチの出力と前記スロープ補償スイッチとの間に結合されたスロープ補償スイッチコントローラをさらに備え、前記スロープ補償スイッチコントローラは、前記スロープ補償スイッチのためのプログラム可能開放遅延を提供する、請求項1〜7のうちの1項に記載のSMPSコントローラ。
- 前記スロープ補償スイッチコントローラが、前記スロープ補償スイッチのためのプログラム可能最小閉鎖時間を提供することをさらに含む、請求項8に記載のSMPSコントローラ。
- SMPSフィルタキャパシタからの出力電圧は、抵抗分圧器を通して提供される、請求項1〜9のうちの1項に記載のSMPSコントローラ。
- 前記定電流源は、前記SMPSコントローラの試験の間、較正のために適合される、請求項1に記載のSMPSコントローラ。
- 前記スロープ補償キャパシタは、所望の容量値に対してプログラム可能に選択可能な複数のスロープ補償キャパシタである、請求項1に記載のSMPSコントローラ。
- 前記スロープ補償キャパシタは、前記SMPSコントローラの試験の間、所望の容量値に対してプログラム可能に選択可能な複数のスロープ補償キャパシタである、請求項1に記載のSMPSコントローラ。
- 前記プログラム可能定電流源と前記周期ジェネレータとに結合されたデジタルプロセッサをさらに備え、前記デジタルプロセッサは、それぞれ、前記プログラム可能定電流源および前記周期ジェネレータに定電流値およびパルス周期時間を提供する、請求項1〜13のうちの1項に記載のSMPSコントローラ。
- 前記SMPSコントローラは、マイクロコントローラ中に埋め込まれている、請求項1〜6のうちの1項に記載のSMPSコントローラ。
- スロープ補償モジュールを備えるスイッチモード電力供給装置(SMPS)コントローラ内にスロープ補償を提供するための方法であって、前記スロープ補償モジュールは、前記SMPSコントローラ内の電流モード制御と併用するためのものであり、
前記SMPSコントローラは、
出力を備える誤差増幅器と、
第1の入力を備える電圧コンパレータと
を備え、
前記電圧コンパレータの第2の入力は、電流信号を測定する電流/電圧回路に結合するために適合されており、
前記スロープ補償モジュールは、
前記誤差増幅器の出力と前記電圧コンパレータの第1の入力との間に結合されたスロープ補償キャパシタと、
前記スロープ補償キャパシタと並列に結合されたスロープ補償スイッチと、
前記スロープ補償キャパシタの出力側および前記スロープ補償スイッチに結合されたプログラム可能定電流源と
を備え、
前記スロープ補償スイッチが開放されると、前記スロープ補償キャパシタは、前記定電流源を通して回路コモンに充電し、それによって、線形減少ランプ電圧を発生させ、
前記方法は、
基準電圧を提供するステップと、
前記基準電圧とSMPSフィルタキャパシタからの電圧との間の差異である誤差電圧を提供する前記誤差増幅器を用いて、前記基準電圧を前記SMPSコントローラからのフィードバック電圧と比較するステップと、
前記スロープ補償キャパシタからのスロープ補償誤差電圧をSMPSインダクタ内で測定された電流の電圧表現と比較するステップと、
周期ジェネレータの出力に結合された設定入力と、前記電圧コンパレータの出力に結合されたリセット入力と、前記スロープ補償スイッチの開閉を制御し、制御信号を供給するための出力とを有するリセット支配ラッチを提供するステップと、
あるパルス周期において、前記周期ジェネレータから複数のパルスを前記リセット支配ラッチの設定入力に提供するステップであって、パルスが前記リセット支配ラッチの設定入力において受信される度に、前記リセット支配ラッチの出力は、第1の論理レベルから第2の論理レベルになる、ステップと、
前記リセット支配ラッチの出力が前記第2の論理レベルにあるとき、前記スロープ補償スイッチを開放するステップと、
前記誤差増幅器からのフィードバック誤差電圧をスロープ補償フィードバック誤差電圧に変調するための線形減少ランプ電圧を発生させるステップと、
前記スロープ補償誤差電圧が、前記SMPSインダクタを通る電流を表す電圧未満であるとき、前記リセット支配ラッチの出力を前記第1の論理レベルに戻し、前記スロープ補償スイッチを閉鎖するステップと
を含む、方法。
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