(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器の出力に結合されて、可能とされたスイッチング・サイクル中にフィードバック信号サンプルを生成するフィードバック・サンプリング回路と、
前記フィードバック・サンプリング回路に結合されたスイッチ導通制御回路とを備え、
前記スイッチ導通制御回路は、
フィードバック信号サンプルに応じて、スイッチング・サイクル中に電力スイッチの導通を可能又は不能にするように結合されるスイッチ導通可能回路と、
現在のスイッチング・サイクル及び１つ以上の過去のスイッチング・サイクルからのフィードバック信号サンプルに応じて、現在のスイッチング・サイクルに引き続く１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数を決定するように結合された状態機械を備えたスイッチ導通スケジューリング回路とを含み、
前記１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数は、前記状態機械の状態に依存する、電力変換器コントローラ回路。
【請求項２】
前記電力スイッチの電流を検知するように結合される電流検知回路をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項３】
前記スイッチ導通制御回路は、前記電力スイッチの電流に応じて、可能とされたスイッチング・サイクル中に前記電力スイッチの導通を終了させるように結合されたスイッチ導通終了回路をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項４】
前記スイッチ導通終了回路は、前記フィードバック・サンプリング回路に結合されて、前記フィードバック・サンプリング回路に応じて前記電力スイッチの電流限界を変化させる、請求項３に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項５】
前記電力変換器コントローラ回路は、単一のモノリシック・デバイスに含まれる、請求項１に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項６】
前記電力変換器コントローラ回路及び前記電力スイッチは、単一の一モノリシック・デバイスに含まれる、請求項１に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項７】
前記フィードバック・サンプリング回路は、前記電力スイッチの導通が終了してからフィードバック信号サンプルがサンプリングされるまでの遅延時間を生成するように結合されたサンプリング信号生成器を含む、請求項１に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項８】
電力変換器入力と電力変換器出力の間に結合されたエネルギー伝送素子と、
前記エネルギー伝送素子及び前記電力変換器入力に結合された電力スイッチと、
前記電力変換器出力に結合されて、可能とされたスイッチング・サイクル中にフィードバック信号サンプルを生成するフィードバック・サンプリング回路と、
前記フィードバック・サンプリング回路に結合されたスイッチ導通制御回路とを備え、
前記スイッチ導通制御回路は、
フィードバック信号サンプルに応じて、スイッチング・サイクル中に前記電力スイッチの導通を可能又は不能にするように結合されたスイッチ導通可能回路と、
現在のスイッチング・サイクル及び１つ以上の過去のスイッチング・サイクルからのフィードバック信号サンプルに応じて、現在のスイッチング・サイクルに引き続く１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数を決定するように結合された状態機械を備えたスイッチ導通スケジューリング回路とを含み、
前記１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数は、前記状態機械の状態に依存する、電力変換器。
【請求項９】
前記電力スイッチの電流を検知するように結合された電流検知回路をさらに備える、請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１０】
前記スイッチ導通制御回路は、前記電力スイッチの電流に応じて、可能とされたスイッチング・サイクル中に前記電力スイッチの導通を終了させるように結合されたスイッチ導通終了回路をさらに備える、請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１１】
前記スイッチ導通終了回路は、前記フィードバック・サンプリング回路に結合されて、前記フィードバック・サンプリング回路に応じて前記電力スイッチの電流限界を変化させる、請求項１０に記載の電力変換器。
【請求項１２】
前記フィードバック・サンプリング回路及び前記スイッチ導通制御回路は、単一のモノリシック・デバイスに含まれる、請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１３】
前記電力スイッチ、前記フィードバック・サンプリング回路、前記スイッチ導通制御回路は、単一のモノリシック・デバイスに含まれる、請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１４】
前記フィードバック・サンプリング回路は、前記電力スイッチの導通が終了してからフィードバック信号サンプルがサンプリングされるまでの遅延時間を生成するように結合されたサンプリング信号生成器を含む、請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１５】
可能とされたスイッチング・サイクル中に、電力変換器の出力からフィードバック信号サンプルを生成する工程と、
フィードバック信号サンプルに応じて、スイッチング・サイクル中に電力スイッチが導通するのを可能にする及び不能にする工程と、
状態機械を用いて、現在のスイッチング・サイクル及び１つ以上の過去のスイッチング・サイクルからのフィードバック信号サンプルに応じて、現在のスイッチング・サイクルに引き続く１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数をスケジューリングする工程とを含み、
前記１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数は、前記状態機械の状態に依存する、電力変換器制御方法。
【請求項１６】
前記電力スイッチの電流を検知する工程をさらに含む、請求項１５に記載の電力変換器制御方法。
【請求項１７】
前記電力スイッチの電流に応じて、可能とされたスイッチング・サイクル中に前記電力スイッチが導通するのを不能にする工程をさらに含む、請求項１５に記載の電力変換器制御方法。
【請求項１８】
フィードバック信号サンプルに応じて、前記電力スイッチの電流限界を変化させる工程をさらに含む、請求項１５に記載の電力変換器制御方法。
【請求項１９】
前記電力スイッチが導通するのを可能にする工程は、可能とされたスイッチング・サイクルの一部にわたって前記電力スイッチが導通するのを可能にする工程を含む、請求項１５に記載の電力変換器制御方法。
【請求項２０】
前記電力スイッチが導通するのを不能にする工程は、不能スイッチング・サイクルの全持続時間にわたって前記電力スイッチが導通するのを不能にする工程を含む、請求項１５に記載の電力変換器制御方法。
【請求項２１】
前記１つ以上の過去のスイッチング・サイクルからの情報を蓄積する工程をさらに含む、請求項１５に記載の電力変換器制御方法。
【請求項２２】
前記フィードバック信号サンプルを生成する工程は、可能とされたスイッチング・サイクル中に前記電力スイッチが導通するのを不能にした後にフィードバック信号をサンプリングする工程を含む、請求項１５に記載の電力変換器制御方法。
【請求項２３】
電力変換器の出力に結合されて、可能とされたスイッチング・サイクル中にフィードバック信号をサンプリングするフィードバック・サンプリング回路と、
前記フィードバック・サンプリング回路に結合されたスイッチ導通制御回路と、
前記スイッチ導通制御回路に結合されて、スイッチング・サイクルの持続時間を定める発振器とを含み、
前記スイッチ導通制御回路は、
フィードバック信号のサンプルに応じて、スイッチング・サイクル中に電力スイッチの導通を可能又は不能にするように結合されるスイッチ導通可能回路と、
現在のスイッチング・サイクル及び１つ以上の過去のスイッチング・サイクルからのフィードバック信号のサンプルに応じて、現在のスイッチング・サイクルに引き続く１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数を決定するように結合された状態機械を備えるスイッチ導通スケジューリング回路を含み、
前記１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数は、前記状態機械の状態に依存する、電力変換器コントローラ回路。
【請求項２４】
前記電力スイッチの電流を検知するように結合される電流検知回路をさらに備える、請求項２３に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項２５】
前記スイッチ導通制御回路は、前記電力スイッチの電流に応じて、可能とされたスイッチング・サイクル中に前記電力スイッチの導通を終了させるように結合されたスイッチ導通終了回路をさらに備える、請求項２３に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項２６】
前記スイッチ導通終了回路は、前記フィードバック・サンプリング回路に結合されて、前記フィードバック・サンプリング回路に応じて前記電力スイッチの電流限界を変化させる、請求項２５に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項２７】
前記フィードバック・サンプリング回路は、前記電力スイッチの導通が終了してからフィードバック信号がサンプリングされるまでの遅延時間を生成するように結合されたサンプリング信号生成器を含む、請求項２３に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項２８】
電力変換器の出力に結合されて、可能とされたスイッチング・サイクル中にフィードバック信号サンプルを生成するフィードバック・サンプリング回路と、
前記フィードバック・サンプリング回路に含まれ、電力スイッチの導通が終了してからフィードバック信号サンプルがサンプリングされるまでの遅延時間を生成するように結合されたサンプリング信号生成器と、
前記フィードバック・サンプリング回路に結合されたスイッチ導通制御回路とを備え、
前記スイッチ導通制御回路は、
フィードバック信号サンプルに応じて、スイッチング・サイクル中に前記電力スイッチの導通を可能又は不能にするように結合されるスイッチ導通可能回路と、
現在のスイッチング・サイクル及び１つ以上の過去のスイッチング・サイクルからのフィードバック信号サンプルに応じて、現在のスイッチング・サイクルに引き続く１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数を決定するように結合された状態機械を備えたスイッチ導通スケジューリング回路とを含み、
前記１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数は、前記状態機械の状態に依存する、電力変換器コントローラ回路。
【請求項２９】
前記電力スイッチの電流を検知するように結合される電流検知回路をさらに備える、請求項２８に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項３０】
前記スイッチ導通制御回路は、前記電力スイッチの電流に応じて、可能とされたスイッチング・サイクル中に前記電力スイッチの導通を終了させるように結合されたスイッチ導通終了回路をさらに備える、請求項２８に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項３１】
前記スイッチ導通終了回路は、前記フィードバック・サンプリング回路に結合されて、前記フィードバック・サンプリング回路に応じて前記電力スイッチの電流限界を変化させる、請求項３０に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項３２】
電力変換器の出力に結合されて、可能とされたスイッチング・サイクル中にフィードバック信号をサンプリングするフィードバック・サンプリング回路と、
前記フィードバック・サンプリング回路に結合されたスイッチ導通制御回路とを備え、
前記スイッチ導通制御回路は、
フィードバック信号のサンプルに応じて、スイッチング・サイクル中に電力スイッチの導通を可能又は不能にするように結合されるスイッチ導通可能回路と、
現在のスイッチング・サイクル及び１つ以上の過去のスイッチング・サイクルからのフィードバック信号のサンプルに応じて、現在のスイッチング・サイクルに引き続く１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数を決定するように結合された状態機械を備えるスイッチ導通スケジューリング回路と、
電力スイッチの電流に応じて、可能とされたスイッチング・サイクル中に前記電力スイッチの導通を終了させるように結合されたスイッチ導通終了回路とを備え、
前記１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数は、前記状態機械の状態に依存する、電力変換器コントローラ回路。
【請求項３３】
前記電力スイッチの電流を検知するように結合される電流検知回路をさらに備える、請求項３２に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項３４】
前記スイッチ導通終了回路は、前記フィードバック・サンプリング回路に結合されて、前記フィードバック・サンプリング回路に応じて前記電力スイッチの電流限界を変化させる、請求項３２に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項３５】
前記フィードバック・サンプリング回路は、前記電力スイッチの導通が終了してからフィードバック信号がサンプリングされるまでの遅延時間を生成するように結合されたサンプリング信号生成器を含む、請求項３２に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項３６】
電力変換器の出力を表わすフィードバック信号を受けるように結合され、可能とされたスイッチング・サイクル中にフィードバック信号サンプルを生成するフィードバック・サンプリング回路と、
前記フィードバック・サンプリング回路に結合されたスイッチ導通制御回路とを備え、
前記スイッチ導通制御回路は、
フィードバック信号サンプルに応じて、スイッチング・サイクル中に電力スイッチの導通を可能又は不能にするように結合されたスイッチ導通可能回路と、
現在のスイッチング・サイクル及び１つ以上の過去のスイッチング・サイクルからのフィードバック信号サンプルに応じて、現在のスイッチング・サイクルに引き続く１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数を決定するように結合された状態機械を備えるスイッチ導通スケジューリング回路とを含み、
前記１つ以上の将来の可能スイッチング・サイクル及び不能スイッチング・サイクルの変化する数は、前記状態機械の状態に依存する、電力変換器コントローラ回路。
【請求項３７】
前記電力スイッチの電流を検知するように結合された電流検知回路をさらに備える、請求項３６に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項３８】
前記スイッチ導通制御回路は、前記電力スイッチの電流に応じて、可能とされたスイッチング・サイクル中に前記電力スイッチの導通を終了させるように結合されたスイッチ導通終了回路をさらに備える、請求項３６に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項３９】
前記スイッチ導通終了回路は、前記電力スイッチの電流限界が前記フィードバック・サンプリング回路に応じるように、前記フィードバック・サンプリング回路に応じるように結合される、請求項３８に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項４０】
前記電力変換器コントローラ回路は、単一のモノリシック・デバイスに含まれる、請求項３６に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項４１】
前記電力変換器コントローラ回路及び前記電力スイッチは、単一の一モノリシック・デバイスに含まれる、請求項３６に記載の電力変換器コントローラ回路。
【請求項４２】
前記フィードバック・サンプリング回路は、前記電力スイッチの導通が終了してからフィードバック信号サンプルがサンプリングされるまでの遅延時間を生成するように結合されたサンプリング信号生成器を含む、請求項３６に記載の電力変換器コントローラ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くはスイッチング電力変換器に関し、より詳細には、スイッチング電力変換器の出力を調整する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願
本出願は、２００７年４月６日に出願された「電力変換器のオン／オフ制御方法及び装置」という名称の米国仮出願第６０／９２２，１２６号の有益性を主張するものである。
【０００３】
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。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。
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／９２２，１２６号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
使用できる１つの特定の種類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、エネルギー伝送素子が、電力変換器の入力を電力変換器の出力から分離する。エネルギー伝送素子は、典型的には、ＤＣ電流が入力と出力の間を流れるのを防止する隔離機能を提供する。隔離機能が必要とされない用途において、入力と出力は、ＤＣ電流が入力と出力の間を流れることができる共通の回帰端子を共有する。スイッチング電力変換器は、１つ又は複数のスイッチング・サイクル毎に電力スイッチを周期的に切り換えることによって出力を生成する。スイッチング電力変換器の出力を調整するオン／オフ制御技術は、特定のスイッチング・サイクル内で電力スイッチの導通を可能(Enable)又は不能(Disable)にする技術である。可能であるときは、電力スイッチは、スイッチング・サイクル内で電流を通すことができる。不能であるときは、スイッチング・サイクルの持続時間全体にわたって導通しない。
【０００５】
電流限界オン／オフ制御は、スイッチの電流が電流限界に達したときに、可能とされたスイッチング・サイクル内でも、電力スイッチの導通を終了させる制御である。導通が可能になると、電力スイッチは、スイッチング・サイクル内で、電力スイッチの電流が電流限界に達するまで、又は導通時間が最大値に達するまで、導通することができる。
【０００６】
電力変換器においてオン／オフ制御技術を実施する装置は、広くは、オン／オフ・コントローラと称する。典型的なオン／オフ・コントローラは、先のスイッチング・サイクルの終了時に、電力変換器の出力を検知することによって、スイッチング・サイクル毎の電力スイッチの導通を可能又は不能にするかどうかを判断する。コントローラは、各スイッチング・サイクルにおいて出力に供給されるエネルギーを制御するために、スイッチの電流限界を設定することができる。所定のサイクルにおいて出力に供給されるエネルギーを制御することによって、出力が影響を受け、それにより、電力スイッチの導通を次のスイッチング・サイクルで可能にするか、不能にするかということに影響を与える。オン／オフ制御は、簡潔性、低コスト、高速過渡応答、無負荷時の低電力消費が要求される多くの用途において、代替的な制御より有利である。
【０００７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に従って電力変換器に対するオン／オフ制御技術を実施するための方法及び装置を開示する。以下の説明において、本発明が十分に理解されるように、多くの具体的詳細を記載する。しかし、本発明を実施するためにその具体的詳細を採用する必要がないことが当業者に明らかになるであろう。他の場合において、本発明を不明瞭にすることを回避するために、良く知られている材料や方法については、詳細な説明を省略した。
【０００９】
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。
【００１０】
説明するように、本発明の教示による具体例は、現在のスイッチング・サイクルだけでなく、１つ又は複数の将来のスイッチング・サイクルに対する電力スイッチの導通を可能又は不能にするオン／オフ制御を含む電力変換器コントローラを含む。本明細書における「オン／オフ」は、電力スイッチが導通することが可能であるかどうかを指す。「オン」サイクルは、電力スイッチが可能であるため、そのサイクルを通じて導通できるサイクルであり、「オフ」サイクルは、電力スイッチが不能であるか、又は導通することを防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、電力スイッチが所定のサイクルで実際に導通しているかどうかを指すのではなく、単に電力スイッチが可能であるか否かを指す。一具体例において、オン／オフ制御は、電力スイッチの可能サイクル中のみ電力変換器の出力を検知し、次いで、現在と過去のスイッチング・サイクルにおける検知されたフィードバック信号のサンプルに応じて、可能又は不能になる電力スイッチの将来のサイクルの数を決定する。したがって、オン／オフ制御は、検知されたフィードバック信号の過去と現在のサンプル及び電力スイッチの電流限界の過去と現在の値を含むことができる事象の履歴に応答して、可能及び不能になる将来のスイッチング・サイクルのスケジュールを設定することができる。例示的なオン／オフ制御の長所は、将来の不能サイクルについての出力を検知する必要がないことである。各スイッチング・サイクルにおける出力を検知する必要性を低減又は排除することで、本発明の教示に従って、部品の数を減少させ、検知精度を向上させる。したがって、既知の解決策と比較して低コストでかつ高効率で調整の向上を図ることができる。
【００１１】
具体例を挙げて説明すると、図１は、本発明の教示に従って、電源と称されることもある調整スイッチング電力変換器１００の一例を示す図である。図１に示される特定の例において、スイッチング電力変換器１００は、フライバック・トポロジを有する電力コンバータである。しかし、本発明の教示に従って、オン／オフ制御を採用することができるスイッチング電源の他の多くの既知のトポロジと構成が存在すること、及び図１に示されるフライバック・トポロジは、説明を目的として提供されていることが理解できるであろう。
【００１２】
図１の電力変換器は、調整されていない入力電圧ＶIN１０５から負荷１４０に出力電力を提供する。入力電圧ＶIN１０５は、エネルギー伝送素子Ｔ１  １２５と、以下では単にスイッチＳ１  １２０という電力スイッチＳ１  １２０に結合される。図１の例において、エネルギー伝送素子Ｔ１  １２５は、一次巻線１２２と二次巻線１２８を有する変圧器である。「一次巻線」は、「入力巻線」と称され、「二次巻線」は、「出力巻線」と称されることがあ。クランプ回路１１０がエネルギー伝送素子Ｔ１  １２５の一次巻線１２２に結合されて、スイッチＳ１  １２０に対する最大電圧を制限する。スイッチＳ１  １２０は、制御ブロック１８５に応答して、閉鎖させられることによって、電流をスイッチに通すことをできるようにし、開放させられることによって、スイッチの導通を実質的に終了させる。閉鎖されたスイッチは、「オン」であると称される一方、開放されたスイッチは、「オフ」であると称される。一例において、スイッチＳ１  １２０はトランジスタである。一例において、制御ブロック１８５を集積回路として実装してもよく、個別の部品又は個別の部品と集積回路の組合せとして実装してもよい。電力変換器の動作中に、スイッチＳ１  １２０のスイッチングによりダイオードＤ１  １３０に脈動電流を生成し、脈動電流がコンデンサＣ１  １３５によって濾過され、負荷１４０に実質的に一定の出力電圧ＶO又は出力電流ＩOを生成させる。
【００１３】
調整される出力量は、概して、出力電圧ＶO、出力電流ＩO又はその２つの組合せであるＵO１４５である。検知回路１５０が結合されて、出力量ＵO１４５を検知信号Ｕsense１５５として検知する。
【００１４】
図示された例に示されるように、フィードバック回路１６０が検知信号Ｕsense１５５に結合され、フィードバック・サンプリング回路１７０によってサンプリングされるフィードバック信号ＵFB１６５を生成する。サンプルされたフィードバック信号ＵFB*１７５は、制御ブロック１８５への入力である。サンプルされたフィードバック信号ＵFB*１７５は、例えば、出力が基準値より高いか低いかといったような電力変換器出力の大きさの指標を与える。制御ブロック１８５への別の入力は、スイッチＳ１  １２０における電流ＩD１１５を検知する電流検知信号１９０である。例えば、変流器のようなスイッチング電流を測定する手段、あるいは個別抵抗器の電圧、又はトランジスタが導通している場合のトランジスタの電圧を測定する既知の手段のいずれかを用いて、電流ＩD１１５を測定する。制御ブロック１８５からのサンプリング信号ＰS１８０が、フィードバック信号ＵFBをサンプリングするようにフィードバック・サンプリング回路１７０を動作させる。
【００１５】
作動中に、制御ブロック１８５は、出力ＵO１４５をその所望の値に調整するようにスイッチＳ１  １２０を動作させる。制御ブロック１８５は、典型的には、持続時間Ｔのスイッチング・サイクルを定める発振器を含む。調整は、電力変換器の入力から出力へ転送されるエネルギーの量を決定する１つ又は複数のスイッチング・パラメータの制御によって遂行される。一例において、電流ＩD１１５の最大値が制御される。一例において、スイッチＳ１  １２０は、スイッチング・サイクルの一部で導通する、又はスイッチング・サイクルで導通しないときを持つように制御される。
【００１６】
図２は、図１のスイッチング電力変換器の例による電流ＩD１１５の波形とサンプリング信号ＰS１８０の波形とともにいくつかのスイッチング・サイクルを概略的に示す図である。描かれた例に示されるように、電流ＩD１１５が、０より大きいスイッチング・サイクルは、「可能」サイクルと称する。したがって、スイッチは、可能サイクルの少なくとも一部にわたって導通している。電流ＩD１１５が、０を実質的に超えないスイッチング・サイクルは、「不能」サイクルと称する。「不能」サイクルは、「スキップされた」サイクルと称することもできる。不能サイクルは、スイッチＳ１  １２０の導通が不能であるサイクルである。したがって、スイッチは、不能サイクル全体にわたって、例えばオフに維持されることによって導通することを防止される、又はオンになることを防止される。
【００１７】
各可能サイクルにわたって、スイッチＳ１  １２０は、電流ＩD１１５が、より低い値ＩLIM1からより高い値ＩLIMXの範囲にある複数の電流限界値の１つに達するまで、電流ＩD１１５を通す。制御ブロック１８５は、各可能サイクルにおける電流限界を、電力変換器の所望の挙動を達成する値に設定する。図２に示される例において、電流限界は、可能サイクルＴ0２０５においてＩLIM2に設定され、電流限界は、可能サイクルＴ1２１０においてＩLIMXに設定され、電流限界は、可能サイクルＴN２１５においてＩLIM1に設定される。
【００１８】
一例において、サンプリング信号ＰS１８０は、スイッチＳ１  １２０がその導通を終了させたときから遅延時間ｔDLY２２０後に、各可能サイクルにおけるフィードバック信号ＵFB１６５をサンプリングするようにフィードバック・サンプリング回路１７０を活性化させる。
【００１９】
図３は、図１の例示的な電力変換器の例示的な部分３００をより詳細に示す図である。図３において、検知回路１５０は、コンデンサＣ１  １３５上で電圧ＶOである出力量１４５を検知するために、変圧器１２５に検知巻線３０５を含む。抵抗器３１０、３１５は、フィードバック回路１６０によって受信される検知信号ＵSENSE１５５を生成する。一例において、検知信号ＵSENSE１５５は電圧である。別の例において、検知信号ＵSENSE１５５は電流である。一例において、フィードバック回路１６０は、検知信号ＵSENSE１５５の電圧を閾値電圧ＶTH３５０と比較する電圧比較器３４０を含み、両電圧共、共通入力戻り３２０に対する電圧として測定される。比較器３４０の出力は、フィードバック信号ＵFB１６５である。その例において、フィードバック信号ＵFB１６５は、検知信号ＵSENSE１５５が閾値電圧ＶTH３５０より大きいときにハイで、フィードバック信号ＵFB１６５は、検知信号ＵSENSE１５５が閾値電圧ＶTH３５０より小さいときにローである。
【００２０】
図示された例において、フィードバック・サンプリング回路１７０は、フィードバック信号ＵFB１６５を受信して、制御ブロック１８５からのサンプリング信号ＰS１８０がＤフリップ・フロップ３３０をクロックしたときに、サンプルされたフィードバック信号ＵFB*１７５を生成するＤフリップ・フロップ３３０である。したがって、サンプルされたフィードバック信号ＵFB*は、本発明の教示に従って、出力の大きさを示す。
【００２１】
図３の例において、スイッチＳ１  １２０は、金属酸化物半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。図３の例において、破線３６０は、スイッチＳ１  １２０、制御ブロック１８５、電流検知信号１９０、フィードバック・サンプリング回路１７０、フィードバック回路１６０を単一のモノリシック・デバイスに含む集積回路の境界を表している。他の例において、これらの機能的ブロックの１種又は複数種を個別の回路部品、モノリシック集積回路、混成集積回路又はそれらの様々な組合せで実装される。
【００２２】
図４は、本発明の教示に従ってオン／オフ制御によりスイッチング電力変換器の出力を調整する方法を説明する例示的な流れ図４００を示す図である。ブロック４０５で開始後に、制御履歴に含まれる先のスイッチング・サイクルのすべての蓄積情報が、ブロック４１０における初期状態の設定にリセットされる。制御履歴は、電流限界、サンプルされたフィードバック信号の値、可能と不能のスイッチング・サイクルの数、所定の用途の調整要件を満たすために将来の可能と不能のスイッチング・サイクルを決定するのに有用な任意の他の情報を含むことができる１つ又は複数の過去事象の記憶である。一例において、制御履歴は、デジタル状態機械の状態に含められる。制御がブロック４１５に進み、先のスイッチング・サイクルから蓄積された状態と情報が評価される。次に、次のスイッチング・サイクルに対するパラメータがブロック４２０に設定される。これらのパラメータは、電流限界を含み、かつ１つ又は複数の将来のスイッチング・サイクルに対してスイッチを可能又は不能とするようにスケジュールを設定するための判断を含む。ブロック４２５は、現在のスイッチング・サイクルの終点をマークする。ブロック４３０において新たなスイッチング・サイクルが開始される。
【００２３】
ブロック４３５は、制御をブロック４４０又はブロック４５５に分岐させる。ブロック４２０に設定されたパラメータが、スイッチを次のスイッチング・サイクルにおいて可能とするようにスケジュールを設定することを示す場合は、制御は、ブロック４４０に分岐する。ブロック４２０に設定されたパラメータが、スイッチを次のスイッチング・サイクルにおいて不能とするようにスケジュールを設定することを示す場合は、制御は、ブロック４５５に分岐する。
【００２４】
スイッチが可能である場合は、ブロック４４０は、スイッチをオンにして、スイッチの電流が電流限界に達するまでそれを導通させる。スイッチの電流が電流限界に達すると、例えば、スイッチをオフにすることによって導通を終了させる。次いで、制御は、ブロック４４５に進んで、遅延時間待機してからブロック４５０に進み、フィードバック信号ＵFBをサンプリングする。制御は、フィードバック・サンプリング後に続行してブロック４５５に進み、制御履歴を更新する。次いで、ブロック４１５において制御履歴を評価してブロック４２０まで動作を続行し、ブロック４２５においてスイッチング・サイクルの終点に到達し、ブロック４３０において新たなスイッチング・サイクルを開始する。
【００２５】
図５は、本発明の教示に従って、集積回路５０５に含まれるスイッチング機能、フィードバック機能、制御機能を有する電力変換器５００の一例を概略的に示す図である。一例において、入力電圧ＶIN１０５は、１２０ボルトと３７５ボルトの間である。一例において、出力電圧ＶO１４５は約５ボルトである。図示された例において、電力変換器５００のクランプ回路１１０は、コンデンサ５１０、抵抗器５１５、ダイオード５２０を含む。集積回路５０５は、一次巻線１２２の一端に結合されたドレイン端子５２５、共通入力戻り３２０に結合されたソース端子５４０、コンデンサ５４５に結合されたバイパス端子５３０、検知回路１５０からの検知信号ＵSENSE１５５を受信するように結合されたフィードバック端子５３５を含む。
【００２６】
図６は、例示的な集積回路５０５の動作を説明するためのその内部詳細を示す図である。その例において、電力ＭＯＳＦＥＴ６３８は、ＡＮＤゲート６３４からのスイッチング信号６３６に応じて、電流をドレイン端子５２５とソース端子５４０の間で切り換える。ドレイン端子５２５に結合された随意の電圧レギュレータ６０２は、ＭＯＳＦＥＴ６３８がオフのときにバイパス端子５３０の電圧を５．８ボルトに調整する。バイパス端子５３０は、集積回路５０５の内部回路に電力供給するための内部供給電圧６１０を提供する。バイパス端子５３０に結合された、図５に示される外部コンデンサ５４５は、ＭＯＳＦＥＴ６３８がオンの間に内部回路に電力供給するためのエネルギーを蓄積する。
【００２７】
随意のヒステリシス比較器６０６は、基準電圧６０８に対して内部供給電圧６１０を監視する。比較器６０６のヒステリシスは、基準電圧６０８を４．８ボルト又は５．８ボルトのいずれかにする。内部供給電圧６１０が４．８ボルト未満に低下すると、ヒステリシス比較器６０６の出力６０４がローになり、ＡＮＤゲート６３４を介してＭＯＳＦＥＴ６３８をオフにする。内部供給電圧６１０が５．８に上昇すると、ヒステリシス比較器６０６の出力６０４がハイとなり、基準電圧６０８が４．８ボルトに降下する。
【００２８】
図示された例に示されるように、ヒステリシス比較器６０６の出力は、リセット信号６０４を状態機械６１２に与える。他の例において、他の内部又は外部回路も所定の用途の必要に応じてリセット信号６０４を提供できることが理解できるであろう。リセット信号６０４のローからハイへの遷移によって、状態機械６１２が初期化される。一例において、状態機械６１２は、例えば、論理ゲート、フリップ・フロップ、ラッチ、カウンタ等の通常のデジタル回路を使用して、出力を生成し、本発明の教示に従って、電力変換器のオン／オフ制御を行うために、フィードバック・サンプリング回路からの過去と現在のデジタル入力サンプルに応じて可能又は不能とされる将来のスイッチング・サイクルのスケジュールを設定する。
【００２９】
ＡＮＤゲート６３４は、リセット信号６０４、随意の熱遮断回路６４０からの熱遮断信号６３０、状態機械６１２からの出力信号６２８を受信する。リセット信号６０４又は熱遮断信号６３０が低下すると、ＡＮＤゲート６３４の出力からのスイッチング信号６３６が常にローになり、ＭＯＳＦＥＴ６３８をオフにする。集積回路の接合温度が閾値温度を超えると、熱遮断回路６４０は熱遮断信号６３０をローとする。したがって、集積回路の接合温度が高くなりすぎると、熱遮断回路６４０は、ＭＯＳＦＥＴ６３８をオフにする。
【００３０】
図示された例に示されるように、発振器６２４は、デジタル・タイミング信号ＤTIMING６２６を状態機械６１２に与える。図示された例において、デジタル・タイミング信号６２６は、各スイッチング・サイクルの開始と、各スイッチング・サイクルにおいてＭＯＳＦＥＴ６３８をオンにできる最大時間との両方を決定する。理解されるように、発振器６２４は、サイクルの開始と最大オン時間を制御するための個別の信号を、場合により提供することができる。一例において、各スイッチング・サイクルの持続時間は、約１５マイクロ秒である。
【００３１】
比較器６１８は、フィードバック端子５３５における検知信号を閾値ＶTH６２０と比較する。Ｄフリップ・フロップ６１６は、比較器６１８の出力をサンプリングして、サンプリング信号６２２によって決定されたサンプリング時間に、サンプルされたフィードバック信号ＵFB*６１４を生成する。サンプリング時間は、ＭＯＳＦＥＴ６３８がオフになる時間であり、サンプル遅延時間だけ遅延される。サンプリング信号生成器６５０は、ＭＯＳＦＥＴ６３８のゲートにおける信号６３６をサンプル遅延時間だけ遅延させ、信号６３６の遅延立ち下がりエッジにおいてサンプリング信号６２２を生成する。一例において、サンプル遅延時間は、２．５マイクロ秒である。
【００３２】
電流限界比較器６４４は、ＭＯＳＦＥＴ６３８の電流に比例する信号６４２を状態機械６１２からの電流限界基準６３２と比較する。一例において、電流限界基準６３２は、状態機械６１２の電流状態に基づく。ＭＯＳＦＥＴ６３８の電流が電流限界基準値６３２に達したときを示すために、電流限界比較器６４４の出力がハイとなる。ＭＯＳＦＥＴ６３８がオンになるのに伴って浮遊容量を瞬間的に放電するときに、状態機械６１２への電流限界入力６４８が偽の電流限界条件を示すことを防止するために、スイッチング信号６３６は、ＡＮＤゲート６４６の入力６５２に加えられる前にリーディング・エッジ・ブランキング回路６５４によって遅延させられる。ＭＯＳＦＥＴ６３８の電流が電流限界基準値６３２に達したことを示す電流限界入力６４８に応答して、状態機械６１２は、信号６２８とＡＮＤゲート６３４の動作を介して、導通を終了させるようにスイッチに命令する。
【００３３】
図示された例に示されるように、状態機械６１２は２つの出力を含む。第１の出力６２８は、ＡＮＤゲート６３４によってゲート制御されて、ＭＯＳＦＥＴ６３８をオン・オフする。第２の出力６３２は、電流限界比較器６４４の基準を設定する。したがって、状態機械６１２は、各スイッチング・サイクルにおいてＭＯＳＦＥＴ６３８が導通するのを可能又は不能とし、可能サイクル中の導通の終了を制御するとともに、本発明の教示に従って、ＭＯＳＦＥＴ６３８が可能になった後にオフになる電流を設定する。
【００３４】
図７Ａは、本発明の教示に従って、状態Ｓ１  ７０５からＳ１４  ７４５、及び図６の集積回路における状態機械６１２の一例の状態Ｓ１  ７０５からＳ１４  ７４５に遷移するための例示的な条件を説明する例示的な状態図７００を示す図である。図７Ｂは、状態図７００の各状態に対応するパラメータの例を示す図である。図７Ｂに示される例において、各状態に対するスイッチＳ１  １２０の電流限界ＩLIMITは、本発明の教示に従って、電流限界値ＩLIMXの百分率として与えられる。図７Ｂは、また、本発明の教示に従って、状態機械がローレベル又はハイレベルのサンプルされたフィードバック信号ＵFB*６１４を受信した後に可能又は不能になるようにスケジュールされる将来のスイッチング・サイクルの例示的な数を状態毎に示す図である。
【００３５】
動作の開始時に、リセット信号６０４は、状態機械６１２をＳ１状態７０５に設定する。状態機械６１２は、サンプルされたフィードバック信号ＵFB*６１４のいくつかの連続的なハイ又はロー値を受信すると、状態を遷移させる。図７Ａの例において、状態図７００に示されるように、状態を遷移させるためには、サンプルされたフィードバック信号ＵFB*６１４の３つ又は７つの連続的なハイ又はロー値が必要である。
【００３６】
本例のすべての状態において、サンプルされたフィードバック信号ＵFB*６１４が所定のスイッチング・サイクルでローにサンプリングされた場合は、次のスイッチング・サイクルは、可能サイクルになる。サンプルされたフィードバック信号ＵFB*がスイッチング・サイクルでハイでサンプリングされた場合は、所定数の後続のスイッチング・サイクルが不能サイクルになる。少なくとも１つの可能サイクルが、所定数の不能サイクルの直後に続く。ローとハイの論理値を回路における適切な論理逆換で容易に逆転させることができることが理解できるであろう。不能サイクルである後続のスイッチング・サイクルの数は、それぞれの特定の状態に依存する。図７Ａと図７Ｂに示された例において、不能サイクルの数は、概して、番号の大きい状態ほど多くなる。しかし、その例では、４つの異なる電流限界レベル、すなわち７０％、８０％、９０％、１００％の電流限界ＩLIMXが存在するため、不能サイクルの数は、状態Ｓ２  ７１０からＳ３  ７１５へ、状態Ｓ４  ７２０からＳ５  ７２５へ、かつ状態Ｓ６  ７３０からＳ７  ７３５へ遷移するとき、換言すればより低い電流限界の状態に遷移するときに減少する。電流限界がその最も低い設定値である状態Ｓ７  ７３５から始まって、不能サイクルの数は、２進の倍数で増加し、１つの不能サイクルからＳ８  ７４０では２つの不能サイクルに倍増し、最も高い状態Ｓ１４  ７４５における１２８の不能サイクルまで続く。不能サイクルの２進の倍数の増加は、本例において便宜上のものであって、他の例では、将来の不能サイクルについて異なるスケジュールを用いることができることが理解できるであろう。
【００３７】
電力変換器５００がその最大負荷を有するときは、状態機械６１２は、電流限界が最大であり、不能サイクルの数が最小（１フィードバック・サンプル当たり１つの不能サイクルのみ）である状態Ｓ１  ７０５になる。電力変換器５００がその最小負荷を有するときは、状態機械６１２は、最も高い状態Ｓ１４  ７４５になる。図示された例において、状態Ｓ１４  ７４５は、電流限界が最も低く、ハイのフィードバック・サンプル当たりの不能サイクル数が最も多い。
【００３８】
１つの状態から別の状態に遷移するために、例示的な状態機械６１２は、サンプルされたフィードバック信号ＵFB*６１４の２つ以上の連続的なハイ又はロー値を受信する。例えば、ＵFB*６１４の３つの連続的なハイ値（すなわち、現在と過去の２つのスイッチング・サイクルにロー値が存在しない）は、状態機械６１２を状態Ｓ１  ７０５から状態Ｓ２  ７１０に遷移させるのに対して、ＵFB*６１５の３つの連続的なロー値（すなわち、現在と過去の２つのスイッチング・サイクルにハイ値が存在しない）は、状態機械６１２を状態Ｓ２  ７１０から状態Ｓ１  ７０５に遷移させる。図７Ａと図７Ｂに示される例のほとんどの場合において、状態間を遷移するために３つの連続的なハイ又はロー値が必要とされる。３つの例外は、状態Ｓ３  ７１５から状態Ｓ２  ７１０まで、状態Ｓ５  ７２５から状態Ｓ４  ７２０まで、かつ状態Ｓ７  ７３５から状態Ｓ６  ７３０までである。これらの場合は、異なる電流限界を有する状態間の過度の変化を回避するために、連続的なロー・サイクルの数が３から７に増加される。当該状態間の過度の変化は、効率の低下、出力におけるリップル電圧の増加及び／又は可聴雑音により電力変換器の性能を低下させるスイッチング・サイクルのパターンをもたらすことがある。
【００３９】
要約書に記載されているものを含めて、本発明の図解例の上記説明は、網羅的であること、又は開示された厳密な形態に限定されることを意図するものではない。本発明の具体的な実施形態と具体例が例示を目的として本明細書に記載されているが、本発明のより広い主旨と範囲を逸脱することなく、様々な同等の変更が可能である。具体的な電圧、電流、周波数、電力範囲値、時間等は、説明を目的として提示されていること、本発明の教示に従って、他の実施形態及び具体例に他の値を採用してもよいことが理解できるであろう。
【００４０】
これらの変更を、上記詳細な説明に鑑みて、本発明の例に加えることができる。請求項に用いられている用語は、本発明を明細書と請求項に開示された具体的な実施形態に限定するものと解釈されるべきではない。むしろ、範囲は、請求項の解釈の確定された理論に従って解釈されるべきである請求項によって専ら決定づけられるべきである。よって、本明細書及び図面は、限定的ではなく、例示的なものと見なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の教示に従って、フライバック・トポロジを使用し、制御技術を採用するスイッチング電力変換器の一例を概略的に示す図である。
【図２】本発明の教示に従って、動作する例示的なスイッチング電力変換器からの波形のいくつかのスイッチング・サイクルを示す図である。
【図３】本発明の教示に従って、制御技術を採用する例示的な電力変換器の例示的な部分を示す図である。
【図４】本発明の教示に従って、スイッチング電力変換器の出力を調整する方法を示す例示的な流れ図４００を示す図である。
【図５】本発明の教示に従って、制御技術を実施する例示的な集積回路を含む例示的な電力変換器を概略的に示す図である。
【図６】本発明の教示に従って、制御技術を実施する例示的な集積回路の内部詳細を示す図である。
【図７Ａ】本発明の教示に従って、制御技術を実施する例示的な集積回路の状態機械の一例の状態図を概略的に示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａの例示的な状態図の各状態に対応する例示的なパラメータを示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１００  スイッチング電力変換器
１１０  クランプ回路
１２０  スイッチＳ１
１２２  一次巻線
１２５  エネルギー伝送素子Ｔ１
１２８  二次巻線
１３０  ダイオードＤ１
１３５  コンデンサＣ１
１４０  負荷
１５０  検知回路
１６０  フィードバック回路
１７０  フィードバック・サンプリング回路
１８５  制御ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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