JP6804454B2 - パワーコンバータにおける高速モード遷移 - Google Patents

Description

送信及び受信の両方を行なうワイヤレスデバイスをしばしば含む通信システムの多くは、データ伝送規格に従って動作する。大抵、データ伝送規格は比較的厳しいスペクトルマスク要件を特定し、これは、データ伝送の間、電磁干渉（ＥＭＩ）など、低減された量のノイズを特定する。このような通信デバイスのトランスミッタは、或るデータ伝送規格に従ってデータを送信するように動作し得るパワー増幅器（ＰＡ）を含む。ＰＡは典型的に、ＤＣ−ＤＣ（直流−直流）コンバータなどのパワーコンバータから電力を受け取る。パワーコンバータは典型的に、ＥＭＩコンプライアンス（compliance）を増大させるために、伝送の間パルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作する。パワーコンバータ上の動作負荷は、典型的に、通信デバイスのオペレーションの間、変化する。例えば、動作負荷が典型的に比較的低い一方で、システムは、電力を節約するためにＰＡ（及びパワーコンバータ）のオペレーションが任意選択でオフにされる時間の間、受信モードにある。パワーコンバータは、低動作負荷のこのような時間の間、パワーコンバータをＰＷＭモードで動作させるには通常不十分であるため、オフにされ得る。

しかし、パワーコンバータを再びオンにすると、ウェイクアップ時間が比較的長くなり（およそ数百マイクロ秒など）、ウェイクアップ時間の間、送信のためにトランスミッタは利用可能でない。パワーコンバータは、このような低負荷期間の間は、比較的より効率的なパルス周波数変調（ＰＦＭ）モードで作動するように切り替えられ得るが、一層高負荷の伝送期間のためにＰＷＭモードに戻る遷移の間は、典型的に、およそ数十マイクロ秒のセトリング時間を必要とする。このようなセトリング時間は、幾つかのアプリケーションのセトリング要件を超える。

上述の問題は、高速モード遷移パワーコンバータにおいて解決され得る。記載される例において、開示されるパワーコンバータは、ＰＦＭコントローラ、ＰＷＭコントローラ、及び補助電圧出力段を含む。ＰＦＭコントローラは、パワー出力段がＰＦＭモードで動作する第１の時間期間の間、パワー出力段により生成されるパワー段電圧出力に応答して、パワー出力段をＰＦＭモードで制御する。ＰＷＭコントローラは、パワー出力段がＰＷＭモードで動作する第２の時間期間の間、パワー出力段により生成されるパワー段電圧出力に応答して、パワー出力段をＰＷＭモードで制御する。補助電圧出力段は、第３の時間期間の間補助電圧を生成し、ＰＷＭコントローラは、第３の時間期間の間、補助電圧を制御する。

例示の実施例に従った例示の電子デバイスを示す。

例示の実施例に従った、高速モード遷移パワーコンバータを図示する概略図である。

例示の実施例に従った高速モード遷移パワーコンバータのスイッチング波形及び出力電圧を図示する波形図である。

例示の実施例に従った高速モード遷移パワーコンバータのスイッチング波形、出力電圧、及び電流を図示する波形シミュレーションである。

例示の実施例に従った高速モード遷移パワーコンバータのオペレーションのフローチャートである。

用語「に結合する」又は「と結合する」は、間接的又は直接的な電気的接続を説明することが意図される。そのため、第１のデバイス第２のデバイスに結合する場合、その接続は、直接的電気的接続を介して、又は、他のデバイス及び接続を介する間接的電気的接続を介して、成され得る。

図１は、例示の実施例に従った例示のコンピューティングデバイス１００を示す。例えば、コンピューティングデバイス１００は、コンピュータ、電子機器制御「ボックス」又はディスプレイ、通信機器（トランスミッタ又はレシーバを含む）、又は情報を処理するように動作し得る任意のタイプの電子システムなどの電子システム１２９であるか、又は電子システム１２９に組み込まれるか、又は電子システム１２９に結合される（例えば、接続される）。種々の実施例において、電子機器システム１２９は、テレコミュニケーションシステム（又は、トランスミッタレシーバ又はトランシーバなど、その一部）に含まれ、より特定の実施例において、ワイヤレス及び／又は低電力トランシーバに含まれる。

種々の実施例において、コンピューティングデバイス１００は、メガセル又はシステムオンチップ（ＳｏＣ）を含み、これは、ＣＰＵ １１２（中央処理装置）、ストレージ１１４（ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）など）、及び電力供給１１０などの、制御ロジックを含む。例えば、ＣＰＵ １１２は、ＣＩＳＣタイプ（複合命令セットコンピュータ）ＣＰＵ、ＲＩＳＣタイプＣＰＵ（縮小命令セットコンピュータ）、ＭＣＵタイプ（マイクロコントローラユニット）、又はデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）であり得る。ストレージ１１４（これは、オンプロセッサキャッシュ、オフプロセッサキャッシュ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、又はディスクストレージなどのメモリであり得る）は、一つ又は複数のソフトウェアアプリケーション１３０（埋め込みアプリケーションなど）をストアし、ソフトウェアアプリケーション１３０は、ＣＰＵ １１２により実行されると、コンピューティングデバイス１００に関連付けられる任意の適切な機能を実施する。

ＣＰＵ １１２は、ストレージ１１４から頻繁にアクセスされる情報をストアする、メモリ及びロジックを含む。コンピューティングデバイス１００は、しばしば、ＵＩ（ユーザーインタフェース）１１６を用いてユーザーにより制御され、ＵＩ １１６は、ソフトウェアアプリケーション１３０を実行する間、ユーザーに出力を提供し、ユーザーから入力を受信する。例えば、出力は、ディスプレイ１１８、指示光、スピーカー、及び／又は振動を用いて提供される。入力は、オーディオ及び／又はビデオ入力（音声又は画像認識を用いてなど）、及び、キーパッド、スイッチ、近接度検出器、ジャイロ、及び加速度計などの電気的及び／又は機械的デバイスを用いて受信される。

ＣＰＵ １１２及び電力供給１１０は、Ｉ／Ｏ（入力出力）ポート１２８に結合され、Ｉ／Ｏポート１２８は、ネットワーク化されたデバイス１３１から入力を受信する（及び／又は、ネットワーク化されたデバイス１３１に出力を提供する）ように構成されるインタフェースを提供する。ＣＰＵ １１２及び電力供給１１０は、パワー増幅器（ＰＡ）１２５にも結合され、ＰＡ１２５は、電子システム１２９に電力を提供する。ＰＡ１２５は、Ｉ／Ｏポート１２８に含まれているように図示されているが、種々の実施例において、ＰＡ１２５は任意選択でＩ／Ｏポート１２８から物理的に分離される。ネットワーク化されたデバイス１３１は、コンピューティングデバイス１００とのポイント・ツー・ポイント通信及び／又はネットワーク化された通信が可能な任意のデバイス（テスト機器を含む）を含み得る。コンピューティングデバイス１００は、しばしば、周辺機器、及び／又は、有形の非一時的（non-transitory）媒体（フラッシュメモリなど）及び／又は有線又はワイヤレス媒体を含む、コンピューティングデバイスに結合される。これらの及び他の入力及び出力デバイスは、ワイヤレスに又は有線接続を用いて外部デバイスにより選択的にコンピューティングデバイス１００に結合される。ストレージ１１４は、ネットワーク化されたデバイス１３１などにより、アクセス可能である。また、ＣＰＵ １１２、ストレージ１１４、及び電力供給１１０は、任意選択で、電源（バッテリー、ソーラーセル、「通電の」パワーコード、誘導性フィールド、燃料電池、又はキャパシタなど）から電力を受け取るように構成される外部電力供給（図示せず）に結合される。

電力供給１１０は、コンピューティングデバイス１００がソフトウェアアプリケーション１３０を実行し得るように電力を生成するための、電力生成及び制御構成要素を含む。例えば、電力供給１１０は、各々独立して制御され得る一つ又は複数のパワースイッチを提供し、パワースイッチは、種々の電圧でコンピューティングデバイス１００の種々の構成要素に電力を供給する。電力供給１１０は、任意選択でコンピューティングデバイス１００と同じ物理的アッセンブリ内にあり、又は、コンピューティングデバイス１００に結合される。コンピューティングデバイス１００は、任意選択で、種々の省電力モードで動作し、このモードでは、個別の電圧が、選択される省電力モード、及び特定のパワードメイン内に配される種々の構成要素に従って供給される（及び／又はオフにされる）。

種々の実施例において、電力供給１１０は、エネルギーを交互にストア及び出力する、スイッチドモード電力供給（「コンバータ」など）である。このようなコンバータは、典型的に、ＤＣ（直流）又は整流されたＡＣ（交流電流）電圧を入力電圧として受信する。入力電圧から導出されるエネルギーは、各スイッチングサイクルの間、エネルギーストレージデバイス（インダクタ及びキャパシタなど）に一時的にストアされる。コンバータにおけるパワースイッチが、出力されるエネルギーの量を制御するように作動される（「オンにされる」状態のために閉じられるか、又は「オフにされる」状態のために開けられるなど）。出力ＤＣ電圧及び電流におけるリップルを低減するために、フィルタが通常用いられる。コンバータに対して選択されたトポロジーに応じて、出力ＤＣ電圧は、入力電圧より高く又は低くし得る。また、出力ＤＣ電圧は、入力電圧に対して反転され得る。

スイッチングコンバータは、典型的に、不連続モード又は連続モードで動作する。不連続モードでは、コンバータは、各スイッチングサイクルの終了の前に、エネルギーストレージデバイスの電源を完全に断つ（de-energize）。従って、不連続モードでの各スイッチングサイクルの開始時においてエネルギーストレージデバイスに電流は流れない。連続モードでは、コンバータは、通常、各スイッチングサイクルの終了の前に、エネルギーストレージデバイスの電源を完全には断たない。従って、連続モードで動作するエネルギーストレージデバイスにおける電流は、通常、エネルギーストレージデバイスに電流が流れないポイントに達しない。

不連続インダクタ電流導通モード（ＤＣＭ）は、スイッチングパワーコンバータにおける軽負荷効率を改善するために用いられるパワーモードである。典型的に、多くのコンピューティングデバイス１００が、軽から中負荷の電流範囲にある電気的負荷を提供するアプリケーションにおいて動作するので、電圧レギュレータの軽負荷効率は、システムの電力効率のかなりのインパクトを有する。

コンバータの出力は、部分的にデューティレシオによって決定される。デューティレシオは、（例えば、等式Ｄ＝Ｔｏｎ／Ｔｐに従って）スイッチが「オン」である時間期間を、スイッチングサイクルの時間期間で除算したものである。スイッチングサイクル時間期間は、典型的に、スイッチが「オン」である時間期間に、スイッチが「オフ」である時間期間を加え、さらに、スイッチが「アイドル」である任意の時間期間を加えたものに等しい（ここで、Ｔｐ＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ＋Ｔｉｄｌｅである）。ＣＣＭ（連続導通モード）でのバックコンバータの出力電圧は、理論的には、（例えば、等式Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×Ｄに従って）デューティレシオで乗算された入力電圧に等しい。Ｔｏｎ及びＴｏｆｆの値の範囲は、典型的に、（例えば、ワイヤレス規格のマスク仕様を満たすため所与の技術プロセスノードから最適効率を達成するために）設計時間の間に選択される。

開示される電力供給１１０は、高速モード遷移パワーコンバータ１３８を含み、高速モード遷移パワーコンバータ１３８は補助電圧出力段を含む。高速モード遷移パワーコンバータは、ＰＡパワーコンバータに対して、非常に低い静止（無負荷）電流を有し、ＰＦＭモードと並列に動作され得る、オペレーションの比較的低いパワーＰＷＭモード（「補助ＰＷＭ」）を提供するように動作し得る。補助ＰＷＭモードは、コンバータが非常に低い負荷電流を提供する必要があるときはいつでも導入され得、アプリケーションシステム需要に合致するようにオペレーションのＰＷＭモードへの高速遷移を提供するように動作し得る。従って、高速モード遷移パワーコンバータは、高速セトリング時間（これは、例えば、しばしばＷＬＡＮ規格により要求される）を提供する一方で、パワーコンバータをＰＦＭモードでできるだけ動作させ得る（これは、例えば、パワーコンバータによる電力消費の低減を助ける）。

一例において、電力供給１１０は、不連続導通モード（ＤＣＭ）で動作するように動作し得るＤＣ−ＤＣコンバータである。上記で紹介したように、電力供給１１０は、高速モード遷移パワーコンバータ１３８を含む。高速モード遷移パワーコンバータ１３８は、電力供給１１０に含まれているように又は単一の（ロジカルなど）ユニットとして図示されているが、高速モード遷移パワーコンバータ１３８の種々の部分が、任意選択で、同じモジュールに（例えば、半導体製造において製造されるようなダイによって形成されるように）又は異なるモジュールに含まれる。

高速モード遷移パワーコンバータ１３８は、オペレーションの比較的低いパワーＰＷＭモード（「補助ＰＷＭ」）を提供するように動作し得る。補助ＰＷＭモードは典型的に、ＰＦＭモードのオペレーションと並列に（例えば、ＰＦＭモードのオペレーションにおける動作と同時に）動作される。高速モード遷移パワーコンバータ１３８は、ＰＦＭ及びＰＷＭモード間の高速遷移を提供するように動作し得る。種々の実施例において、高速モード遷移パワーコンバータ１３８は、バックコンバータ又はバックブーストコンバータである。例示の実施例において、高速モード遷移パワーコンバータ１３８は補助電圧出力段（図２の２７０など）を含み、補助電圧出力段は、ターゲットアプリケーションに従って選択される、パワースイッチ（ＦＥＴスイッチなど）及び受動構成要素を含む。

図２は、例示の実施例に従った高速モード遷移パワーコンバータ２００を示す概略図である。高速モード遷移パワーコンバータ２００は、図１の高速モード遷移パワーコンバータ１３８の特定の実施例を含み、基板２０２上に任意で（全体的に又は部分的になど）形成される。概して説明される高速モード遷移パワーコンバータ２００は、モード信号生成器２１０、モードコントローラ２２０、センサ２２８、ＰＦＭコントローラ２４０、ＰＷＭコントローラ２５０、パワー出力段２６０（例えば、電圧出力Ｖｏｕｔを生成するように動作し得る）、及び補助電圧出力段２７０（例えば、補助出力電圧Ｖａｕｘを生成するように動作し得る）を含む。

モード信号生成器２１０は、ＰＦＭモードでの又はＰＷＭモードでの電圧出力でオペレーションを選択するように動作し得る信号を生成する。モード信号生成器は、（図１に図示するような）ＣＰＵ １１２など、プロセッサからの信号に応答して動作され得る。種々の実施例において、プロセッサは、電子システム１２９が受信モードにあるか又は送信モードにあるかを判定するネットワークインタフェースプロトコルなどの通信ネットワークプロトコルに応答して、モード信号生成器２１０に信号を送る。例えば、モード信号生成器２１０は、トランシーバの選択された送信／受信モードに応答して、高速モード遷移パワーコンバータ２００の動作モードを選択する。従って、高速モード遷移パワーコンバータ２００は、特定の動作モードに関連付けられる規格に従って動作電力を供給するように動作し得る。

モード信号生成器２１０は、モードコントローラ２２０に結合される。例えば、モードコントローラ２２０は、遷移のタイミングを制御するように、及び制御信号をバッファするように動作し得る。任意選択の電流センサ２３０は、動作負荷電流を測定するように動作し得る。モード信号生成器２１０は、任意選択で、センサ２２８に応答する（例えば、動作電流負荷に応答して動作モードを選択するように動作し得る）。センサ２２８は、電流センサ２３０及びゼロ交差検出器２３２を含み、これらはいずれも、パワー出力段２６０の制御スイッチに制御情報を提供する。

更に特定して言えば、ＰＦＭコントローラ２４０は、ＰＦＭコントローラ２４５、スイッチ２４７、及び、パワー段２６０を駆動するロジックユニット２４９を含む。ＰＦＭコントローラ２４０において、ＰＦＭコントローラ２４５は、電圧基準Ｖｒｅｆ及び電圧出力Ｖｏｕｔに、及び、パワー段２６０を駆動するロジックユニット２４９へのＰＦＭコントローラ２４５の接続を制御するスイッチ２４７に結合される。ＰＷＭコントローラ２５５は、電圧基準Ｖｒｅｆとスイッチ２５１とに結合され、スイッチ２５１は、電圧出力ＶｏｕｔへのＰＷＭコントローラ２５５の接続を制御する。モードコントローラ２２０は、ＰＦＭコントローラ２４０のスイッチ２４７に結合される。例えば、高速モード遷移パワーコンバータ２００がＰＦＭモードで動作しているとき、スイッチ２４７は、ＰＦＭコントローラ２４５の出力をロジックユニット２４９の入力に選択的に結合するように動作し得る。

同様に、ＰＷＭコントローラ２５０は、スイッチ２５１、スイッチ２５３、ＰＷＭコントローラ２５５、スイッチ２５７、スイッチ２５８、及び、補助パワー段２７０を駆動するロジックユニット２５９を含む。ＰＷＭコントローラ２５５はスイッチ２５３にも結合され、スイッチ２５３は、補助出力電圧ＶａｕｘへのＰＷＭコントローラ２５５の接続を制御する。ＰＷＭコントローラ２５５はスイッチ２５７にも結合され、スイッチ２５７は、ＰＦＭコントローラ２４０のロジックユニット２４９へのＰＷＭコントローラ２５５の接続を制御する。ＰＷＭコントローラ２５５はスイッチ２５８にも結合され、スイッチ２５８は、ロジックユニット２５９へのＰＷＭコントローラ２５５の接続を制御する。モードコントローラ２２０は、ＰＷＭコントローラ２５０のスイッチ２５１、２５３、２５７、及び２５８に結合される。

例えば、スイッチ２５１は、高速モード遷移パワーコンバータ２００がＰＷＭモードで動作しているとき、電圧出力Ｖｏｕｔを、ＰＷＭコントローラ２５５の入力に選択的に結合するように動作し得る。スイッチ２５７は、ＰＷＭコントローラ２５５の出力を、パワー段２６０を駆動するロジックユニット２４９の入力に選択的に結合するように動作し得る。ＰＷＭモードに遷移する速度を増大させるため、スイッチ２５８は、ＰＷＭモードに入る前にＰＷＭコントローラ２５５の出力をロジックユニット２４９の入力に選択的に結合する（これは、補助電圧源２７０をアクティブにする）ように動作し得る。スイッチ２５３は、（スイッチ２５１が開である間）閉じられ、これは、（補助電圧生成器２７０により生成される）Ｖａｕｘ信号をＰＷＭコントローラ２５５の入力に結合する。（例えば、静止モード又はＰＦＭモードで動作している間）ＰＷＭモードに入る前にＶａｕｘ信号をＰＷＭコントローラに結合することで、高速モード遷移パワーコンバータ２５０の既存の動作モードを実質的に中断することなく、ＰＷＭコントローラ２５０制御ループの安定化が開始される。

パワー出力段２６０はパワーＦＥＴスイッチ２６５を含み、パワーＦＥＴスイッチ２６５は、電圧源をインダクタＬなどのエネルギーストレージ要素の第１の端子に選択的に結合するように動作し得る。インダクタＬの第２の端子が、キャパシタＣのハイサイドと出力電圧ノードＶｏｕｔとに結合される。負荷が、任意選択でノードＶｏｕｔに結合され、任意選択で電流センサ２３０を含む。パワースイッチ２６５は、ロジックユニット２４９の出力に応答して駆動される。

補助電圧出力段２７０はＦＥＴスイッチ２７５を含む。パワーＦＥＴスイッチ２７５は、出力パワー段２６０に存在する受動構成要素の周波数応答をエミュレートするように動作し得るネットワークの入力端子に電圧源を選択的に結合するように動作し得る。例えば、バックコンバータを制御するとき、「ＬＣ」周波数応答がエミュレートされる。受動ネットワークは、第１のレジスタＲ１及び第２のレジスタＲ２を含む。第１のキャパシタＣ１が、レジスタネットワークの中央ノードと接地との間（例えば、Ｒ１とＲ２の間）に結合される。第２のキャパシタＣ２が、レジスタネットワークの出力端子と接地との間に結合される。Ｃ２の出力端子は、補助電圧出力Ｖａｕｘを提供する。例えば、構成要素Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、及びＣ２は、ＰＷＭコントローラ２５０（及びＰＦＭコントローラ２４０）と同じ基板上に形成され、フィードバック信号Ｖａｕｘを含むＰＷＭコントローラ２５０のループが安定であるように選択される。パワースイッチ２７５は、供給電圧がＶａｕｘに変換されるように、ＰＷＭコントローラ２５０のロジックユニット２５９の出力に応答して駆動される。用いられないとき、パワースイッチ２７５は、供給電圧が分圧器の中央ノードに結合されず、従って電力消費が低減されるように、任意選択で開状態に置かれる。

オペレーションにおいて、モード信号生成器２１０及び任意選択の電流センサ２３０は、入力信号をモードコントローラ２２０に提供し、これは、入力信号に応答してＰＦＭコントローラ２４０及びＰＷＭコントローラ２５０のスイッチを作動させる（開閉するなど）。ＰＦＭモード（ＰＦＭオンリーモードなど）で動作させるため、モードコントローラ２２０は、（例えば、ＰＷＭコントローラ２５０の他のスイッチが開のままである間）ＰＦＭコントローラ２４０のスイッチ２４７を閉じるようシグナリングする。従って、ＰＦＭコントローラ２４０のロジックユニット２４９は、ＰＦＭコントローラ２４５により生成されるＰＦＭモード信号に応答して出力電圧Ｖｏｕｔを制御するように動作し得る。

補助ＰＷＭモードにおいて、ＰＦＭモードでの動作からＰＷＭモードへの高速遷移を促進するために、ＰＷＭモードがＰＦＭモードと並列に動作される。補助ＰＷＭモードに入るため、モードコントローラ２２０は、ＰＷＭコントローラ２５０のスイッチ２５３及び２５８を閉じるようにシグナリングする。スイッチ２５３及び２５８が閉である（及びスイッチ２５１及び２５７が開である）とき、ＰＷＭコントローラ２５５は、補助電圧ＶａｕｘをＶｒｅｆの電圧と（例えば、Ｖｒｅｆの電圧に対して）比較するように配され、それに応答して、補助電圧Ｖａｕｘ（これは、補助電圧出力段２７０により出力される）をレギュレートするための制御信号を生成する。補助ＰＷＭモード（補助電圧出力段２７０が動作するモード）において動作することは、パワー出力段２６０がオペレーションのＰＷＭモードで動作し続けるとき消費し得るよりも実質的に少ない電力を消費する。例えば、電力消費の低減の結果、制限された電力消費アプリケーションにおいて（バッテリー電力から動作するときなど）動作時間が増大される。

ＰＦＭでの動作から（例えば標準の）ＰＷＭモードでの動作へ遷移するため、モードコントローラ２２０は、ＰＷＭコントローラ２５０のスイッチ２５１及び２５７を閉じる（及びスイッチ２５３及び２５８が開である）ようにシグナリングする。Ｖａｕｘの電圧は、典型的に、（ａ）スイッチ２５３及び２５８が閉であり、スイッチ２５１及び２５７が開であるとき、及び（ｂ）スイッチ２５３及び２５８が開であり、スイッチ２５１及び２５７が閉であるときの両方のケースにおいて、ＰＷＭコントローラ２５０の動作ポイントが同じ値にセトリングするように、Ｖｏｕｔの公称電圧と同じ電圧であるように選択される。先に述べたケースの動作ポイントは、オンチップ構成要素の形成におけるミスマッチに起因して、わずかに異なり得る。例えば、同様の動作ポイントを有することが、動作モード間の高速遷移を促進する。スイッチ２５１及び２５７が閉であるとき、ＰＷＭコントローラ２５５は、出力電圧ＶｏｕｔをＶｒｅｆの電圧に対して比較するように配され、これに応答して、出力電圧Ｖｏｕｔをレギュレートするために制御信号を生成する。

モードコントローラ２２０が、ＰＷＭコントローラ２５０のスイッチ２５１及び２５７を閉じさせるとき（又は、例えば、そのすぐ後）、モードコントローラ２２０は、ＰＦＭコントローラ２４０のスイッチ２４７を開き、これは、パワー出力段２６０の制御をＰＷＭコントローラ２５０に移す。ＰＦＭからＰＷＭへの遷移が完了した後、補助ＰＷＭモードは（例えば任意選択で）、スイッチ２５３及び２５８を開く（及び補助電圧源２７０をシャットダウンする）ようにシグナリングするモードコントローラ２２０により開放される（disengaged）。モード信号生成器２１０からモードコントローラ２２０への入力が、高速モード遷移パワーコンバータ２００がＰＷＭモードでの動作からＰＦＭモードでの動作に戻って遷移することを示すとき、モードコントローラ２２０は、スイッチ２４７を閉じるようにシグナリングし、及び（例えば、ほぼ同時に）スイッチ２５１及び２５７を開くようにシグナリングする。

図３は、例示の実施例に従った高速モード遷移パワーコンバータのスイッチング波形及び出力電圧を図示する波形図である。概して説明される波形図３００は、高速モード遷移パワーコンバータの種々の信号の、経時的な電圧及び状態の変化を図示する。波形図３００は、イネーブルＰＦＭ信号（ＥＮ＿ＰＦＭ）３１０、イネーブルＰＷＭ信号（ＥＮ＿ＰＷＭ）３２０、イネーブル補助ＰＷＭ信号（ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ）３３０、出力電圧（Ｖｏｕｔ）３４０、及び補助電圧（Ｖａｕｘ）３５０を含む。イネーブル信号ＥＮ＿ＰＦＭ３１０、ＥＮ＿ＰＷＭ３２０、及びＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ３３０は、図２に図示した高速モード遷移パワーコンバータ２００のモード信号生成器２１０により生成されるものなど、デジタル信号を表す。

ＥＮ＿ＰＦＭ３１０、ＥＮ＿ＰＷＭ３２０、及びＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ３３０の各々に対する低電圧は「オフ」状態を表し、高電圧は「オン」状態を表す。波形図３００における垂直線は、高速モード遷移パワーコンバータ１３８及び／又は高速モード遷移パワーコンバータ２００のオペレーションの間生じる、特定の時間期間を区切る。

出力電圧（Ｖｏｕｔ）３４０及び補助電圧（Ｖａｕｘ）３５０は、図２に図示した、それぞれ、パワー出力段２６０及び補助電圧出力段２７０により生成されるような経時的なこれらの電圧の大きさを表す。パワー出力段２６０は、パワー出力段２６０が出力電圧（Ｖｏｕｔ）を生成し始めるように、ＥＮ＿ＰＦＭ３１０の正の遷移によりイネーブルされる。Ｖｏｕｔ３４０は、ＰＦＭモード３６２の初期部分の間上昇し、ＰＦＭモード３６２の後の部分の間ＰＦＭコントローラ２４０によってレギュレーションが達成されるとき、低閾値電圧と高閾値電圧との間で変動する。

ＰＷＭモードに入ることを予期する際（例えば、トランシーバコントローラによって決まる）、ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ３３０がアサートされ、補助ＰＷＭモード（ＡＵＸ＿ＰＷＭ期間３７２など）がエンターされる。ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ３３０がアサートされるとき、Ｖａｕｘ３５０は、Ｖｏｕｔ３４０のターゲット電圧にほぼ等しい電圧まで上昇する。Ｖａｕｘ３５０がこのほぼ等しいターゲット電圧まで上昇するとき、ＰＷＭコントローラ２５０によってレギュレーションが達成される。

補助ＰＷＭモードの間、ＰＷＭコントローラ２５０によってレギュレーションが達成された後（又は、例えば、充分な時間長の後）、ＥＮ＿ＰＦＭ３１０がデアサートされ（例えば、ネゲート（無効に）され）、ＥＮ＿ＰＷＭ３２０がアサートされる。このとき（例えば、ほぼこの頃）、ＰＷＭコントローラ２５０は（基準としてＶａｕｘ３５０を用いて）、パワー出力段２６０をレギュレートするために用いられる。従って、ＰＷＭコントローラ２５０のオペレーション（フィードバック安定性を達成することなど）は、電圧Ｖｏｕｔ３４０をレギュレートするために（例えば、まだ）結合されることなく、ブートストラップされる。

ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ３３０がデアサートされる頃、ＰＷＭモードがエンターされる（及び補助ＰＷＭモードが励起される）。ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ３３０がデアサートされるとき、ＰＷＭコントローラ２５０は、（例えば選択的に結合される）Ｖｏｕｔ３４０を基準として用いてパワー出力段２６０をレギュレートする。一実施例において、補助電圧出力段２７０がもはやレギュレートされず、従ってＶａｕｘ３５０が下がり始めるように、このとき、信号Ｖａｕｘ３５０は、ＰＷＭコントローラ２５５の入力から結合解除される。

ＰＷＭモードを出ることを予期する際（例えば、トランシーバコントローラによって決まる）、ＥＮ＿ＰＷＭ３２０がデアサートされ、ＰＦＭモード（ＰＦＭ期間３６４など）がエンターされる。ＥＮ＿ＰＷＭ３２０がデアサートされるとき、上述のようにＰＦＭモードがエンターされるように、ＥＮ＿ＰＦＭ３１０がアサートされる。このとき信号ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭが任意選択でアサートされるか、又は時間Ｔｆｌｅｘ（時間フレックス）３９６の後（例えば、時間Ｔｆｌｅｘ３９６にわたって電力消費を低減するために）アサートされる。Ｖｏｕｔ３４０が２つの閾値電圧間で変動するとき、ＰＦＭコントローラ２４０によってレギュレーションが達成される。

次のＰＷＭモードに入ることを予期する際、上述のようにＰＷＭコントローラ２５９をブートストラップするために補助ＰＷＭモードが用いられる。（例えば、必ずしも）必要とされないとき（ＰＦＭモードの間など）ＰＷＭコントローラをオフにすることは電力を節約するが、ＰＷＭコントローラ２５０を再度アクティブにするときＰＷＭコントローラ２５０をブートストラップするために付加的な時間が必要となる。従って、ＰＷＭコントローラ２５０をブートストラップするために補助ＰＷＭモードを用いることで、そうでなければＰＷＭコントローラ２５０をブートストラップするために必要とされる時間量が低減され、高速モード遷移を提供することによりシステムの全体的な電力消費が低減される。

従って、ＰＦＭ時間期間３６２、３６４、及び３６６は、高速モード遷移パワーコンバータ１３８がＰＦＭモードで動作しているように、イネーブル信号ＥＮ＿ＰＦＭ３１０がオンである期間である。ＰＷＭ時間期間３７２及び３７４は、イネーブル信号ＥＮ＿ＰＷＭ３２０がイネーブルされ、高速モード遷移パワーコンバータ１３８がＰＷＭモードで動作している期間である。ＡＵＸ＿ＰＷＭ時間期間３８２、３８４、及び３８６は、イネーブル信号ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ３３０がイネーブルされ、高速モード遷移パワーコンバータ１３８が補助ＰＷＭモードで動作しており、しばしば同時に高速モード遷移パワーコンバータ１３８がＰＦＭモードで動作している期間である。

従って、補助電圧出力段２７０（図２に図示される）によって提供される補助電圧Ｖａｕｘ３５０は、ＰＦＭモードでの高速モード遷移パワーコンバータ１３８のオペレーションからＰＷＭモードでのオペレーションへの遷移の間、Ｖｏｕｔ３４０の急速な電力セトリングを提供するように動作し得る。

Ｔｆｌｅｘ（フレキシブル時間）時間期間３９６は、ＰＦＭ３６４の第１の部分におけるＥＮ＿ＰＦＭ３１０のアサーションの後、イネーブル信号ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ３３０が任意選択で一層長い時間オフのままとなる（例えば、ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ３３０の部分３３４により示されるような）時間期間である。補助電圧（Ｖａｕｘ）波形の部分３５４は、イネーブル信号ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭが任意選択で時間期間３９６の間オフのままであるとき補助電圧出力段２７０（図２に図示される）によって達成される補助電圧（Ｖａｕｘ）の一層低いレベルを表す。

図４は、例示の実施例に従った高速モード遷移パワーコンバータの、スイッチング波形、出力電圧、及び電流を図示する波形シミュレーションである。概して説明される波形図４００は、イネーブルＰＦＭ信号（ＥＮ＿ＰＦＭ）４１０、イネーブルＰＷＭ信号（ＥＮ＿ＰＷＭ）４２０、イネーブル補助ＰＷＭ信号（ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ）４３０、出力電圧（Ｖｏｕｔ）４４０、補助電圧（Ｖａｕｘ）４５０、負荷電流４６０、インダクタ電流４７０、及び供給電流４８０の波形を図示する。

波形図４００は、ＰＦＭモードにおけるオペレーションからＰＷＭモードへの遷移に応答する高速モード遷移パワーコンバータ１３８の内部電流の出力電圧及び測定値のシミュレーション結果を図示する。（ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ）信号４３０は、補助ＰＷＭモードの間のＶａｕｘ４５０レギュレーション制御信号の動作を表す。初期的に、イネーブルＰＦＭ信号（ＥＮ＿ＰＦＭ）４１０が、シミュレーションの開始時にアサートされる。約５００．０マイクロ秒に対応する時間に、イネーブルＰＷＭ信号（ＥＮ＿ＰＷＭ）４２０がアサートされる。約５０４.０マイクロ秒（「ＰＦＭからＰＷＭへの遷移時間ポイント」）において、高速モード遷移パワーコンバータがＰＦＭモードからＰＷＭモードへ遷移するようにイネーブルＰＦＭ信号（ＥＮ＿ＰＦＭ）４１０がデアサートされる。ＰＦＭからＰＷＭへの遷移時間ポイントにおいて、（例えば、フィードバック信号として、ＶａｕｘではなくＶｏｕｔを用いることにより）レギュレーションの一時的欠落が、出力電圧（Ｖｏｕｔ）４４０及び補助電圧（Ｖａｕｘ）４５０両方においてスパイクを生じさせる。スパイクの程度は、フィードバックループが安定化し、現在レギュレートされている電圧両方が約５１１．０マイクロ秒において（例えば比較的短い時間期間において）安定したＰＷＭモードパターンにセトリングするように、低減する。約５１１．０マイクロ秒以降（その間、依然としてスイッチングされている一方でレギュレーションの欠落などに起因して、補助電圧Ｖａｕｘ４５０が上昇する）、出力電圧（Ｖｏｕｔ）４４０は、（例えば、フィードバック信号としてＶｏｕｔを用いることにより）約１．８ボルトの電圧を維持するようにレギュレートされる。

同様に、（例えば、図２に図示されるパワー出力段２６０のインダクタＬにおける）インダクタ電流４７０は、ＰＦＭからＰＷＭへの遷移時間ポイントにおいて流れ始め、（たとえ、約５１０．０マイクロ秒において生じる負荷電流４６０における増大がある場合でも）約５１１．０マイクロ秒までに安定したＰＷＭモードパターンにセトリングする。

供給電流４８０は、インダクタ電流４７０によりソースされる。供給電流４８０における小さなスパイクがＰＦＭからＰＷＭへの遷移時間ポイントにおいて生じ、約５１１．０マイクロ秒までにセトリングする。従って、イネーブル補助ＰＷＭ信号（ＥＮ＿ＡＵＸＩＬＩＡＲＹ＿ＰＷＭ）４３０に応答して、例えば補助電圧出力段２７０により生成されるような、補助電圧（Ｖａｕｘ）４５０の存在は、高速モード遷移パワーコンバータ１３８に、ＰＦＭモードからＰＷＭモードへ急速に遷移させ、電力セトリングが約７マイクロ秒内に起こる。従って、出力電圧段の出力電圧は、第２の時間期間の開始後、約８マイクロ秒未満の時間内にレギュレートされる（例えば、出力電圧は、パワー出力段により生成される電力における約１パーセント未満の変動でレギュレートされる）。

図５は、例示の実施例に従った、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータのオペレーションの方法を説明するフローチャートである。プログラムフロー５００は、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータがＰＦＭモードで動作し始めるオペレーション５１０において始まる。プログラムフローはオペレーション５１２に続く。

オペレーション５１２において、パワーコンバータの補助電圧出力段は、（任意選択で）ＰＷＭモードへの潜在的な遷移のための準備において動作し始める。このような準備には、補助電圧出力段における回路要素の電力供給されていない部分に電力を印加することが含まれる。種々の実施例において（例えば、電力消費のレートが現在は制限要因ではない応用例などにおいて）、パワーコンバータの補助電圧出力段は、「ウォーム（warm）」状態でパワーアップされたままである。ウォーム状態の間、全ての電力が補助電圧出力段から取り除かれるわけではない（例えば、これは、ＰＦＭ及びＰＷＭモード間で切り替わるときレイテンシーを低減する）。プログラムフローはオペレーション５１４に進む。

オペレーション５１４において、補助電圧出力段のモードコントローラは、モード信号生成器から信号を受信する。信号モード生成器は、補助ＰＷＭ（ＡＵＸ＿ＰＷＭ）モードに遷移するために信号を生成する。例えば、こういった信号は、電子通信システムのオペレーションモード（送信または受信など）の指示を提供する、プロセッサからの信号に応答して生成される。プロセッサから信号は、任意選択で、履歴の伝送パターンに応答して生成され（例えば、経時的な送信及び受信モードが、データベースにストアされたデータによって表されるなど）、及び／又は所定のタイマー値の満了に応答して生成される。プログラムフローはオペレーション５１６に続く。

オペレーション５１６において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータのモードコントローラは、動作を継続するための信号が受信されたか否かを判定する。受信された場合、プログラムフローはオペレーション５２０に続く。受信されていない場合、プログラムフローは終了する。プログラムフローは、任意選択で、オペレーション５１０におけるプログラムフローの開始で再開される。

オペレーション５２０において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータのモードコントローラは、ＰＷＭモードでの動作を可能にするための信号が受信されたか否かを判定する。受信された場合、プログラムフローはオペレーション５２２に続く。受信されない場合、プログラムフローは待機する（又は、例えば、オペレーション５１０に進むことによりリスタートする）。

オペレーション５２２において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータのモードコントローラは、補助ＰＷＭ（ＡＵＸ＿ＰＷＭ）モードが動作中であるか否かを判定する。動作中である場合、プログラムフローはオペレーション５３０に続く。動作中でない場合、プログラムフローはオペレーション５２４に進む。

オペレーション５２４において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータは、補助ＰＷＭ（ＡＵＸ＿ＰＷＭ）モードで動作し始める（これは、例えば、ＰＷＭモードがエンターされる前にＰＷＭコントローラのフィードバックループを安定化させることによって、ＰＷＭコントローラの初期化のレイテンシーを低減する）。プログラムフローはオペレーション５３０に続く。

オペレーション５３０において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータは、ＰＷＭモードで動作し始め、及び同時に又はそのすぐ後、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータは、ＰＦＭモードでの動作を停止する。プログラムフローはオペレーション５３２に続く。

オペレーション５３２において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータは、任意選択で、プロセッサからの信号に応答して補助ＰＷＭ（ＡＵＸ＿ＰＷＭ）モードでの動作を停止する。例えば、補助ＰＷＭモードの動作を停止することは、そうでなければＡＵＸ＿ＰＷＭモードで用いられる構成要素を給電するために用いられる電力を節約する。プログラムフローはオペレーション５３４に進む。

オペレーション５３４において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータのモードコントローラは、モード信号生成器から信号を受信する。プログラムフローはオペレーション５３６に続く。

オペレーション５３６において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータのモードコントローラは、動作を継続するための信号が受信されたか否かを判定する。受信された場合、プログラムフローはオペレーション５３８に続く。受信されなかった場合、プログラムフローは終了する。プログラムフローは、任意選択で、オペレーション５１０におけるプログラムフローの再開で再開され（リスタートされるなど）得る。

オペレーション５３８において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータのモードコントローラは、ＰＦＭモードでの動作を可能にする信号が受信されたか否かを判定する。受信された場合、プログラムフローはオペレーション５４０に続く。受信されなかった場合、プログラムフローは、オペレーション５３４に進む。

オペレーション５４０において、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータは、ＰＦＭモードで動作し始め、同時に又はそのすぐ後、補助電圧出力段を備えたパワーコンバータは、ＰＷＭモードでの動作を停止する。プログラムフローはオペレーション５１２に続く。

種々の実施例において、上述の構成要素は、内部的に又は外部的に、ハードウェア又はソフトウェアにおいて実装され得、及び他のモジュール及び本願において図示するような構成要素と機能性を共有し得る。

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

Claims (17)

1. コンバータであって、
   第１の電圧出力を生成するように構成されるパワー出力段と、
   第２の電圧出力を生成するように構成される補助パワー出力段と、
   前記パワー出力段がパルス周波数変調（ＰＦＭ）モードで動作する第１の時間期間の間に前記パワー出力段により生成される前記第１の電圧出力に応答して前記パワー出力段を制御するように構成されるＰＦＭコントローラと、
   前記補助パワー出力段がパルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作する第２の時間期間の間に前記補助パワー出力段により生成される前記第２の電圧出力に応答して前記補助パワー出力段を制御し、前記第２の時間期間と前記第１の時間期間とに続く第３の時間期間の間に前記パワー出力段を制御するように構成されるＰＷＭコントローラと、
   を含み、
   前記第１の時間期間が第１の継続期間を有し、前記第２の時間期間が第２の継続期間を有し、前記第１の継続期間が前記第２の継続期間よりも大きく、前記ＰＦＭコントローラが前記パワー出力段を制御して前記第１の電圧出力を生成し、同時に、前記ＰＷＭコントローラが前記補助パワー出力段を制御して前記第２の電圧出力を生成するように、前記第１の時間期間の一部のみが前記第２の時間期間と同時である、コンバータ。
2. 請求項１に記載のコンバータであって、
   前記第１の時間期間と第２の時間期間とが実質的に同じ時間に終了する、コンバータ。
3. 請求項２に記載のコンバータであって、
   前記第２の時間期間が前記第１の時間期間が始まる後に始まる、コンバータ。
4. 請求項１に記載のコンバータであって、
   前記ＰＷＭコントローラがフィードバック信号に応答して前記パワー出力段と前記補助パワー出力段とを制御し、
   前記フィードバック信号が、前記第２の時間期間の間に前記第２の電圧出力に基づき、前記第３の時間期間の間に前記第１の電圧出力に基づく、コンバータ。
5. 請求項１に記載のコンバータであって、
   前記第１の時間期間が前記第３の時間期間の後に始まる、コンバータ。
6. 方法であって、
   第１の継続期間を有する第１の時間期間の間にパルス周波数変調（ＰＦＭ）モードでパワー出力段を制御することと、
   第２の継続期間を有する第２の時間期間の間にパルス幅変調（ＰＷＭ）モードで補助パワー出力段を制御することと、
   を含み、
   前記第１の継続期間が前記第２の継続期間よりも大きく、前記パワー出力段が第１の電圧出力を生成し、同時に、前記補助パワー出力段が第２の電圧出力を生成するように、前記第１の時間期間の一部のみが前記第２の時間期間に重なる、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   第３の時間期間の間に前記ＰＷＭモードで前記パワー出力段を制御することを更に含み、前記第３の時間期間が前記第１又は第２の時間期間のどちらとも重ならない、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   前記第３の時間期間が前記第１の時間期間の後に起こる、方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、
   前記第１の時間期間と前記第２の時間期間とが実質的に同じ時間に完了する、方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、
    前記第１の時間期間と前記第２の時間期間とが異なる時間に始まる、方法。
11. 請求項９に記載の方法であって、
    前記第３の時間期間の後に起こる第４の時間期間の間に前記ＰＦＭモードで前記パワー出力段を制御することと、
    前記第３の時間期間の後に起こる第５の時間期間の間に前記ＰＷＭモードで前記補助パワー出力段を制御することと、
    を更に含み、
    少なくとも前記第４の時間期間の一部が前記第５の時間期間に重なる、方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記第４の時間期間と前記第５の時間期間とが、実質的に同じ時間に完了するが、異なる時間に始まる、方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記第５の時間期間が前記第４の時間期間の後に始まる、方法。
14. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記第４の時間期間と前記第５の時間期間とが実質的に同じ時間に開始して停止する、方法。
15. システムであって、
    送信モードでデータを送信し、受信モードでデータを受信する入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートと、
    前記Ｉ／Ｏポートに電力を供給するパワーコンバータと、
    を含み、
    前記パワーコンバータが、
    第１の電圧出力を生成するパワー出力段と、
    第２の電圧出力を生成する補助パワー出力段と、
    前記Ｉ／Ｏポートが前記受信モードで動作する第１の時間期間の間に前記パワー出力段により生成される前記第１の電圧出力に応答して前記パワー出力段を制御するパルス周波数変調（ＰＦＭ）コントローラと、
    第２の時間期間の間に前記補助パワー出力段により生成される前記第２の電圧出力に応答して前記補助パワー出力段を制御し、前記第２の時間期間と前記第１の時間期間とに続く第３の時間期間の間に前記パワー出力段を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラと、
    を含み、
    前記第１の時間期間が第１の継続期間を有し、前記第２の時間期間が第２の継続期間を有し、前記第１の継続期間が前記第２の継続期間よりも大きく、前記ＰＦＭコントローラが前記パワー出力段を制御して前記第１の電圧出力を生成し、同時に、前記ＰＷＭコントローラが前記補助パワー出力段を制御して前記第２の電圧出力を生成するように、前記第１の時間期間の一部のみが前記第２の時間期間と同時である、システム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記第１の時間期間と前記第２の時間期間とが実質的に同じ時間に完了する、システム。
17. 請求項１６に記載のシステムであって、
    前記第１の時間期間と前記第２の時間期間とが異なる時間に始まる、システム。

Images