(57)【要約】【課題】  効率的な複数電力出力を提供するための装置、システム、方法、および電源機構を提供することにある。【解決手段】  ブリッジ・モジュールへの入力として１次電圧を受け取り、ブリッジ・モジュールの出力として１つまたは複数の２次電圧を提供することによって、効率的な複数電力出力が提供される。２次電圧は、変圧器の１つまたは複数のそれぞれの２次巻線の２次側で発生される。ブリッジ・モジュールは、変圧器の１次巻線側の少なくとも１組の１次相補スイッチ対と、変圧器のそれぞれの２次巻線の２次側の１組の２次相補スイッチ対とを含む。２次出力電圧は、１つまたは複数の出力電圧調整モジュールによってブリッジ・モジュールから受け取られる。各出力電圧調整モジュールは、入力としてブリッジ・モジュールから２次電圧の１つを受け取り、出力として少なくとも１つの調整出力電圧を提供する。【選択図】  図２
2010158150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
効率的な複数電力出力を提供するための装置であって、前記装置が、
入力として１次電圧を受け取り、出力として１つまたは複数の２次電圧を提供するブリッジ・モジュールであって、前記１つまたは複数の２次電圧が実質的に直流（「ＤＣ」）の電圧であり、前記１つまたは複数の２次電圧が変圧器の１つまたは複数のそれぞれの２次巻線の２次側で発生され、前記１つまたは複数の２次巻線が前記変圧器の１次巻線に結合され、前記ブリッジ・モジュールが前記変圧器の前記１次巻線側の少なくとも１組の１次相補スイッチ対と前記変圧器のそれぞれの２次巻線の前記２次側の１組の２次相補スイッチ対とを含み、前記相補スイッチが前記２次電圧を発生するように約５０％のデューティ・サイクルで開ループで操作される、ブリッジ・モジュールと、
１つまたは複数の出力電圧調整モジュールであって、各出力電圧調整モジュールが入力として前記ブリッジ・モジュールから前記２次電圧の１つを受け取り、出力として少なくとも１つの調整出力電圧を提供し、前記１つまたは複数の出力電圧調整モジュールのそれぞれが前記ブリッジ・モジュールの前記１つまたは複数の２次巻線の１つにそれぞれ対応する、１つまたは複数の出力電圧調整モジュールと、
を含む、装置。
【請求項２】
少なくとも前記変圧器の前記１次巻線側の前記１次相補スイッチ対のスイッチがゼロ電圧スイッチング・モードで操作される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記変圧器の前記１次巻線側の前記１次相補スイッチ対の前記スイッチが半ブリッジ・トポロジに構成される、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記１次相補スイッチ対が第１の１次相補スイッチ対であり、前記ブリッジ・モジュールが第２の１次相補スイッチ対をさらに含み、前記第１および第２の１次相補スイッチ対が完全ブリッジ・トポロジに構成され、前記第１および第２の１次相補スイッチ対がゼロ電圧スイッチング・モードで操作される、請求項１記載の装置。
【請求項５】
各調整出力電圧が、前記変圧器の前記２次側で提供される対応する２次電圧から定義済みしきい電圧以内になるように構成される、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記出力電圧調整モジュールのそれぞれが、少なくとも１つのスイッチと１つのスイッチ・コントローラとを備えた出力スイッチング・レギュレータを含み、前記スイッチ・コントローラが前記対応する調整出力電圧を調整するように前記少なくとも１つのスイッチを操作し、前記出力スイッチング・レギュレータが定義済み効率しきい値より上で動作するように各調整出力電圧に関する前記定義済みしきい電圧が定義される、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記定義済み効率が、前記出力スイッチング・レギュレータが最高効率付近で動作する、前記出力スイッチング・レギュレータのデューティ・サイクル範囲に対応する、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記出力電圧調整モジュールの少なくとも１つが、単一２次巻線から導出された少なくとも２つの調整出力電圧を提供する、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記単一２次巻線から導出された前記少なくとも２つの調整出力電圧のそれぞれが、前記単一２次巻線の前記２次側で発生された前記対応する２次電圧から所定のしきい電圧以内になるように構成される、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記単一２次巻線から導出された前記少なくとも２つの調整出力電圧のそれぞれが、少なくとも１つのスイッチと１つのスイッチ・コントローラとを備えた個別出力スイッチング・レギュレータによって調整され、前記スイッチ・コントローラが前記対応する調整出力電圧を調整するように前記少なくとも１つのスイッチを操作する、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
効率的な複数電力出力を提供するためのシステムであって、前記システムが、
１つまたは複数の電子装置に電力を提供するように構成された電源機構と、
入力として１次電圧を受け取り、出力として１つまたは複数の２次電圧を提供するブリッジ・モジュールであって、前記１つまたは複数の２次電圧が実質的に直流（「ＤＣ」）の電圧であり、前記１つまたは複数の２次電圧が変圧器の１つまたは複数のそれぞれの２次巻線の２次側で発生され、前記１つまたは複数の２次巻線が前記変圧器の１次巻線に結合され、前記ブリッジ・モジュールが前記変圧器の前記１次巻線側の少なくとも１組の１次相補スイッチ対と前記変圧器のそれぞれの２次巻線の前記２次側の１組の２次相補スイッチ対とを含み、前記相補スイッチが前記２次電圧を発生するように約５０％のデューティ・サイクルで開ループで操作される、ブリッジ・モジュールと、
１つまたは複数の出力電圧調整モジュールであって、各出力電圧調整モジュールが入力として前記ブリッジ・モジュールから前記２次電圧の１つを受け取り、出力として少なくとも１つの調整出力電圧を提供し、前記１つまたは複数の出力電圧調整モジュールのそれぞれが前記ブリッジ・モジュールの前記１つまたは複数の２次巻線の１つにそれぞれ対応する、１つまたは複数の出力電圧調整モジュールと、
を含む、システム。
【請求項１２】
前記電源機構から調整電力を受け取る１つまたは複数の電子装置をさらに含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の電子装置のうちの少なくとも１つが、ブレード・サーバ、周辺装置相互接続（「ＰＣＩ」）カード、パーソナル・コンピュータ、ラップトップ、ルータ、スイッチ、携帯情報端末、電気器具、およびデジタル・メディア・プレーヤのうちの１つを含む、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
効率的な複数電力出力を提供する方法であって、前記方法が、
ブリッジ・モジュールへの入力として１次電圧を受け取り、前記ブリッジ・モジュールの出力として１つまたは複数の２次電圧を提供するステップであって、前記１つまたは複数の２次電圧が実質的に直流（「ＤＣ」）の電圧であり、前記１つまたは複数の２次電圧が変圧器の１つまたは複数のそれぞれの２次巻線の２次側で発生され、前記１つまたは複数の２次巻線が前記変圧器の１次巻線に結合され、前記ブリッジ・モジュールが前記変圧器の前記１次巻線側の少なくとも１組の１次相補スイッチ対と前記変圧器のそれぞれの２次巻線の前記２次側の１組の２次相補スイッチ対とを含み、前記相補スイッチが前記２次電圧を発生するように約５０％のデューティ・サイクルで開ループで操作されるステップと、
１つまたは複数の出力電圧調整モジュールへの入力として前記ブリッジ・モジュールから２次出力電圧を受け取るステップであって、各出力電圧調整モジュールが入力として前記ブリッジ・モジュールから前記２次電圧の１つを受け取り、出力として少なくとも１つの調整出力電圧を提供し、前記１つまたは複数の出力電圧調整モジュールのそれぞれが前記ブリッジ・モジュールの前記１つまたは複数の２次巻線の１つにそれぞれ対応するステップと、
を含む、方法。
【請求項１５】
少なくとも前記変圧器の前記１次巻線側の前記１次相補スイッチ対のスイッチをゼロ電圧スイッチング・モードで操作するステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記変圧器の前記１次巻線側の前記１次相補スイッチ対の前記スイッチが半ブリッジ・トポロジに構成される、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記１次相補スイッチ対が第１の１次相補スイッチ対であり、前記ブリッジ・モジュールが第２の１次相補スイッチ対をさらに含み、前記第１および第２の１次相補スイッチ対が完全ブリッジ・トポロジに構成され、前記第１および第２の１次相補スイッチ対がゼロ電圧スイッチング・モードで操作される、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
各調整出力電圧が、前記変圧器の前記２次側で提供される対応する２次電圧から定義済みしきい電圧以内になるように構成される、請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記出力調整モジュールのそれぞれが、少なくとも１つのスイッチと１つのスイッチ・コントローラとを備えた出力スイッチング・レギュレータを含み、前記スイッチ・コントローラが前記対応する調整出力電圧を調整するように前記少なくとも１つのスイッチを操作し、前記出力スイッチング・レギュレータが定義済み効率しきい値より上で動作するように各調整出力電圧に関する前記定義済みしきい電圧が定義される、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
効率的な複数電力出力を提供するための電源機構であって、前記電源機構が、
入力として１次電圧を受け取り、出力として１つまたは複数の２次電圧を提供するブリッジ・モジュールであって、前記１つまたは複数の２次電圧が実質的に直流（「ＤＣ」）の電圧であり、前記１つまたは複数の２次電圧が変圧器の１つまたは複数のそれぞれの２次巻線の２次側で発生され、前記１つまたは複数の２次巻線が前記変圧器の１次巻線に結合され、前記ブリッジ・モジュールが半ブリッジ・トポロジに構成された前記変圧器の前記１次巻線側の少なくとも１組の１次相補スイッチ対と前記変圧器のそれぞれの２次巻線の前記２次側の１組の２次相補スイッチ対とを含み、前記相補スイッチが前記２次電圧を発生するように約５０％のデューティ・サイクルで開ループで操作され、ゼロ電圧スイッチング・モードで操作される、ブリッジ・モジュールと、
１つまたは複数の出力電圧調整モジュールであって、各出力電圧調整モジュールが入力として前記ブリッジ・モジュールから前記２次電圧の１つを受け取り、出力として少なくとも１つの調整出力電圧を提供し、前記１つまたは複数の出力電圧調整モジュールのそれぞれが前記ブリッジ・モジュールの前記１つまたは複数の２次巻線の１つにそれぞれ対応し、各調整出力電圧が、前記変圧器の前記２次側で提供される対応する２次電圧から定義済みしきい電圧以内になるように構成され、各調整モジュールが、少なくとも１つのスイッチと１つのスイッチ・コントローラとを備えた出力スイッチング・レギュレータを含み、前記スイッチ・コントローラが前記対応する調整出力電圧を調整するように前記少なくとも１つのスイッチを操作し、前記出力スイッチング・レギュレータが定義済み効率しきい値より上で動作するように各調整出力電圧に関する前記定義済みしきい電圧が定義される、１つまたは複数の出力電圧調整モジュールと、
を含む、電源機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源機構に関し、詳細には、複数の電力出力を備えた電源機構の効率を高めることに関する。
【背景技術】
【０００２】
時には電源ユニットまたはＰＳＵとして知られる電源機構は、電気またはその他のタイプのエネルギーを１つまたは１群の負荷に供給する装置またはシステムである。いくつかの実施形態では、電源機構は、交流（「ＡＣ」）電力から直流（「ＤＣ」）電力に変換するなど、ある形式から他の形式に電力を変換するように構成することができる。電源機構の調整は、典型的には、電源機構の出力電圧または出力電流あるいはその両方を特定の値に厳重に制御するための回路を取り入れることによって行われる。この特定の値は、典型的には、電源機構の出力に提示される負荷の変動または電源機構の入力における適度な電圧変動にもかかわらず、綿密に維持される。
【０００３】
たとえば、コンピュータなどの電子装置の電源機構は、典型的には、電子装置の内部コンポーネントに伝達するために、通常のコンセントから伝統的に提供されるようなＡＣ電圧入力を数種類の低電圧ＤＣ電力出力に変換するように設計されている。この変換は、典型的には、整流段階、アクティブ高調波フィルタなどの前調整（pre-regulation）段階、レギュレータ／チョッパ段階など、様々な段階を含むことができる、いくつかの段階で実行される。これらの段階は、ブースト（boost）段階、バック（buck）段階、またはその他の派生トポロジなどの様々なトポロジに構成することができる。
【０００４】
様々な電子装置に主電力出力を提供することに加えて、電源機構は往々にして、電子装置内のバックグラウンド・システムおよびサブシステムに補助電力および予備電力を提供するように構成される。たとえば、電子装置が完全に動作可能ではないかまたはオフになっている場合でも、システム・クロック、システム・コントローラ、システム・モニターなどに電力供給するために依然として電力が必要である可能性がある。従来の電源機構は、典型的には、主電力ならびに予備電力および補助電力を提供するために、数段階の電力変換を含む。いくつかの実施形態では、電源機構自体は、電源機構内の制御および駆動回路を動かすための補助電力を必要とする可能性がある。一般的なシステムでは、１２ボルトの主出力電圧を発生することができる。追加の変換段階を実装することによって、主出力電圧から追加の５ボルトおよび３．３ボルトの補助電圧を導出することができるが、その変換段階は実装するには高価である可能性があり、電源機構の効率を低下させるものである。
【０００５】
たとえば、１２ボルトの主出力電圧を提供する電源機構では、ＤＣ−ＤＣレギュレータを使用して、１２ボルトの出力を３．３ボルトの出力に変換し、予備回路に電力を提供することができる。追加のＤＣ−ＤＣレギュレータは、相当な電力損失を追加することになり、実装するには費用がかかる可能性がある。電力は複数回変換され、各段階で損失が発生する場合に非効率が倍加するので、この実施形態は非効率的である。いくつかの実施形態では、補助回路および予備回路で必要になる可能性のある追加の電圧レベルを発生するために、いくつかのＤＣ−ＤＣレギュレータの追加が必要になる可能性がある。予備電力および補助電力を提供するこのような従来の方法の最終結果としては、電力系統の総合効率が低下し、コストは上昇する。
【０００６】
したがって、ほとんどの多段式電力系統は、各段階での電力損失のために総合効率があまり高くない。たとえば、第１段階の効率が９６％であり、第２段階が９０％であり、第３段階が８７％である場合、この回路の総合効率はわずか７５％になる。この結果、全体的に効率が失われることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の考察により、複数の連続変換段階を使用せずに複数電力出力を効率的に提供する装置、システム、および方法が必要であることは明白であるはずである。有利なことに、このような装置、システム、および方法は、非常に効率的に、場合によっては９０％を超える効率で、補助電力および予備電力を提供するであろう。これは、従来技術で行われている複数段階の使用を回避し、その代わりに、１次段階が典型的にはゼロ電圧スイッチングの５０／５０デューティ・サイクル・ブリッジ変換器である複数出力電源機構を使用することによって実施される。このようなレギュレータの出力は、１つの共通変圧器または複数変圧器の複数巻線上で使用可能になる。各巻線出力は、好ましくは、プロセス内の最小損失で調整出力を提供するためにパルス幅変調される。順次変換段階の数が減少しているので、電源機構の総合効率を大幅に高めることができる。
【０００８】
本発明は、当技術分野の現状に応じて、特に、現在入手可能な電源機構およびレギュレータでは完全に解決されていない当技術分野の問題および要求に応じて開発されたものである。したがって、本発明は、当技術分野の上述の短所のうちの多くまたは全部を克服する、効率的な複数電力出力を提供するための装置、システム、および方法を提供するように開発されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この装置には、１つのブリッジ・モジュールと１つまたは複数の出力電圧調整モジュールとを含む、複数のモジュールが設けられている。ブリッジ・モジュールは、典型的には、入力として１次電圧を受け取り、出力として１つまたは複数の２次電圧を提供する。１つまたは複数の２次電圧は実質的に直流（「ＤＣ」）の電圧であり、１つまたは複数の２次電圧は、変圧器の１つまたは複数のそれぞれの２次巻線の２次側で発生される。１つまたは複数の２次巻線は変圧器の１次巻線に結合される。ブリッジ・モジュールは、変圧器の１次巻線側の少なくとも１組の１次相補スイッチ対（complementary pair of switches）と、変圧器のそれぞれの２次巻線の２次側の１組の２次相補スイッチ対とを含む。相補スイッチは、変圧器の２次側で２次電圧を発生するように、約５０％のデューティ・サイクルで開ループで操作される。
【００１０】
各出力電圧調整モジュールは、入力としてブリッジ・モジュールから２次電圧の１つを受け取り、出力として少なくとも１つの調整出力電圧を提供する。１つまたは複数の出力電圧調整モジュールのそれぞれは、ブリッジ・モジュールの１つまたは複数の２次巻線の１つにそれぞれ対応する。
【００１１】
一実施形態では、少なくとも変圧器の１次巻線側の１次相補スイッチ対のスイッチはゼロ電圧スイッチング・モードで操作される。他の一実施形態では、変圧器の１次巻線側の１次相補スイッチ対のスイッチは半ブリッジ・トポロジ（half-bridge topology）に構成される。代替一実施形態では、１次相補スイッチ対は第１の１次相補スイッチ対であり、ブリッジ・モジュールは第２の１次相補スイッチ対も含む。第１および第２の１次相補スイッチ対は、第１および第２の１次相補スイッチ対がゼロ電圧スイッチング・モードで操作される、完全ブリッジ・トポロジ（full-bridge topology）に構成することができる。
【００１２】
一実施形態では、各調整出力電圧は、変圧器の２次側で提供される対応する２次電圧から定義済みしきい電圧以内になるように構成される。これにより、電源機構の効率がさらに向上する。他の一実施形態では、出力調整モジュールのそれぞれは、少なくとも１つのスイッチと１つのスイッチ・コントローラとを備えた出力スイッチング・レギュレータを含み、スイッチ・コントローラは対応する調整出力電圧を調整するように少なくとも１つのスイッチを操作する。各調整出力電圧に関する定義済みしきい電圧は、出力スイッチング・レギュレータが定義済み効率しきい値より上で動作するように定義することができる。典型的には、調整出力電圧が対応する２次電圧に近くなるほど、電源機構の効率が良くなる。場合によっては、定義済み効率しきい値は、出力スイッチング・レギュレータが最高効率付近で動作する、出力スイッチング・レギュレータのデューティ・サイクル範囲に対応する。
【００１３】
一実施形態では、出力電圧調整モジュールの少なくとも１つは、変圧器の単一２次巻線から導出された少なくとも２つの調整出力電圧を提供する。他の諸実施形態では、単一２次巻線から導出された少なくとも２つの調整出力電圧のそれぞれは、単一２次巻線の２次側で発生された対応する２次電圧から所定のしきい電圧以内になるように構成される。２つの出力電圧は、特に２つの出力電圧と対応する２次電圧の値がすべて接近しているときに、単一巻線から効率的に導出することができる。単一２次巻線から導出された少なくとも２つの調整出力電圧のそれぞれは、少なくとも１つのスイッチと１つのスイッチ・コントローラとを備えた個別出力スイッチング・レギュレータによって調整することができる。好ましくは、スイッチ・コントローラは、対応する調整出力電圧を所望の値に調整するように少なくとも１つのスイッチを操作する。
【００１４】
この装置に関して上述したモジュールおよび実施形態を実質的に含む、本発明のシステムも提示される。このシステムは、典型的には、１つまたは複数の電子装置に電力を供給するように構成された電源機構を含み、この電源機構は、上述の通り、１つのブリッジ・モジュールと２つ以上の出力電圧調整モジュールとを含む。
【００１５】
このシステムは、電源機構から調整電力を受け取る１つまたは複数の電子装置をさらに含むことができる。一実施形態では、１つまたは複数の電子装置のうちの少なくとも１つは、ブレード・サーバ、周辺装置相互接続（「ＰＣＩ」）カード、パーソナル・コンピュータ、ラップトップ、ルータ、スイッチ、携帯情報端末、電気器具、およびデジタル・メディア・プレーヤのうちの１つを含む。
【００１６】
効率的な複数電力出力を提供するための本発明の方法も提示される。開示された諸実施形態の方法は、実質的に、上記の装置およびシステムの動作に関して上記で提示した諸機能を実行するために必要な諸ステップを含む。一実施形態では、この方法は、ブリッジ・モジュールへの入力として１次電圧を受け取り、ブリッジ・モジュールの出力として１つまたは複数の２次電圧を提供するステップを含む。１つまたは複数の２次電圧は実質的に直流（「ＤＣ」）の電圧であり、１つまたは複数の２次電圧は、変圧器の１つまたは複数のそれぞれの２次巻線の２次側で発生される。１つまたは複数の２次巻線は好ましくは変圧器の１次巻線に結合される。ブリッジ・モジュールは、変圧器の１次巻線側の少なくとも１組の１次相補スイッチ対と、変圧器のそれぞれの２次巻線の２次側の１組の２次相補スイッチ対とを含む。相補スイッチは、２次電圧を発生するように、約５０％のデューティ・サイクルで開ループで操作される。
【００１７】
また、この方法は、１つまたは複数の出力電圧調整モジュールへの入力としてブリッジ・モジュールから２次出力電圧を受け取るステップも含む。各出力電圧調整モジュールは、入力としてブリッジ・モジュールから２次電圧の１つを受け取り、出力として少なくとも１つの調整出力電圧を提供する。１つまたは複数の出力電圧調整モジュールのそれぞれは、ブリッジ・モジュールの１つまたは複数の２次巻線の１つにそれぞれ対応する。
【００１８】
一実施形態では、少なくとも変圧器の１次巻線側の１次相補スイッチ対のスイッチはゼロ電圧スイッチング・モードで操作される。他の一実施形態では、変圧器の１次巻線側の１次相補スイッチ対のスイッチは半ブリッジ・トポロジに構成される。さらに他の実施形態では、１次相補スイッチ対は第１の１次相補スイッチ対であり、ブリッジ・モジュールは第２の１次相補スイッチ対も含む。第１および第２の１次相補スイッチ対は、好ましくは、完全ブリッジ・トポロジに構成され、第１および第２の１次相補スイッチ対はゼロ電圧スイッチング・モードで操作される。
【００１９】
一実施形態では、各調整出力電圧は、変圧器の２次側で提供される対応する２次電圧から定義済みしきい電圧以内になるように構成される。他の一実施形態では、出力調整モジュールのそれぞれは、少なくとも１つのスイッチと１つのスイッチ・コントローラとを備えた出力スイッチング・レギュレータを含む。スイッチ・コントローラは対応する調整出力電圧を調整するように少なくとも１つのスイッチを操作する。各調整出力電圧に関する定義済みしきい電圧は、出力スイッチング・レギュレータが定義済み効率しきい値より上で動作するように定義される。
【００２０】
上記のモジュール、諸実施形態、および諸ステップを含み、本明細書に記載されている装置、システム、および方法を実質的に包含する電源機構も提示される。
【００２１】
本明細書全体を通じて特徴、利点、または同様の言い回しに言及する場合、本発明によって実現可能な特徴および利点のすべてが本発明の任意の単一実施形態に含まれるはずであるかまたは含まれていることを示すわけではない。むしろ、特徴および利点に言及する言い回しは、１つの実施形態に関して記載されている特定の特徴、利点、また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ものと理解される。したがって、本明細書全体を通じて特徴および利点ならびに同様の言い回しを考察する場合、同じ実施形態を指す可能性もあるが、必ずしも同じ実施形態を指すわけではない。
【００２２】
さらに、本発明の上記の特徴、利点、および特性は、任意の適切な方法で１つまたは複数の実施形態に結合することができる。当業者であれば、特定の実施形態の特定の特徴または利点のうちの１つまたは複数がなくても本発明を実施できることを認識するであろう。他の事例では、本発明のすべての実施形態に存在するわけではない追加の特徴および利点を特定の諸実施形態で認識することができる。
【００２３】
本発明の上記の特徴および利点は、以下の説明および特許請求の範囲により、さらに完全に明らかなものになるか、または以下に示す本発明の実施例によって習得することができる。
【００２４】
本発明の利点が容易に理解されるように、簡潔に上述した本発明のより詳細な説明は、添付図面に例示されている特定の諸実施形態を参照することによって表現されるであろう。これらの図面が本発明の典型的な実施形態のみを描写しており、したがって、その範囲を制限するものであると見なすべきではないことを理解し、添付図面の使用によりさらに具体的かつ詳細に本発明について記述し説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるシステムの一実施形態を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明による電源機構の一実施形態を示す概略ブロック図である。
【図３】本発明によるブリッジ・モジュールの一実施形態を備えた電源機構の一実施形態を示す概略ブロック図である。
【図４】本発明による１つのブリッジ・モジュールと２つの調整モジュールの詳細な諸実施形態を備えた電源機構の一実施形態を示す概略ブロック図である。
【図５】本発明による単一２次巻線を共用する２つの調整モジュールの一実施形態を示す概略ブロック図である。
【図６】本発明による効率的な複数電力出力を提供するための方法の一実施形態を示す概略流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
それぞれの実装上の独立性を詳細に強調するために、本明細書に記載されている機能ユニットの多くはモジュールとして示されている。たとえば、カスタムＶＬＳＩ回路またはゲート・アレイ、論理チップなどの既製の半導体、トランジスタ、またはその他の個別部品を含むハードウェア回路としてモジュールを実装することができる。また、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、プログラマブル・アレイ・ロジック、プログラマブル論理デバイスなどのプログラマブル・ハードウェア・デバイスにモジュールを実装することもできる。
【００２７】
また、様々なタイプのプロセッサによって実行するためのソフトウェアでモジュールを実装することもできる。たとえば、実行可能コードからなる識別されたモジュールは、たとえば、オブジェクト、プロシージャ、または関数として編成可能な複数のコンピュータ命令からなる１つまたは複数の物理または論理ブロックを含むことができる。それにもかかわらず、識別されたモジュールの実行可能コードは、物理的に一緒に位置する必要はないが、異なる位置に保管された複数の異種命令を含むことができ、その命令は、論理的にまとめて結合されたときに、そのモジュールを含み、そのモジュールの所定の目的を達成する。
【００２８】
実際に、実行可能コードからなるモジュールは、単一命令または多数の命令にすることができ、複数の異なるコード・セグメント、異なるプログラム、および複数のメモリ・デバイスに分散することもできる。同様に、オペレーショナル・データは、モジュール内で識別し例示することができ、任意の適切な形式で実施し、任意の適切なタイプのデータ構造内に編成することができる。このオペレーショナル・データは、単一データ・セットとして収集するか、異なる記憶装置を含む異なる位置に分散するか、または少なくとも部分的に、単にシステムまたはネットワーク上の電子信号として存在することもできる。１つのモジュールまたは１つのモジュールの複数部分がソフトウェアで実装される場合、そのソフトウェア部分は１つまたは複数のコンピュータ可読媒体上に保管される。
【００２９】
本明細書全体を通じて「一実施形態（one embodiment）」、「１つの実施形態（an embodiment）」、または同様の言い回しに言及する場合、その実施形態に関して記載されている特定の特徴、構造、また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、本明細書全体を通じて「一実施形態では（in one embodiment）」、「１つの実施形態では（in anembodiment）」という語句ならびに同様の言い回しが出現する場合、すべて同じ実施形態を指す可能性もあるが、必ずしも同じ実施形態を指すわけではない。
【００３０】
コンピュータ可読媒体に言及する場合、デジタル処理装置上に機械可読命令を保管可能な任意の形を取ることができる。コンピュータ可読媒体は、伝送路、コンパクト・ディスク、デジタル・ビデオ・ディスク、磁気テープ、ベルヌーイ・ドライブ、磁気ディスク、パンチ・カード、フラッシュ・メモリ、集積回路、またはその他のデジタル処理装置メモリ・デバイスによって実施することができる。
【００３１】
さらに、本発明の上記の特徴、構造、または特性は、任意の適切な方法で１つまたは複数の実施形態に結合することができる。以下の説明では、本発明の諸実施形態を完全に理解するために、プログラミング、ソフトウェア・モジュール、ユーザ選択、ネットワーク・トランザクション、データベース照会、データベース構造、ハードウェア・モジュール、ハードウェア回路、ハードウェア・チップなどの例など、多数の具体的な詳細が提供される。しかし、当業者であれば、具体的な詳細の１つまたは複数がないか、あるいはその他の方法、コンポーネント、材料などでも、本発明を実施できることを認識するであろう。他の事例では、本発明の諸態様を曖昧にするのを回避するために、周知の構造、材料、または操作については詳細に図示または記述しない。
【００３２】
本明細書に含まれる概略流れ図は、一般に、論理流れ図として示されている。このため、描写されている順序および表示されている諸ステップは、提示されている方法の一実施形態を示している。機能、論理、または効果の点で例示されている方法の１つまたは複数のステップあるいはその一部分と同等のその他のステップおよび方法も想像することができる。さらに、使用しているフォーマットおよび記号は、この方法の論理ステップを説明するために提供されており、この方法の範囲を制限しないものと理解されている。流れ図では様々な矢印タイプおよび線種を使用することができるが、これらは、対応する方法の範囲を制限しないものと理解されている。実際に、いくつかの矢印またはその他の結合子は、この方法の論理の流れのみを示すために使用することができる。たとえば、ある矢印は、描写されている方法の列挙された諸ステップ間に未指定の持続時間の待機期間またはモニター期間があることを示す場合もある。さらに、特定の方法が行われる順序は、示されている対応する諸ステップの順序に厳密に準拠する場合もあれば、準拠しない場合もある。
【００３３】
図１は、本発明による効率的な複数電力出力を提供するシステム１００の一実施形態を示す概略ブロック図である。システム１００は、電源機構１０２と、電子装置１０４と、調整バス１０８と、負荷１０６とを含む。
【００３４】
電源機構１０２は、電子装置１０４内の様々な電子システムおよびサブシステムに電力を供給するために、電子装置１０４に調整電力を提供する。電源機構１０２は、典型的には、調整バス１０８または同様のデバイスによって電子装置１０４に接続される。調整バス１０８および電源機構１０２は、１つまたは複数の異なる電圧および電流を電子装置１０４に提供するように構成することができる。たとえば、典型的な電源機構では、一般に、＋１２ボルト、＋５ボルト、＋３．３ボルト、および−１２ボルトの電圧が提供される。好ましくは、電源機構１０２はスイッチング電源機構である。当業者であれば認識されるように、スイッチング電源機構またはスイッチトモード電源機構（「ＳＭＰＳ：switched-mode power supply」）は、スイッチング・レギュレータを取り入れた電源機構である。スイッチング・レギュレータは、所望の出力信号を発生するために可変デューティ・サイクルでトランジスタまたはその他のスイッチのオン／オフを切り替えることによって電力を調整する。
【００３５】
様々な諸実施形態では、電子装置１０４は、デスクトップ、ラップトップ、またはサーバなどのコンピュータ・システムにすることができ、電源機構１０２は、コンピュータ・システムの様々なコンポーネントに電力を提供するように構成することができる。他の諸実施形態では、電子装置１０４は、当業者によって認識されるように、ブレード・サーバ、周辺装置相互接続（「ＰＣＩ」）カード、ルータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、スイッチ、電気器具、デジタル・メディア・プレーヤ、ディスプレイ、またはその他の電子装置などの装置を含むことができる。一実施形態では、電源機構１０２は、コンピュータ・タワー・ケース内など、電子装置１０４と同じ筐体内に実装することができる。他の諸実施形態では、電源機構１０２は、電子装置１０４の外部に実装することができ、ブレード・センター内などのコード、ケーブル、またはバスなどの接続手段を介して電子装置１０４に接続することができる。
【００３６】
電子装置１０４により電源機構１０２に負荷１０６が加えられる。負荷１０６の量は電源機構１０２のパフォーマンスに影響を及ぼす可能性がある。電源機構１０２は、好ましくは、指定の負荷１０６に併せて効率的に動作するように構成される。一実施形態では、負荷１０６は、電子装置１０４の動作特性に応じて様々になる可能性があり、電源機構１０２は、それに応じて調節するように構成することができる。たとえば、電源機構１０２は、負荷１０６の変化に応じて電源機構１０２の電力出力特性を調節するためのフィードバック信号を含むことができる。典型的には、電源機構１０２は、変化する負荷条件下で実質的に一定の電圧レベルを電子装置１０４に提供するように、調整バス１０８上の電圧を調整する。様々な諸実施形態では、負荷１０６は、電子装置１０４の内部、電子装置１０４の外部、またはその両方にある可能性がある。
【００３７】
本発明により、システム１００は、好ましくは、効率的かつ費用対効果が大きい方法でバイアス電圧、補助電圧、および予備電圧を提供するように構成される。従来の電源機構１０２は、電圧および電流を変換し調整するための様々な段階を含むことができる。様々なタイプの段階としては、たとえば、バック・コンバータ、ブースト・コンバータ、フライバック・コンバータなどと、これらのタイプの諸段階の多くの変形例を含むことができる。調整段階は、典型的には、調整電力源を提供するために、ダイオード、キャパシタ、およびスイッチからなる何らかの構成に併せて、インダクタを利用する。特に一般的な構成では、典型的には壁付きコンセントから提供される入力交流（「ＡＣ」）信号を整流するために、整流段階を使用することができる。一実施形態では、整流信号を受け取って、それを通常は約４００ボルトのブースト直流（「ＤＣ」）電圧信号に変換するために、ブースト・レギュレータまたはブースト・コンバータを設けることができる。当然のことながら、様々な諸実施形態では、他の電圧レベルのブースト電圧を提供することもできる。その場合、ブースト信号は１つまたは複数の２次段階に提供され、そこでさらにその信号を１２ボルト、５ボルト、３．３ボルトの信号などの所望のフォーマットに変換する。必要とされる所望のバイアス電力信号、補助電力信号、および予備電力信号のすべてを入手するために、多数の追加の段階が必要になる場合も多い。この結果、多大な電力損失と非効率が発生し、追加の段階は構築し実装するには高価なものになる可能性がある。
【００３８】
本発明は、補助電圧および予備電圧を含む複数の異種出力電圧を発生するために複数の順次変換段階を使用することを回避することにより、電力損失および高コストを低減する。本発明により、電源機構１０２は、ゼロ電圧スイッチングの５０／５０ブリッジ変換器と同様の１次段階を含むことができる。ゼロ電圧スイッチングとは、ブリッジ電力変換器内のスイッチ間に実質的に電圧がまったく発生していないときにスイッチが閉じられるかオンになることを意味する。５０／５０とは、実質的に完全なデューティ・サイクルが達成され、すべてのスイッチによって等しく共用されるように、ブリッジ電力変換器（すなわち、半ブリッジ変換器、完全ブリッジ変換器、プッシュプル変換器）を構成する相補スイッチ対がそれぞれ約５０％のデューティ・サイクルで操作されることを意味する。これにより、実質的に一定の直流（「ＤＣ」）電圧をブリッジ変換器の出力として達成することができ、フィードバック信号によるパルス幅変調なしに開ループ・モードでブリッジ変換器を操作することができる。
【００３９】
しかし、当業者によって認識されるように、ゼロ電圧スイッチング（「ＺＶＳ」）の間、第１の相補スイッチは対応する相補スイッチと正確に同時にオン／オフになるわけではない。むしろ、スイッチは、典型的には、スイッチの寄生キャパシタンスを利用するために、わずかにアンダラップしたパターン（slightly underlapping patterns）でオン／オフになり、それにより損失を低減する。典型的には、あるスイッチが開くのは、対応する相補スイッチが閉じられる少し前である。これにより、遷移中のスイッチの寄生キャパシタンスが入力の電圧まで充電するときに、閉じられようとしているスイッチにおける電圧を強制的にゼロにすることができる。閉じるスイッチにおける電圧がほとんどないかまたはまったくない状態でスイッチングすることにより寄生スイッチング損失が大幅に低減され、その結果、電源機構の効率が高まるので、ゼロ電圧スイッチングは望ましいものである。当業者であれば、ゼロ電圧スイッチングの利点および動作を認識するであろう。
【００４０】
ほぼ５０％のデューティ・サイクルを１次段階に使用することにより、このデューティ・サイクルは、一定の高効率を保証する固定デューティ・サイクルで開ループを動かすことができる。１次段階用のデューティ・サイクルは、複数のスイッチが開くときと他のスイッチが閉じるときとのギャップが十分になり、その結果、１次段階が絶えずゼロ電圧スイッチング・モードで動作できるように設定される。また、開ループを動かすことにより、コンポーネントのコストを低減することができる。
【００４１】
本発明により、ブリッジ変換器の出力は、１つの共通変圧器または複数変圧器の複数巻線上で使用可能になる。各個別巻線出力は、最小電力損失で調整出力（すなわち、＋１２ボルトなどの主出力電圧に加えて、＋５ボルトおよび＋３．３ボルトなどの補助電圧および予備電圧）を提供するためにパルス幅変調される。これにより、所望の出力電圧を発生するために必要な段階の数を低減することにより、システム１００は非常に高い効率を達成することができる。
【００４２】
図２は、本発明による電源機構１０２の一実施形態を示す概略ブロック図である。電源機構１０２は、１つのブリッジ・モジュール２０２と、複数の調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂとを含む。ブリッジ・モジュール２０２は、入力として１次電圧Ｖｉｎを受け取り、出力として１つまたは複数の２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２を提供する。様々な諸実施形態では、１次電圧Ｖｉｎは、様々な供給源によって提供することができる。たとえば、一般的な一実施形態では、１次電圧Ｖｉｎは、電源機構１０２内のブーストまたはバック段階などの事前調整段階によって提供することができる。他の諸実施形態では、他の電源機構または電力源などの外部供給源によって１次電圧Ｖｉｎが提供される可能性もある。
【００４３】
ブリッジ・モジュール２０２は、典型的には、変圧器の入力側の１つの１次巻線と、変圧器の出力側の１つまたは複数の２次巻線とを備えた、少なくとも１つの変圧器を含む。ブリッジ・モジュール２０２は、好ましくは、２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２を調整するために、変圧器の１次巻線側の少なくとも１組の１次相補スイッチ対と、変圧器のそれぞれの２次巻線の２次側の１組の２次相補スイッチ対とを含む。当業者であれば、半ブリッジ・トポロジが典型的には変圧器の１次側に単一組の１次相補スイッチ対を含み、完全ブリッジ・トポロジが典型的には変圧器の１次側に２組の１次相補スイッチ対を含むことを認識するであろう。当業者によって認識されるように、４つのスイッチを備えた完全ブリッジは、半ブリッジ・トポロジに関して本明細書に記載したものと同様の開ループのゼロ電圧スイッチング・モードで操作することもできる。
【００４４】
同様に、プッシュプル変換器は、開ループのゼロ電圧スイッチング・モードで操作することができる。本出願では実質的に半ブリッジ・トポロジを含む実施形態について説明するが、本発明により半ブリッジ変換器、完全ブリッジ変換器、プッシュプル変換器、およびその他の同様のトポロジを使用できることが企図されている。
【００４５】
１次および２次相補スイッチ対は、変圧器の１次側から変圧器の２次側に電力を渡すように操作される。好ましくは、相補スイッチは、変圧器のそれぞれの２次巻線の２次側で２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２を発生するように、約５０％のデューティ・サイクルで開ループのゼロ電圧スイッチング・モードで操作される。開ループでスイッチを操作することにより、フィードバック・コントローラの必要性なしにそれぞれの２次巻線の２次側で実質的に直流（「ＤＣ」）の電圧を発生することができる。スイッチの動作については以下に詳細に説明する。
【００４６】
電圧調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂはそれぞれ、入力として２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２の１つを受け取り、出力として少なくとも１つの調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２を提供する。好ましくは、変圧器のそれぞれの２次巻線の巻線数は、発生された２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２が所望の調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２付近であるかまたはそれよりわずかに大きくなるように選択される。一般に、２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２が調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２に近くなるほど、システムの効率が良くなる。たとえば、＋１２ボルトの調整出力電圧Ｖｏｕｔ１が所望である場合、対応する２次巻線の巻線数は、約＋１２．３ボルトの実質的にＤＣの２次電圧ＳＶ１を発生するように選択される可能性がある。いくつかの実施形態では、システム１００は、必要な動作効率を保証するために、それぞれの出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２が対応する２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２から定義済みしきい電圧以内になるように構成されるように設計できるであろう。たとえば、所望の仕様に応じて９０％または９５％の動作効率を保証するようにしきい値を設計できるであろう。
【００４７】
好ましくは、それぞれの電圧調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂは、出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２を調整するために１つのパルス幅変調器と１つまたは複数のスイッチとを含む、スイッチング・レギュレータである。パルス幅変調器は、出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２が実質的に一定の電圧レベルで調整されるように、フィードバック信号を使用してスイッチを操作することができる。様々な諸実施形態では、電圧調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂは、所望の出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２を所望の形で発生するためにインダクタまたはキャパシタなどの追加の調整および濾過回路も使用することができる。２つの電圧調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂのみが描写されているが、多くの電圧出力Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２を提供するために、変圧器の多数の２次巻線と併せて多数の電圧調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂを設けることができることが企図されている。
【００４８】
図３は、本発明によるブリッジ・モジュール２０２の一実施形態を備えた電源機構１０２の一実施形態を示す概略ブロック図である。描写されている通り、ブリッジ・モジュール２０２は、１組の１次相補スイッチ対Ｑ１、Ｑ２と、２つのキャパシタＣ１、Ｃ２と、１つの１次巻線ＰＷおよび２つの２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２を備えた１つの変圧器Ｔ１と、変圧器Ｔ１のそれぞれの２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２の２次側の１組の２次相補スイッチ対とを含む、半ブリッジ・トポロジを含む。
【００４９】
１次電圧Ｖｉｎは、ブリッジ・モジュール２０２への入力として受け取られ、２つのキャパシタＣ１、Ｃ２間で分割される。１次相補スイッチＱ１、Ｑ２は、電流が変圧器Ｔ１の１次巻線ＰＷを通過するように操作され、それにより、２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２に電流が発生する。１次相補スイッチＱ１、Ｑ２は、好ましくは、デューティ・サイクルを等しく共用するように操作される。したがって、各スイッチＱ１、Ｑ２は、一方のスイッチＱ１がオフになったときに、もう一方のスイッチＱ２がオンになり、逆もまた同様になるように、ゼロ電圧スイッチング・モードで約５０％のデューティ・サイクルで操作される。スイッチＱ１、Ｑ２がオン／オフを交互に行うと、電力が変圧器Ｔ１の２次側に変換され、そこで対応する２次相補スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６によって整流される。
【００５０】
デューティ・サイクルは、ゼロ電圧スイッチングを可能にするために５０％よりわずかに低い。たとえば、スイッチＱ１、Ｑ３、およびＱ５が開いたときに、スイッチＱ２、Ｑ４、およびＱ６は直ちに閉じられるわけではない。その代わりに、スイッチＱ１が開くと、変圧器Ｔ１の寄生インダクタンスおよびスイッチＱ１の寄生キャパシタンスにより、スイッチＱ１における電圧がキャパシタＣ１および変圧器における電圧に等しくなるように上昇する。これにより強制的にスイッチＱ２における電圧が瞬間的にゼロに近づく。その場合、スイッチＱ２は、スイッチＱ２における電圧がゼロに近い間、閉じることができ、その結果、スイッチング損失を低減することによって効率が高まる。また、スイッチＱ１は、スイッチＱ２が開いたときにゼロ電圧で切り替えられ、スイッチＱ２の寄生キャパシタンスを充電することができ、それにより、スイッチＱ１における電圧を強制的にゼロまたはゼロ付近まで低減する。
【００５１】
好ましくは、２次相補スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６も開ループ・モードで操作され、各スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６は約５０％のデューティ・サイクルを有する。２次相補スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６は、実質的にＤＣの２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２がブリッジ・モジュール２０２の出力で発生されるように、１次相補スイッチＱ１、Ｑ２の動作を反映してオン／オフになる。１次相補スイッチＱ１、Ｑ２のオン／オフが切り替わると、１次巻線ＰＷを通る電流の方向も変化することになる。その後、１次相補スイッチＱ１、Ｑ２のオン／オフが切り替わるたびに、２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２の電流も方向が変化することになる。したがって、２次相補スイッチ対Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６は、２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２が整流され、それにより、実質的に一定のＤＣ電圧を発生するように操作される。次に、整流された２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２は、調整および出力のために調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂに渡され、出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２になる。
【００５２】
図４は、本発明による１つのブリッジ・モジュール２０２と２つの調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂの詳細な諸実施形態を備えた電源機構１０２の一実施形態を示す概略ブロック図である。好ましくは、１つまたは複数調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂは、変圧器Ｔ１のそれぞれの２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２のために設けられる。描写されている実施形態では、それぞれの出力調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂは、１組のスイッチ対Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９、Ｑ１０と、そのスイッチを制御するためのスイッチ・コントローラまたはパルス幅変調器４０２ａ〜４０２ｂとを含む。パルス幅変調器４０２ａ〜４０２ｂは、所望の制約の範囲内で出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２を調整するように操作することができる。いくつかの実施形態では、パルス幅変調器４０２ａ〜４０２ｂは、より正確かつ効率的に出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２を調整するためにフィードバック信号を受け取ることができる。また、調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂは、インダクタＬ１、Ｌ２およびキャパシタＣ３、Ｃ４などの調整電圧を濾過するために追加の回路を含むこともできる。
【００５３】
典型的には、スイッチ対Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９、Ｑ１０は、一方がオンであるときにもう一方がオフになり、逆もまた同様になるように、相補式に操作される。たとえば、第１のスイッチＱ７がオンであり、第２のスイッチＱ８がオフであるときに、キャパシタＣ３は、入力２次出力電圧ＳＶ１によってインダクタＬ１を介して充電される。次に、第１のスイッチＱ７がオフであり、第２のスイッチＱ８がオンであるときに、キャパシタＣ３を再充電するためにスイッチがもう一度、逆転されるまで、インダクタＬ１の磁界およびキャパシタＣ３の電界から出力にエネルギーが供給される。このように、出力電圧Ｖｏｕｔ１は、実質的に一定の値に調整される。
【００５４】
２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２は、好ましくは所望の出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２から定義済みしきい電圧以内である実質的にＤＣの電圧であるので、出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２は調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂによって非常に効率的に調整することができる。いくつかの実施形態では、それぞれの調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２に関する定義済みしきい電圧は、出力スイッチング・レギュレータ・モジュール２０４ａ〜２０４ｂおよびそれに応じて電源機構１０２が定義済み効率しきい値より上で動作できるように定義することができる。本発明を使用して、９０％より高い電源機構効率レベルを達成できることが企図されている。さらに、それぞれの対応する出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２の値に非常に近い２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２を発生することにより、さらに高い効率レベルも達成することができる。
【００５５】
一実施形態では、２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２からのより円滑な入力信号ＳＶ１、ＳＶ２の維持を支援するために、各調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂの入力にキャパシタＣ５、Ｃ６を含むことができる。
【００５６】
当業者であれば、調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂを様々なトポロジで実装できることを認識するであろう。図４の調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂは「バック・タイプ（buck type）」コンバータとして描写されている。しかし、他の諸実施形態では、調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂを「ブースト・タイプ（boost type）」、「バック・ブースト・タイプ（buck-boost type）」、または当業者によって認識されるその他のトポロジで実装することができる。さらに、様々なトポロジのコンポーネントの変形例も企図されている。
【００５７】
たとえば、いくつかの実施形態では、スイッチＱ７、Ｑ８、Ｑ９、Ｑ１０のうちの１つまたは複数を１つまたは複数のダイオードで置き換えることもできる。しかし、効率を改善するためには、スイッチの方が好ましい。本発明により、２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２と調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２の値の関係が何らかの所定の効率範囲内にあるときに調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂが最も効率的に動作するように、トポロジが選択される。描写されている実施形態では、２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２の値が互いに接近しているが、調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２よりわずかに上であるときに、最高の効率が典型的に達成される。他のトポロジでは、バック導出トポロジとは異なるトポロジを有する調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂが、特定のトポロジについて最も効率的なデューティ・サイクル範囲で動作できるように、２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２は異なる方法で選択することができる。
【００５８】
したがって、調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂへの入力として実質的にＤＣの２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２を発生するためにブリッジ・モジュール２０２がゼロ電圧スイッチングの開ループ・モードで動作し、調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２に対する２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２の相対値に基づいて最高効率になるように調整モジュール２０４ａ〜２０４ｂが実装される場合、極めて高い効率を達成することができる。一般にブリッジ・モジュール２０２と調整モジュール２０４はいずれも非常に効率的に動作するので、高効率が達成される。
【００５９】
図５は、本発明による単一２次巻線を共用する２つの調整モジュール２０４ｂ〜２０４ｃの諸実施形態を示す概略ブロック図である。描写されている通り、２つの調整モジュール２０４ｂ〜２０４ｃは単一２次巻線ＳＷ２から調整出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３を導出する。調整モジュール２０４ｂ〜２０４ｃは入力として２次出力電圧ＳＶ２を受け取り、それぞれの調整モジュール２０４ｂ〜２０４ｃは、所望の出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３を調整し濾過するために、専用のスイッチＱ９、Ｑ１０、Ｑ１１、Ｑ１２と、バルス幅変調器４０２ｂ〜４０２ｃと、インダクタＬ２、Ｌ３と、キャパシタＣ３、Ｃ４とを有する。いくつかの実施形態では、ダイオードなどの追加の回路を使用して、第１の調整モジュール２０４ｂの回路を第２の調整モジュール２０４ｃから分離することができる。たとえば、第１のスイッチＱ９、Ｑ１１の直前の各調整モジュール２０４ｂ〜２０４ｃの入力にダイオードを配置することができる。
【００６０】
注目されている通り、複数の２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２を使用することによって得られる利点の１つは、所望の調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２に非常に近い２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２を発生することができ、それにより、電源機構１０２が非常に効率的に動作できることである。しかし、値が相互に非常に近い２つの個別出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３が望まれる場合もあり、その場合、単一２次巻線ＳＷ２を使用して両方の出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３を効率的に発生することもできる。
【００６１】
たとえば、システム１００が＋５ボルトと＋３．３ボルトの両方の出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３を必要とすると想定する。次に、ブリッジ・モジュール２０２が＋５．２ボルトの２次出力電圧ＳＶ２を発生するように構成されていると想定する。＋５ボルトと＋３．３ボルトの両方の出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３を＋５．２ボルトの２次出力電圧ＳＶ２から効率的に発生することができるように、この＋５．２ボルトの２次出力電圧ＳＶ２は所望の＋３．３ボルトの出力電圧Ｖｏｕｔ３に十分近いものにすることができる。
【００６２】
一実施形態では、特定の必要な効率しきい値に対応する定義済みしきい電圧を定義することができる。たとえば、２次出力電圧ＳＶ２は調整出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３から２ボルト以内であると指定することができる。このような場合、それぞれが２次電圧ＳＶ２から２ボルト以内にあるので、＋５ボルトと＋３．３ボルトの両方の出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３を＋５．２ボルトの単一２次出力電圧ＳＶ２から発生できることは明らかである。このような要件は、電源機構１０２が所望の効率しきい値より上で操作されることを保証するのに役に立つものである。
【００６３】
図６は、本発明による効率的な複数電力出力を提供するための方法６００の一実施形態を示す概略流れ図である。この方法６００は、実質的に上記の諸実施形態およびモジュールを含む。
【００６４】
方法６００は、ステップ６０２で、ブリッジ・モジュール２０２がブリッジ・モジュール２０２への入力として１次電圧を受け取ることから始まる。ブリッジ・モジュール２０２は、ステップ６０４で、出力として２つ以上の２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２を提供する。１つまたは複数の２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２は、好ましくは、変圧器Ｔ１の１つまたは複数のそれぞれの２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２の２次側で発生された実質的に直流の電圧である。１つまたは複数の２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２は、変圧器Ｔ１の１次巻線ＰＷに結合される。また、ブリッジ・モジュール２０２は、変圧器の１次側の少なくとも１組の相補スイッチ対Ｑ１、Ｑ２と、変圧器Ｔ１のそれぞれの２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２の２次側の１組の２次相補スイッチ対Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６とを含む。典型的には、１次相補スイッチ対は半ブリッジ・トポロジに構成される。しかし、完全ブリッジ・トポロジおよびプッシュプル変換器トポロジも企図されている。
【００６５】
相補スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６は、ステップ６０６で、出力として２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２を発生するように約５０％のデューティで開ループで操作される。２次出力電圧ＳＶ１、ＳＶ２は、ステップ６０８で、入力として１つまたは複数の出力電圧調整モジュール２０４ａ〜２０４ｃによって受け取られる。各出力電圧調整モジュールは、ステップ６０８で、ブリッジ・モジュール２０２から２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２の一方を受け取り、ステップ６１０で、出力として少なくとも１つの調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３を提供し、この方法６００は終了する。それぞれの出力電圧調整モジュール２０４ａ〜２０４ｃは、変圧器Ｔ１の１つまたは複数の２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２の１つにそれぞれ対応する。
【００６６】
方法６００の一実施形態では、少なくとも変圧器Ｔ１の１次側の１次相補スイッチ対Ｑ１、Ｑ２のスイッチはゼロ電圧スイッチング・モードで操作される。他の実施形態では、各調整出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３は、変圧器Ｔ１の２次側で提供される対応する２次電圧ＳＶ１、ＳＶ２から定義済みしきい電圧以内になるように構成することができる。いくつかの実施形態では、各定義済みしきい電圧は、調整モジュール２０４ａ〜２０４ｃまたは電源機構１０２全体に関する定義済み効率しきい値に対応する可能性がある。たとえば、定義済みしきい電圧は、電源機構１０２が９０％の効率レベルより上で動作することを保証するように定義することができる。
【００６７】
他の諸実施形態では、変圧器Ｔ１の単一２次巻線ＳＷ２から複数の調整出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３を発生することができる。このような一実施形態では、各調整出力電圧Ｖｏｕｔ２、Ｖｏｕｔ３は単一２次出力電圧ＳＶ２から定義済みしきい電圧以内（すなわち、３ボルト以内）になる。
【００６８】
このように、変圧器Ｔ１の複数の２次巻線ＳＷ１、ＳＷ２を使用して、電源機構１０２から不要な順次段階を除去することにより、複数の電力出力を非常に効率的に提供することができる。
【００６９】
本発明は、その精神または本質的な特性を逸脱せずに他の具体的な形で実施することができる。上記の諸実施形態は、すべての点において制限的なものではなく、例示なものとしてのみ見なすべきである。したがって、本発明の範囲は、上記の説明ではなく特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と同等の意味および範囲に該当するすべての変更は、それぞれの範囲内に包含されるべきものである。
【符号の説明】
【００７０】
１０２  電源機構
２０２  ブリッジ・モジュール
２０４ａ  調整モジュール
２０４ｂ  調整モジュール
【図１】
2010158150.tif 000003
【図２】
2010158150.tif 000004
【図３】
2010158150.tif 000005
【図４】
2010158150.tif 000006
【図５】
2010158150.tif 000007
【図６】
2010158150.tif 000008