(57)【要約】  バッテリから負荷に電力供給することと別の電力源から負荷に電力供給することとの間で切り替えるための装置は、バッテリマネージャ及びスイッチドキャパシタネットワークを含み、スイッチドキャパシタネットワークは、複数のキャパシタ、第１及び第２のスイッチセット、及びコントローラを備え、コントローラは、スイッチドキャパシタネットワークを第１の状態と第２の状態との間で移行させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリに貯蔵されるエネルギーを使用して負荷に電力供給することとＡＣ電源からのエネルギーを使用して前記負荷に電力供給することとの間で切り替えるための装置であって、バッテリマネージャと、スイッチドキャパシタネットワークと、前記負荷が前記ＡＣ電源からのエネルギーを使用して電力供給されている間に前記バッテリを充電するためのバッテリ充電器と、第１のコントローラとを備え、前記バッテリマネージャが、ブリッジ整流器に結合するための入力端子を備え、前記スイッチドキャパシタネットワークが、複数のキャパシタ並びに第１及び第２のスイッチセットを備え、前記第１のスイッチセット内のスイッチを閉じること及び前記第２のスイッチセット内のスイッチを開くことが、前記キャパシタを第１の状態に配置し、前記第２のセット内の前記スイッチを閉じること及び前記第１のセット内の前記スイッチを開くことが、前記キャパシタを第２の状態に配置し、動作時に、前記コントローラが、前記スイッチドキャパシタネットワークを特定の周波数で前記第１の状態と前記第２の状態との間で移行させ、それによって電荷を前記スイッチドキャパシタネットワークのキャパシタと端子との間で移動させる、装置。
【請求項２】
スイッチドキャパシタネットワークが、断熱的スイッチドキャパシタネットワークである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ＡＣ／ＤＣコンバータをさらに備え、前記ＡＣ／ＤＣコンバータが、第１のコントローラ、電荷ポンプ、及び前記電荷ポンプに接続されるスイッチングレギュレータを備え、前記第１のコントローラが、前記スイッチングレギュレータ及び前記電荷ポンプを制御し、ブリッジ整流器が、前記スイッチングレギュレータの入力に結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
バッテリマネージャが、スイッチドキャパシタネットワークを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
ＡＣ／ＤＣコンバータをさらに備え、バッテリマネージャが、入力及びステップダウンコンバータを備え、前記入力が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータに接続され、スイッチドキャパシタネットワークが、前記ステップダウンコンバータと前記入力との間にある、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
バッテリマネージャが、入力、出力、第１のライン、第２のライン、第３のライン、ステップダウンコンバータ、及びスイッチを備え、前記出力が、駆動すべき負荷に接続されるように構成され、前記入力が、ＡＣ／ＤＣコンバータに接続され、前記スイッチが、バッテリを選択的に前記第１のラインに接続し、前記第１のラインから切り離し、前記第１のラインが、前記入力を前記出力に接続し、前記第２のラインが、第１のノードにおいて前記ステップダウンコンバータを前記第１のラインに接続し、前記第３のラインが、第２のノードにおいて前記スイッチを前記第１のラインに接続し、スイッチドキャパシタネットワークが、前記第１のノードと前記第２のノードとの間で前記第１のライン上にある、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
バッテリマネージャが、第１のライン、第２のライン、駆動すべき負荷が接続されことになる出力、バッテリ充電器、及びステップダウンコンバータを備え、前記第１のラインが、前記ステップダウンコンバータと前記出力との間に延伸し、前記第２のラインが、第１のノードにおいて前記バッテリ充電器を前記第１のラインに接続し、スイッチドキャパシタネットワークが、前記第１のノードと前記ステップダウンコンバータとの間に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
バッテリマネージャが、入力、出力、ステップダウンコンバータ、第１のライン、及び第２のラインを備え、前記第１のラインが、前記入力から前記出力まで延伸し、前記第２のラインが、ノードにおいて前記ステップダウンコンバータを前記第１のラインに接続し、スイッチドキャパシタネットワークが、前記入力と前記ノードとの間に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
バッテリマネージャが、ステップダウンコンバータを備え、前記ステップダウンコンバータが、インダクタンスを備え、スイッチドキャパシタネットワークが、前記スイッチドキャパシタネットワーク内のキャパシタ上に存在する電荷の変化率を制限するために、前記ステップダウンコンバータの前記インダクタンスに依拠する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ＡＣ／ＤＣコンバータをさらに備え、前記ＡＣ／ＤＣコンバータが、第１のコントローラ、電荷ポンプ、及び前記電荷ポンプに接続されるスイッチングレギュレータを備え、前記第１のコントローラが、前記スイッチングレギュレータ及び前記電荷ポンプを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
スイッチドキャパシタネットワークが、電荷ポンプ及び前記電荷ポンプに結合されるインダクタンスを備える、請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
スイッチドキャパシタネットワークが、カスケード乗算器を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
比率制御回路をさらに備え、スイッチドキャパシタネットワークが、前記スイッチドキャパシタネットワークの動作中に、ある量の電荷がその上に貯蔵された第１のキャパシタを備え、前記比率制御回路が、少なくとも一部にはインダクタンスを通って電荷を通過させる結果として、前記ある量の電荷が変化する比率を制約するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
ブリッジ整流器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
ＡＣ／ＤＣコンバータをさらに備え、ブリッジ整流器が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの構成要素である、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
ＡＣ／ＤＣコンバータをさらに備え、スイッチドキャパシタネットワークが、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの構成要素である、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
ＡＣ電源が、エネルギーをバッテリマネージャにワイヤレスで渡す、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
バッテリ充電器が、電荷がバッテリに提供されている間は定電流を維持することと電荷が前記バッテリに提供されている間は定電圧を維持することとの間で切り替える、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
第２のコントローラをさらに備え、前記第２のコントローラが、バッテリ充電器を制御するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
スイッチドキャパシタネットワークが、非断熱的スイッチドキャパシタネットワークである、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
バッテリマネージャが、スイッチドキャパシタネットワークを備え、前記スイッチドキャパシタネットワークが、断熱的スイッチドキャパシタネットワークである、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
旅行用充電器をさらに備え、バッテリマネージャが、前記旅行用充電器の構成要素である、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
バッテリ充電器が、ＣＣＣＶ充電器である、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
バッテリ充電器が、バッテリ内の電荷を測定するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
バッテリ充電器が、バッテリを故障から保護するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
コントローラが、その一次セクションと二次セクションとの間に絶縁バリアを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
レギュレータが、磁気的に絶縁されたレギュレータである、請求項１０に記載の装置。
【請求項２８】
磁気的に絶縁されたレギュレータが、フライバックコンバータを含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
フライバックコンバータが、疑似共振フライバックコンバータを含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
フライバックコンバータが、インターリーブフライバックコンバータを含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
フライバックコンバータが、２スイッチフライバックコンバータを含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
フライバックコンバータが、アクティブクランプフライバックコンバータを含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３３】
磁気的に絶縁されたレギュレータが、フォワードコンバータを含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項３４】
フォワードコンバータが、多重共振フォワードコンバータを含む、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
フォワードコンバータが、アクティブクランプフォワードコンバータを含む、請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
フォワードコンバータが、２スイッチフォワードコンバータを含む、請求項３３に記載の装置。
【請求項３７】
磁気的に絶縁されたレギュレータが、ハーフブリッジコンバータを含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項３８】
ハーフブリッジコンバータが、非対称ハーフブリッジコンバータを含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
ハーフブリッジコンバータが、多重共振ハーフブリッジコンバータを含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
ハーフブリッジコンバータが、ＬＬＣ共振ハーフブリッジコンバータを含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項４１】
磁気的に絶縁されたレギュレータが、フルブリッジコンバータを含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項４２】
レギュレータが、非絶縁レギュレータを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項４３】
非絶縁レギュレータが、ブーストコンバータを含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
非絶縁レギュレータが、バックブーストコンバータを含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４５】
非絶縁レギュレータが、バックコンバータを含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４６】
レギュレータが、ＤＣ的に絶縁されたレギュレータを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項４７】
レギュレータが、第１の機能コンポーネント及び第２の機能コンポーネントを備え、前記第１及び第２の機能コンポーネントが、それらの間に電気伝導がない場合にそれらの間でエネルギーを伝達する、請求項１０に記載の装置。
【請求項４８】
第１の機能コンポーネントと第２の機能コンポーネントとの間でのエネルギーの伝達をそれらの間に電気伝導がない場合に可能にする媒介をさらに備える、請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
エネルギーが、磁場内に貯蔵される、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
スイッチドキャパシタネットワークは、その動作中、非容量性素子を通って電荷を通過させることによって、その中の少なくとも１つのキャパシタにその中に貯蔵される電荷の変化を受けさせるものである、請求項１に記載の装置。
【請求項５１】
スイッチドキャパシタネットワークが、多相ネットワークを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５２】
スイッチドキャパシタネットワークが、カスケード乗算器を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５３】
カスケード乗算器が、断熱的カスケード乗算器である、請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
カスケード乗算器が、非断熱的カスケード乗算器である、請求項５２に記載の装置。
【請求項５５】
スイッチドキャパシタネットワークが、ラダーネットワークを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５６】
スイッチドキャパシタネットワークが、ディクソンネットワークを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５７】
スイッチドキャパシタネットワークが、直並列ネットワークを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５８】
スイッチドキャパシタネットワークが、フィボナッチネットワークを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５９】
スイッチドキャパシタネットワークが、ダブラーネットワークを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６０】
旅行用アダプタをさらに備え、ＡＣ／ＤＣコンバータが、前記旅行用アダプタの構成要素であり、前記旅行用アダプタが、ＵＳＢポートを備え、前記旅行用アダプタが、ＡＣ電圧を受け取り、前記ＵＳＢポートにＤＣ電圧を出力する、請求項１に記載の装置。
【請求項６１】
ブリッジ整流器が、ブリッジダイオード及びブリッジキャパシタを備え、前記ブリッジダイオードが、ブリッジを形成するように配置され、前記ブリッジ整流器の動作中、前記ブリッジの出力が、前記ブリッジキャパシタにわたって存在する、請求項１に記載の装置。
【請求項６２】
アクティブ力率回路をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６３】
ＡＣ／ＤＣコンバータ内の過電流を防止するために配置されるヒューズをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６４】
ＡＣ／ＤＣコンバータの動作中に生じる放射を抑えるために配置される電磁干渉フィルタをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６５】
請求項１〜６４のいずれかに列挙されるような装置を表す情報をその上にエンコードしたコンピュータ可読媒体。
【請求項６６】
バッテリマネージャが、バッテリ充電器及びステップダウンコンバータを備え、前記ステップダウンコンバータが、動作時に、バッテリを充電するためのエネルギー及び負荷に電力供給するためのエネルギーが両方とも前記ステップダウンコンバータを通過するように配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項６７】
バッテリマネージャが、バッテリ充電器及びステップダウンコンバータを備え、前記ステップダウンコンバータが、動作時に、バッテリを充電するためのエネルギーが前記ステップダウンコンバータを通過し、負荷に電力供給するためのエネルギーが前記ステップダウンコンバータを迂回するように配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項６８】
スイッチドキャパシタ回路における電圧移行のスルーレートを制御するためのバイパススイッチ制御回路をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、米国仮出願第６２／３０６，７４９号の優先日２０１６年３月１１日の便益を主張するものであり、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、電力変換に関し、特にスイッチドキャパシタを使用するバッテリマネージャに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの携帯用電気デバイスは、デバイスが、ＡＣ電源に差し込まれている間ずっと使用される。この時間中、バッテリマネージャは、必要ならばバッテリを充電するためにも、デバイスそれ自体を動作させるためにも、電力を提供しなければならない。ＡＣ電源が、切り離されるとき、バッテリマネージャは、バッテリが、電力をデバイスに提供するように、切り替えなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様では、本発明は、バッテリから負荷に電力供給することとＡＣ電源から負荷に電力供給することとの間で切り替えるための装置を特徴とする。そのような装置は、その入力に接続されるＡＣ／ＤＣコンバータを有するバッテリマネージャを含む。ＡＣ／ＤＣコンバータ又はバッテリマネージャのどちらかは、断熱的スイッチドキャパシタネットワークを含む。そのようなネットワークは、電荷がその上に蓄積されるキャパシタ、及び少なくとも一部にはインダクタンスを通って電荷を通過させる結果としての電荷の変化率を制約するための回路を有することによって特徴付けられる。
【０００５】
別の態様では、本発明は、バッテリに蓄積されるエネルギーを使用して負荷に電力供給することとＡＣ電源からのエネルギーを使用して負荷に電力供給することとの間で切り替えるための装置を特徴とし、本装置は、バッテリマネージャと、スイッチドキャパシタネットワークと、負荷が、ＡＣ電源からのエネルギーを使用して電力供給されている間にバッテリを充電するためのバッテリ充電器と、第１のコントローラとを備え、バッテリマネージャは、ブリッジ整流器に結合するための入力端子を備え、スイッチドキャパシタネットワークは、複数のキャパシタ並びに第１及び第２のスイッチセットを備え、第１のスイッチセット内のスイッチを閉じること及び第２のスイッチセット内のスイッチを開くことは、キャパシタを第１の状態に配置し、第２のセット内のスイッチを閉じること及び第１のセット内のスイッチを開くことは、キャパシタを第２の状態に配置し、動作時に、コントローラは、スイッチドキャパシタネットワークを特定の周波数で第１の状態と第２の状態との間で移行させ、それによって電荷をスイッチドキャパシタネットワークのキャパシタと端子との間で移動させる。
【０００６】
いくつかの実施形態では、スイッチドキャパシタネットワークは、ＡＣ／ＤＣコンバータ内にある。これらの中には、スイッチドキャパシタネットワークがコントローラ、電荷ポンプ、並びに電荷ポンプ及びブリッジ整流器に接続されるスイッチングレギュレータを含む実施形態がある。これらの実施形態では、コントローラは、スイッチングレギュレータ及び電荷ポンプを制御する。
【０００７】
他の実施形態では、ＡＣ／ＤＣコンバータは、バッテリマネージャの一部である。人が、スイッチドキャパシタネットワークをバッテリマネージャ内に置くことができる、いろいろな場所がある。
【０００８】
これらの実施形態の１つでは、バッテリマネージャは、ＡＣ／ＤＣコンバータに接続される入力、及びステップダウンコンバータを備える。これらの実施形態では、スイッチドキャパシタネットワークは、ステップダウンコンバータと入力との間にある。
【０００９】
これらの実施形態の別のものでは、バッテリマネージャは、ステップダウンコンバータに加えて、ＡＣ／ＤＣコンバータに接続される入力、負荷に接続される出力、入力を出力に接続する第１のライン、第１のノードにおいてステップダウンコンバータを第１のラインに接続する第２のライン、第２のノードにおいてスイッチを第１のラインに接続する第３のライン、及びバッテリを選択的に第１のラインに接続し、第１のラインから切り離すスイッチを備える。これらの実施形態では、スイッチドキャパシタネットワークは、第１のノードと第２のノードとの間で第１のライン上にある。
【００１０】
これらの実施形態の別のものでは、バッテリマネージャは、ステップダウンコンバータ及びバッテリ充電器に加えて、ステップダウンコンバータと駆動すべき負荷が接続されることになる出力との間に延伸する第１のライン、及び第１のノードにおいてバッテリ充電器を第１のラインに接続する第２のラインを含む。これらの実施形態では、スイッチドキャパシタネットワークは、第１のノードとステップダウンコンバータとの間に配置される。
【００１１】
これらの実施形態の別のものでは、バッテリマネージャは、ステップダウンコンバータに加えて、バッテリマネージャの入力からその出力まで延伸する第１のライン、及びノードにおいてステップダウンコンバータを第１のラインに接続する第２のラインを含む。これらの実施形態では、スイッチドキャパシタネットワークは、バッテリマネージャの入力とノードとの間に配置される。
【００１２】
これらの実施形態の別のものでは、バッテリステップダウンコンバータは、スイッチドキャパシタネットワーク内のキャパシタ上に存在する電荷の変化率を制限するために、スイッチドキャパシタネットワークが依拠するインダクタンスを有する。
【００１３】
さらなる実施形態は、スイッチドキャパシタネットワークが電荷ポンプ、電荷ポンプに接続されるスイッチングレギュレータ、並びにその動作を達成するようにスイッチングレギュレータ及び電荷ポンプを制御するコントローラを備えるものを含む。
【００１４】
前述の実施形態のいずれにおいても、スイッチドキャパシタネットワークが、電荷ポンプ及び電荷ポンプに結合されるインダクタンスを含むことは可能である。これらの中には、電荷ポンプがカスケード乗算器を備える実施形態がある。
【００１５】
別の態様では、本発明は、バッテリから負荷に電力供給することとＤＣ電源から負荷に電力供給することとの間で切り替えるための装置を特徴とする。そのような装置は、ある量の電荷がその上に蓄積されるキャパシタ、及びその量の電荷が、少なくとも一部にはインダクタンスを通って電荷を通過させる結果として変えられる比率を制約するための回路を含むスイッチドキャパシタネットワークを有するバッテリマネージャを含む。
【００１６】
これらの実施形態の中には、バッテリマネージャが、入力、及びそれらの間にスイッチドキャパシタネットワークを有するステップダウンコンバータを含むものがある。
【００１７】
またこれらの実施形態の中には、バッテリマネージャが、入力、出力、第１のライン、第２のライン、第３のライン、ステップダウンコンバータ、及びスイッチを含むものもある。これらの実施形態では、出力は、駆動すべき負荷に接続されるように構成され、入力は、ＤＣ電源に接続され、スイッチは、バッテリを選択的に第１のラインに接続し、第１のラインから切り離し、第１のラインは、入力を出力に接続し、第２のラインは、第１のノードにおいてステップダウンコンバータを第１のラインに接続し、第３のラインは、第２のノードにおいてスイッチを第１のラインに接続し、スイッチドキャパシタネットワークは、第１のノードと第２のノードとの間で第１のライン上にある。
【００１８】
なお別の実施形態では、バッテリマネージャは、第１のライン、第２のライン、駆動すべき負荷が接続されることになる出力、バッテリ充電器、及びステップダウンコンバータを含む。これらの実施形態では、第１のラインは、ステップダウンコンバータと出力との間に延伸し、第２のラインは、第１のノードにおいてバッテリ充電器を第１のラインに接続し、スイッチドキャパシタネットワークは、第１のノードとステップダウンコンバータとの間に配置される。
【００１９】
いくつかの実施形態では、バッテリマネージャは、バッテリ充電器及びステップダウンコンバータを備える。これらの中には、ステップダウンコンバータが、動作時に、バッテリを充電するためのエネルギー及び負荷に電力供給するためのエネルギーが両方ともステップダウンコンバータを通過するように配置される実施形態、並びにステップダウンコンバータが代わりに、動作時に、バッテリを充電するためのエネルギーがステップダウンコンバータを通過し、負荷に電力供給するためのエネルギーがステップダウンコンバータを迂回するように配置される、別の実施形態がある。
【００２０】
また実施形態の中には、スイッチドキャパシタ回路における電圧移行のスルーレートを制御するためにバイパススイッチ制御回路を含むものもある。
【００２１】
なお他の実施形態では、バッテリマネージャは、入力、出力、ステップダウンコンバータ、第１のライン、及び第２のラインを含む。そのような実施形態では、第１のラインは、入力から出力まで延伸し、第２のラインは、ノードにおいてステップダウンコンバータを第１のラインに接続し、スイッチドキャパシタネットワークは、入力とノードとの間に配置される。
【００２２】
なお他の実施形態は、バッテリマネージャがステップダウンコンバータを含むものである。これらの実施形態では、ステップダウンコンバータは、インダクタンスを含み、スイッチドキャパシタネットワークは、スイッチドキャパシタネットワーク内のキャパシタ上に存在する電荷の変化率を制限するために、ステップダウンコンバータのインダクタンスに依拠する。
【００２３】
なお他の実施形態は、旅行用充電器を含み、バッテリマネージャは、その構成要素である。
【００２４】
前述の実施形態のいずれかの中には、スイッチドキャパシタネットワークが、電荷ポンプ及び電荷ポンプに結合されるインダクタンスを含むものがある。これらは、電荷ポンプがカスケード乗算器を含む実施形態を含む。また前述の実施形態の中には、スイッチドキャパシタネットワークが断熱的であるもの、及びスイッチドキャパシタネットワークが非断熱的であるものもある。
【００２５】
本発明のこれらの及び他の特徴は、次の詳細な記述及び添付の図から明らかであることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】二段電力変換回路を示す図である。
【図２】ＡＣ電圧を受け取るための追加の回路を有する図１の回路を示す図である。
【図３】図１及び図２の電力変換回路において使用するためのスイッチドキャパシタアーキテクチャの第１の実施形態を示す図である。
【図４】図３の電力変換回路の段に含有されるスイッチング回路を示す図である。
【図５】図３に示される実施形態のためのパーツリストである。
【図６】スルーレートを制御するための回路を有する図３のスイッチドキャパシタアーキテクチャの変形である。
【図７】スルーレートを制御するための図５に示されるスイッチの動作を示す図である。
【図８】図６に示されるスイッチドキャパシタアーキテクチャからのスルーレート制御回路の詳細を示す図である。
【図９】図６に示されるスルーレート制御回路によって実行されるスルー制御を示す図である。
【図１０】バッテリマネージャの第１の実施形態への断熱的スイッチドキャパシタ回路の組み込みのためのいくつかの場所を示す図である。
【図１１】バッテリマネージャの第２の実施形態への断熱的スイッチドキャパシタ回路の組み込みのためのいくつかの場所を示す図である。
【図１２−１５】図１０〜図１１に示される場所の４つにおいて断熱的スイッチドキャパシタ回路を有するバッテリマネージャを示す図である。
【図１６】典型的な断熱的スイッチドキャパシタ回路の機能ブロック図である。
【図１７】断熱的スイッチドキャパシタ回路を実施するための例示的コンポーネントを示す図である。
【図１８−２０】断熱的に充電されるスイッチドキャパシタネットワークを含む、図１０〜図１１のステップダウンコンバータの実施を示す図である。
【図２１】図１８〜図２０の実施形態においてスイッチドキャパシタネットワークとして使用するためのカスケード乗算器である。
【図２２】旅行用アダプタに組み込まれる図２の回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
電力変換回路並びにそのような電力変換回路によって及びそのような電力変換回路について実行される処理のいくつかの例示的実施形態を述べる前に、概念を説明する際に明確さを促進するために、本明細書では特定のスイッチドキャパシタ回路又は特定のスイッチドキャパシタ回路トポロジに言及することがあることを理解されたい。そのような言及は、例示的なものにすぎず、限定するものと解釈すべきでないことを理解されたい。
【００２８】
本明細書で使用される場合、ＡＣ−ＤＣコンバータは、ＡＣ／ＤＣコンバータと同じであり、スイッチドキャパシタ回路は、スイッチドキャパシタネットワーク及び電荷ポンプと同じである。
【００２９】
図１は、第１の段に接続する第１の端子１２及び第２の段に接続する第２の端子１４を有する二段電力変換回路１１を示す。第１の端子１２は、第１の電圧Ｖ１にあり、第２の端末１４は、第２の電圧Ｖ２にある。
【００３０】
例示される実施形態では、第１の段は、スイッチモードプリレギュレータ１６として実施され、第２の段は、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８として実施される。しかしながら、代替実施形態では、この第２の段は、断熱的でない（non-adiabatic）、又は非断熱的（diabatic）である。
【００３１】
プリレギュレータ１６は、その必須機能、すなわち出力電圧の調節が、実行可能である限り、いろいろな方法で実施されてもよい。例示される実施形態では、プリレギュレータ１６は、プリレギュレータスイッチＳ０、トランスＴ０、ダイオードＤ０、及びフィルタキャパシタＣＸを含む。プリレギュレータ１６の特に有用な実施は、磁気的に絶縁されたコンバータであり、その例は、フライバックコンバータである。
【００３２】
いろいろなフライバックコンバータが、プリレギュレータ１６を実施するために使用されてもよい。これらは、疑似共振フライバックコンバータ、アクティブクランプフライバックコンバータ、インターリーブフライバックコンバータ、及び２スイッチフライバックコンバータを含む。
【００３３】
磁気的に絶縁されたコンバータの他の例は、フォワードコンバータである。適切なフォワードコンバータの例は、多重共振フォワードコンバータ、アクティブクランプフォワードコンバータ、インターリーブフォワードコンバータ、及び２スイッチフォワードコンバータを含む。
【００３４】
磁気的に絶縁されたコンバータのなお他の例は、ハーフブリッジコンバータ及びフルブリッジコンバータである。ハーフブリッジコンバータの例は、非対称ハーフブリッジコンバータ、多重共振ハーフブリッジコンバータ、及びＬＬＣ共振ハーフブリッジコンバータを含む。フルブリッジコンバータの例は、非対称フルブリッジコンバータ、多重共振フルブリッジコンバータ、及びＬＬＣ共振フルブリッジコンバータを含む。
【００３５】
非絶縁のコンバータを使用してプリレギュレータ１６を実施することもまた可能である。例は、バックコンバータ、ブーストコンバータ、及びバックブーストコンバータを含む。
【００３６】
本明細書で使用される場合、２つの機能コンポーネントは、もしエネルギーが、それらのコンポーネント間での直接的電気伝導経路なしにそれらのコンポーネント間で伝達可能であるならば、「絶縁されている」、又はより具体的には「ＤＣ的に絶縁されている」と言われる。したがって、そのような絶縁は、それらの間に流れる実際の電流を有することなく２つのコンポーネント間でエネルギーを伝達するための別の媒介の使用を前提とする。場合によっては、このエネルギーは、情報を含むこともある。
【００３７】
例は、電磁波、機械的な波、又は音響波などの、波の使用を含む。本明細書で使用される場合、電磁波は、可視領域、紫外領域、及び赤外領域の範囲にある波を含む。そのような絶縁はまた、準静的な電場又は磁場の使用を通じて、容量的に、誘導的に、又は機械的に媒介されてもよい。
【００３８】
大部分の機能コンポーネントは、回路の異なる部分が、異なる電位にある、回路を有する。しかしながら、その回路における最低電位を表す電位が常にある。これはしばしば、その回路についての「接地」と呼ばれる。
【００３９】
第１及び第２の機能コンポーネントが、一緒に接続されるとき、第１のコンポーネントについての接地を規定する電位が、第２のコンポーネントについての接地を規定する電位と同じになるという保証はない。もしこれが、事実であり、これらのコンポーネントが、一緒に接続されるならば、電流が、２つの接地のより高い方から２つの接地のより低い方に流れることは、かなり可能性があることになる。「接地ループ」と呼ばれる、この条件は、望ましくない。もし２つのコンポーネントの１つが、たまたま人間であるならば、それは、特に望ましくない。そのような場合、接地ループ内の電流は、傷害を引き起こすこともある。
【００４０】
そのような接地ループは、２つのコンポーネントをＤＣ的に絶縁することによって阻止できる。そのような絶縁は、本質的に接地ループの出現を排除し、電流が、人体などの、ある意図されない経路を通って接地に達することになるという可能性を低減する。
【００４１】
スイッチドキャパシタ回路１８は、スイッチドキャパシタネットワークとして実施されてもよい。そのようなネットワークの例は、ラダーネットワーク、ディクソン（Dickson）ネットワーク、直並列ネットワーク、フィボナッチ（Fibonacci）ネットワーク、及びダブラー（Doubler）ネットワークを含む。これらはすべて、断熱的に充電され、多相ネットワークに構成されてもよい。特に有用なスイッチドキャパシタネットワークは、全波カスケード乗算器の断熱的に充電されるバージョンである。しかしながら、非断熱的に充電されるバージョンもまた、使用されてもよい。
【００４２】
本明細書で使用される場合、電荷をキャパシタ上に「断熱的に」変化することは、非容量性素子を通って電荷を通すことによって、そのキャパシタに蓄積されたある量の電荷を変化させることを意味する。キャパシタ上の電荷の正の断熱的変化は、断熱的充電と考えられ、一方キャパシタ上の電荷の負の断熱的変化は、断熱的放電と考えられる。非容量性素子の例は、インダクタ、磁気素子、抵抗器、及びそれらの組み合わせを含む。いずれにしても、結果は、キャパシタ上の電荷の量が、変化することができる比率に対する制約である。
【００４３】
場合によっては、キャパシタは、時間の一部について断熱的に充電され、時間の残りについて非断熱的に充電されてもよい。そのようなキャパシタは、断熱的に充電されると考えられる。同様に、場合によっては、キャパシタは、時間の一部について断熱的に放電され、時間の残りについて非断熱的に放電されてもよい。そのようなキャパシタは、断熱的に放電されると考えられる。
【００４４】
非断熱的充電は、断熱的でないすべての充電を含み、非断熱的放電は、断熱的でないすべての放電を含む。
【００４５】
本明細書で使用される場合、「断熱的スイッチドキャパシタ回路」は、断熱的に充電もされ、断熱的に放電もされる、少なくとも１つのキャパシタを有するネットワークである。「非断熱的スイッチドキャパシタ回路」は、断熱的スイッチドキャパシタ回路でないネットワークである。
【００４６】
プリレギュレータ１６、スイッチドキャパシタ回路１８、それらの付随する回路、及びパッケージング技法の例は、米国特許第９，３６２，８２６号明細書、第９，４９７，８５４号明細書、第８，７２３，４９１号明細書、第８，５０３，２０３号明細書、第８，６９３，２２４号明細書、第９，５０２，９６８号明細書、第８，６１９，４４５号明細書、第９，２０３，２９９号明細書、及び第９，０４１，４５９号明細書、米国特許公開第２０１６／０１９７５５２号、第２０１５／０１０２７９８号、第２０１４／０３０１０５７号、２０１３／０１５４６００号、第２０１５／０３１１７８６号、第２０１４／０３２７４７９号、第２０１６／００２８３０２号、第２０１４／０２６６１３２号、第２０１５／００７７１７５号、及び２０１５／００７７１７６号、並びにＰＣＴ公開ＷＯ２０１４／／０６２２７９、ＷＯ２０１５／／１３８３７８、ＷＯ２０１５／／１３８５４７、ＷＯ２０１６／／１４９０６３、及びＷＯ２０１７／００７９９１に見いだすことができ、それらの内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４７】
断熱的スイッチドキャパシタ回路は、２０１４年１０月１４日に発行された米国特許第８，８６０，３９６号明細書、２０１５年３月１３日に両方とも出願された米国仮出願第６２／１３２，７０１号及び第６２／１３２，９３４号において詳細に述べられる。前述の文書の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４８】
第１のコントローラ２０は、第１及び第２の段の動作を制御する。第１のコントローラ２０は、第１の段を制御する一次側２２及び第２の段を制御する二次側２４を含む。絶縁バリア２６は、一次側２２を二次側２４から分離する。
【００４９】
第１のコントローラ２０の一次側２２は、プリレギュレータスイッチＳ０を制御する。プリレギュレータスイッチＳ０を開閉することは、トランスＴ０の一次側に提供される電流を制御する。これは次に、フィルタキャパシタＣＸにわたる電圧を制御する。プリレギュレータスイッチＳ０が、オンであるとき、ダイオードＤ０は、オフであり、プリレギュレータスイッチＳ０が、オフであるとき、ダイオードＤ０は、オンである。
【００５０】
プリレギュレータ１６はまた、第１の電圧Ｖ１よりも低い中間電圧ＶＸ１に維持されるレギュレータ出力端子２８も含む。このレギュレータ出力端子２８は、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８に接続する。したがって、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８は、この中間電圧ＶＸ１を受け取り、それを第２の電圧Ｖ２に変圧する。
【００５１】
断熱的スイッチドキャパシタ回路１８は、個別のステップで動作する。したがって、それは、その出力の粗い調節を提供するだけである。それは、その出力の微細調節を提供することができない。それは、プリレギュレータ１６がこの微細調節を実行するためである。図１に示される二段設計は、プリレギュレータ１６が高電流負担を持続する必要性を低減する。これは、トランスＴ０の二次巻線が代わりに、はるかにより小さいＲＭＳ電流を運ぶことができるということを意味する。これは次に、巻線損失を低下させ、レギュレータ出力端子２８における電圧リップルを低減する。それはまた、プリレギュレータ１６を断熱的スイッチドキャパシタ回路１８に結合するフィルタキャパシタＣＸが、より小さくできることも意味する。
【００５２】
しかしながら、プリレギュレータ１６の改善された性能は、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８を第２の段に有することによるサイズ及び電力損失の増加によって完全に相殺できない。したがって、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８が、極めて効率的でもあり、小さくもあるということは、不可欠である。
【００５３】
図１における二段電力変換回路１１は、ＤＣ電圧を受け取るように構成されるとして示される。図２に示される代替実施形態では、結合キャパシタＣＢによって第１の端子１２に結合されるブリッジ整流器６５は、ＡＣ電圧ＶＡＣを受け取る方法を提供する。
【００５４】
図２の電力変換回路１０は、図１に示されるものに似ているが、しかしＡＣ電源４によって提供されるＡＣ電圧ＶＡＣを受け取り、そのＡＣ電圧ＶＡＣを第２の電圧Ｖ２に変換するための追加の回路を有する。ＡＣ電圧ＶＡＣは、ブリッジダイオードＤＢ１、ＤＢ２、ＤＢ３、及びＤＢ４がブリッジを形成するように配置され、ブリッジキャパシタＣＢにわたる出力を有するブリッジ整流器６５の入力端子に提供される。ブリッジキャパシタＣＢにわたる出力は、第１の端子１２に提示される第１の電圧Ｖ１になる。この種の電力変換回路１０は、図２２に示されるように、旅行用アダプタ１３に組み込まれてもよい。そのような旅行用アダプタ１３は、ＤＣ電圧をＵＳＢポート１５に出力する。
【００５５】
いくつかの実施形態は、高調波電流を制御し、したがって電力供給装置を通って流れる皮相電流（apparent power）に対する有効電力（real power）の比をブーストするための回路を含む。これは、ＡＣ電圧を供給する壁コンセントに結合する電力供給装置にとって特に有用である。そのような回路の例は、ブリッジ整流器６５とプリレギュレータ１６との間に配置されるアクティブ力率コレクタ６７である。
【００５６】
図２はまた、ＡＣ電源４と電力変換回路１０の残りのコンポーネントとの間の安全のためのヒューズ６１も示す。電磁干渉フィルタ６３もまた、電力変換回路１０の動作中に生じることもある電磁波の制御されない放出を抑えるために提供される。
【００５７】
図３は、２０ボルトの公称電圧を受け入れ、５ボルト及び１０ボルトなどの、いろいろな出力電圧を生み出すように設計されるスイッチドキャパシタ回路１８の第１の実施形態を示す。これは、Ｃ型旅行用アダプタにとって特に有用である。これは、出力が常に５ボルトである、より古いＵＳＢ標準と異なり、より新しいＵＳＢ  Ｃ型標準が、１０、１５、さらには２０ボルトなどの、より高い出力電圧を可能にするからである。
【００５８】
図３は、２０ボルトの公称電圧を受け入れるように設計される断熱的スイッチドキャパシタ回路１８の第１の実施形態を示す。例示される断熱的スイッチドキャパシタ回路１８は、第１のスイッチドキャパシタ段３２、第２のスイッチドキャパシタ段３４、第１のバイパススイッチＳ１、第２のバイパススイッチＳ２、及び第３のバイパススイッチＳ３を特徴とする。出力インダクタＬ１及び出力キャパシタＣ０を有するＬＣフィルタは、断熱的動作を可能にする。バイパススイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を選択的に開閉することによって、第１及び第２のスイッチドキャパシタ段３２、３４の選択される１つを選択的に迂回することが可能である。
【００５９】
第１及び第２の段３２、３４の各々は、４：１のＶＸ１からＶＸ２への最大電圧変換を有する２Ｘ分圧器である。結果として得られる断熱的スイッチドキャパシタ回路１８は、２０ボルトの中間電圧ＶＸ１を受け入れ、２０ボルト、１０ボルト、又は５ボルトのいずれかの電圧を提供するように設計される。いくつかの実施形態は、時にはＣ型標準によって必要とされる、１５ボルト出力電圧を配送する。これは、プリレギュレータ１６に２０ボルトの代わりに１５ボルトをスイッチドキャパシタ回路１８に配送させ、スイッチドキャパシタ回路１８を１：１モードで動かすことによって提供可能である。
【００６０】
図３に示される断熱的スイッチドキャパシタ回路１８は、３つの動作モード、１：１モード、２：１モード、及び４：１モードを有する。１：１モードでは、第１のバイパススイッチＳ１は、閉じ、第２及び第３のバイパススイッチＳ２及びＳ３は、開く。２：１モードでは、第２のバイパススイッチＳ２は、閉じ、第１及び第３のバイパススイッチＳ１及びＳ３は、開く。４：１モードでは、第３のバイパススイッチＳ３は、閉じ、第１及び第２のバイパススイッチＳ１及びＳ２は、開く。すべての迂回される段は、それらが、電圧変換を提供するのに必要とされない（すなわち、それらが、特定の周波数でスイッチングしない）ので、電力を節約するために低電力モードで動く。
【００６１】
図４は、第１の段３２の内部のスイッチドキャパシタ回路３６を例示する。同様の回路は、第２の段３４内にある。動作中、この回路は、第１の状態と第２の状態との間で移行する。第１の状態では、「１」のラベル付きのすべてのスイッチは、閉じ、「２」のラベル付きのすべてのスイッチは、開く。第２の状態では、「１」のラベル付きのすべてのスイッチは、開き、「２」のラベル付きのすべてのスイッチは、閉じる。スイッチドキャパシタ回路３６は、特定の周波数で第１の状態と第２の状態とを交互に繰り返す。この周波数は、中間電圧ＶＸ１の半分である第２の中間電圧ＶＸ２を生み出すために選択されるものである。
【００６２】
図５は、図３に示される断熱的スイッチドキャパシタ回路１８の１つの実施のためのコンポーネントリストを示す。コンポーネントは、解決策が、高効率、小さい解決策サイズ、及び１００ｍＶピークツーピークの最大出力電圧リップルを提供するように選択された。合計値の列は、それらの動作条件におけるコンポーネントの必要とされるインダクタンス及び／又はキャパシタンスの総量を明示する。
【００６３】
代替実施形態では、第１及び第２のバイパススイッチＳ１、Ｓ２は、第２の電圧Ｖ２が、制御された仕方でスルーアップ及びスルーダウンするといった方法でオン／オフされてもよい。これは、満たすべき最大スルーレートがあるときに特に有用である。例えば、第２の電圧Ｖ２が、５ボルトから２０ボルトまでプログラム可能である、Ｃ型ＵＳＢ電力アダプタの場合、電圧移行について３０ｍＶ／μｓの最大スルーレート要件がある。
【００６４】
図６は、第１及び第２のバイパススイッチ制御回路４２が、図３に示される断熱的スイッチドキャパシタ回路１８における電圧移行のスルーレートを制御するために追加される、図３の断熱的スイッチドキャパシタ回路１８の代替実施形態を示す。これらのバイパススイッチ制御回路４２は、出力が、５ボルトから１０ボルトに及び５ボルトから２０ボルトに移行するとき、図３に示される断熱的スイッチドキャパシタ回路１８における電圧移行のスルーレートを制御する。バイパススイッチ制御回路４２はまた、１０ボルトから５ボルトへ及び２０ボルトから５ボルトへの第２の電圧Ｖ２スルーレートも制御する。
【００６５】
図７は、３つの異なる電圧出力についてのバイパススイッチ状態の表を示す。
【００６６】
図６を参照すると、２０ボルトを出力するために、人は、第１の制御入力Ｖ２０をアサートする。１０ボルトだけを出力するために、人は、第２の制御入力Ｖ１０をアサートする。デフォルトにより、第１の出力も第２の出力も、アサートされないとき、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８は、５ボルトを出力する。
【００６７】
図８は、図６に示されるバイパススイッチ制御回路４２の詳細を示す。第２のバイパススイッチＳ２が、図８に示されるけれども、第１のバイパススイッチＳ１は、同様の方法で制御される。バイパススイッチＳ１、Ｓ２、及びＳ３のすべては、ＮチャンネルＦＥＴ（ＮＦＥＴ）である。第２及び第３のバイパススイッチＳ２及びＳ３のための複合バックトゥバック（back-to-back）ＮＦＥＴ構成は、これらのスイッチが、オフであり、一方第１のバイパススイッチＳ１が、オンであるとき、出力から入力への逆電流の流れを遮断するために必要である。第２及び第３のバイパススイッチＳ２及びＳ３が、図８において個別のバックトゥバックＮＦＥＴとして描写されるけれども、これらのデバイスは、完全に統合される解決策では適応可能な本体スイッチを有する単一トランジスタによって置き換えられてもよい。
【００６８】
図８における第１のスルー制御スイッチＳ８は、第１及び第２のバイパススイッチＳ１、Ｓ２をそれらのゲート及びソース端子を短絡させることによってオフにする。第１のバイパススイッチＳ１か又は第２のバイパススイッチＳ２が、オンにされるとき、第１のスルー制御スイッチＳ８（それぞれの制御における）回路は、開き、第２の電圧Ｖ２は、５ボルトから１０ボルトに又は５ボルトから２０ボルトに移行する。その間に、抗スルーイング（anti-slewing）キャパシタＣ６及び定電流源Ｉ１は、５ボルトから１０ボルトへ又は２０ボルトへの第２の電圧Ｖ２移行の上向きスルーレートを制御する。
【００６９】
第１及び第２のバイパススイッチＳ１、Ｓ２が、オフにされ、第２の電圧Ｖ２が、１０ボルトから５ボルトに又は２０ボルトから５ボルトに移行するとき、第２のスルー制御スイッチＳ９は、オンになり、ブリーダ抵抗器Ｒ１が抗スルーイングキャパシタＣ６を放電することを可能にする。これは、第２の電圧Ｖ２の下向きスルーレートを制御する。
【００７０】
図６における比較器は、第２の電圧Ｖ２があるしきい値ＶＴＨ（例えば、ＶＴＨ＝５．２５Ｖ）を下回って降下したときを検出し、第２のスルー制御スイッチＳ９を開くことによって抗スルーイングキャパシタＣ６の放電を終わらせる。ブリーダ抵抗器Ｒ１は、電流源によって置き換えられてもよく、正及び負の両方の電圧移行のスルーレートは、電流源Ｉ１、ブリーダ抵抗器Ｒ１、及び抗スルーイングキャパシタＣ６をプログラム可能又は再構成可能にすることによってプログラムされてもよいことに留意されたい。
【００７１】
２０ボルトが、出力に望まれるとき、第２及び第３のバイパススイッチＳ２、Ｓ３は、オフであり、一方第１のバイパススイッチＳ１は、オンである。第１及び第２の（２：１）スイッチドキャパシタ段もまた、オフである。第１のバイパススイッチＳ１は、ＮチャンネルＦＥＴ（ＮＦＥＴ）であり、そのターンオンは、第２の電圧Ｖ２が、定率でスルーアップするように、定電流源である電流源Ｉ１及び抗スルーイングキャパシタＣ６によって制御される。
【００７２】
５ボルトから２０ボルトへの移行中、第１及び第２のスルー制御スイッチＳ８、Ｓ９は、開いており、第１のバイパススイッチＳ１は、ソースフォロアーとしての役割を果たす。この構成では、第１のバイパススイッチＳ１のソース上の電圧は、そのゲート上の電圧に追随し、それは、抗スルーイングキャパシタＣ６のキャパシタンスで割られる、電流源Ｉ１を通る電流によって与えられる。最初に、第１のバイパススイッチＳ１が、オンになり、第２の電圧Ｖ２が、スルーアップするとき、第１のバイパススイッチＳ１は、飽和領域において動作する（すなわち、ＶDS＞ＶGS−ＶT、ただしＶTは、ＮＦＥＴのしきい電圧である）。出力が、その最終レベルに近づくにつれて、第１のバイパススイッチＳ１は、線形領域に移行し、低インピーダンススイッチとしての役割を果たす。ツェナーダイオードＤ１は、定常状態動作中はバイパススイッチＳ１のゲートソース間（gate-to-source）電圧（ＶGS1）を安全レベルにクランプする（例えば、ＶGS1は、５ボルトに等しい）。２０ボルトから５ボルトに戻る移行は、ブリーダ抵抗器Ｒ１によって制御され、それは、スルーレートが制御される仕方で（in a slew-rate controlled manner）出力キャパシタンスを放電する。
【００７３】
１０ボルトが、出力に望まれるとき、第１及び第３のバイパススイッチＳ１、Ｓ３は、オフであり、一方第２のバイパススイッチＳ２は、オンである。第１の（２：１）スイッチドキャパシタ段は、オンであり、第２のスイッチドキャパシタ段は、オフである。第２のバイパススイッチＳ２は、バックトゥバックＮＦＥＴを含み、それは、第２の電圧Ｖ２が、５ボルトから１０ボルトに移行するとき、ソースフォロアーとして動作する。前に述べられたように、電流源Ｉ１及び抗スルーイングキャパシタＣ６は、第２の電圧が、５ボルトから１０ボルトに移行するとき、第２の電圧Ｖ２のスルーレートを制御し、ブリーダ抵抗器Ｒ１は、１０ボルトから５ボルトに戻る移行を制御し、ツェナーダイオードＤ１は、１０ボルト（すなわち、Ｖ２）での定常動作中は第２のバイパススイッチＳ２のゲートソース間電圧を安全レベルにクランプする。
【００７４】
図６及び図８に明確に示されないけれども、追加の回路が、あらゆるすべてのノード、スイッチ、及びパッシブコンポーネントへの過電流、過熱、及び過電圧などの、様々な単一点障害及び故障条件に対してシステムを保護するのに有用であることは、当業者によって理解されるはずである。
【００７５】
図９は、Ｃ型ＵＳＢ電力アダプタにおけるスルーレートを制限されたバイパススイッチ制御を有するスイッチドキャパシタ回路についての典型的な電圧移行を示す。第２の電圧Ｖ２は、近似的に２０ｍＶ／μｓでスルーアップ及びスルーダウンする。ＵＳＢ  ＰＤ仕様書によると、負荷は、電圧移行中は低電力待機状態になければならない。図９に示されるシミュレーション結果については、負荷は、出力が、その最終レベルに落ち着いた後、オンにされた。
【００７６】
図１０は、ＡＣ電源４に接続されるＡＣ−ＤＣコンバータ１０から配送される電力を使用してバッテリＢＡＴを充電するためのエネルギーもまた提供しながら、負荷８に電力供給するためのエネルギーを提供する第１のバッテリマネージャ６０Ａを例示する。第１のバッテリマネージャ６０Ａは、負荷８に電力供給するためのシステム電圧ＶＳＹＳを供給する。それは、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０が、バッテリマネージャ６０Ａから切り離されるときでさえ、そうする。
【００７７】
ＡＣ電源４は、壁電源である必要はない。代わりに、ＡＣ電源４は、デバイスを充電するためのワイヤレス充電システムの一部とすることができる。そのようなワイヤレス充電システムは典型的には、基地局及び充電すべきデバイスを含む。基地局は、第１の周波数のＡＣを受け取り、それをより高い周波数に上昇させ、それを周波数コンバータに提供し、周波数コンバータはそれを第１のコイルに提供する。充電すべきデバイスは、第１のコイルのすぐ近くに持ち込まれると、２つが、空芯トランスを形成するように選択される第２のコイルを含む。これは、第１のコイルによって提供されるエネルギーを第２のコイルにおいて利用可能にすることができ、その結果そのエネルギーは、充電すべきデバイス上のバッテリを充電するために使用できる。
【００７８】
より高い周波数への変換は、第１のコイルが妥当なサイズにできることを確実にするのに有用である。典型的な出力周波数は、５０ｋＨｚの範囲にある。様々な標準は、基地局によって提供される電圧及び／又は電流の周波数遷移及び量の範囲について存在する。そのような標準の例は、ＱＩ標準である。
【００７９】
第１のバッテリマネージャ６０Ａは、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０によって提供される第２の電圧Ｖ２をシステム電圧ＶＳＹＳに変圧するステップダウンコンバータ５６を含む。それはまた、バッテリＢＡＴを充電するための電力を提供する定電流／定電圧（ＣＣＣＶ）充電器５２も含む。充電器５２は、バッテリを充電しながら定電流又は定電圧のいずれかを維持するため、バッテリ上の電荷の量を測定するため、及び故障からの保護を提供するための回路を含む。ステップダウンコンバータ５６は、バッテリによって電力供給されるデバイスの一部であるか、又はそれは、そのようなデバイスの外部に置かれてもよい。バッテリスイッチＳ４は、バッテリＢＡＴを選択的に負荷８に接続し、負荷８から切り離す。第２のコントローラ６４は、ステップダウンコンバータ５６及び充電器５２の動作を同期させる。
【００８０】
ＡＣ−ＤＣコンバータ１０が、ＡＣ電源４に接続するとき、バッテリＢＡＴは、電力を負荷８に提供するのに必要とされない。それに応じて、第２のコントローラ６４は、バッテリスイッチＳ４を開く。その間に、ステップダウンコンバータ５６は、第２の電圧Ｖ２をバッテリＢＡＴの充電電圧をわずかに上回る値まで低下させ、それによって、バッテリがすでに完全に充電されてはいないと仮定して、ＣＣ／ＣＶ充電器５２がバッテリを効率的に充電することを可能にする。ステップダウンコンバータ５６はまた、必要なシステム電圧ＶＳＹＳを負荷８に提供もする。
【００８１】
しかしながら、いったんＡＣ−ＤＣコンバータ１０が、切り離されると、ステップダウンコンバータ５６は、もはや電力供給することができない。第２のコントローラ６４は、したがって、バッテリＢＡＴが、必要なシステム電圧ＶＳＹＳを提供することができるように、バッテリスイッチＳ４を閉じる。
【００８２】
図１１は、第２のバッテリマネージャ６０Ｂを例示し、充電電圧及びシステム電圧ＶＳＹＳは、第１のバッテリマネージャ６０Ａと異なり、分離される。バッテリスイッチＳ４は、バッテリが、システム電圧ＶＳＹＳのための電力源として使用されるときに、閉じられるだけである。第１のバッテリマネージャ６０Ａを越えるこの第２のバッテリマネージャ６０Ｂの利点は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０が、接続されるとき、ステップダウンコンバータ５６が、バッテリＢＡＴ及びシステム電圧ＶＳＹＳを充電するために電力供給する必要がないということである。
【００８３】
いくつかの実施形態では、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０は、図２〜図４に例示される種類及びその変形の断熱的に充電されるスイッチドキャパシタコンバータを含む。
【００８４】
図１０及び図１１は、図３に示される種類の断熱的スイッチドキャパシタ回路１８が、第１及び第２のバッテリマネージャ６０Ａ、６０Ｂ内に置かれてもよい、第１から第８の場所Ｐ１、Ｐ２・・・Ｐ８を集合的に示す。２つ以上の断熱的スイッチドキャパシタ回路１８が、実際に使用されてもよいが、しかしながら、最大の性能改善は、単一の断熱的スイッチドキャパシタ回路１８を組み込むことだけによって見られる可能性が高いことになる。
【００８５】
図１２は、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８が、第１の場所Ｐ１に置かれる、第３のバッテリマネージャ７０Ａを示す。断熱的スイッチドキャパシタ回路１８を第３のバッテリマネージャ７０Ａに組み込むことは、ステップダウンコンバータ５６への負担を低減する。例えば、図１２に示される第３のバッテリマネージャ７０Ａでは、電圧ストレスは、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８が省略されていた場合のものの約半分である。これは、所与の出力電力についてステップダウンコンバータ５６における電力損失を大幅に低減する効果を有する。
【００８６】
図１３は、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８が、代わりに第６の場所Ｐ６に置かれる、第４のバッテリマネージャ７０Ｂを示す。断熱的スイッチドキャパシタ回路１８の設置は、改善が、探し求められる、回路の部分を標的にするための方法を提供する。例えば、図１３に示される第４のバッテリマネージャ７０Ｂでは、主な改善は、ステップダウンコンバータ５６にはなく、負荷８における下流の負荷端（ＰＯＬ，point−of−load）コンバータにある。
【００８７】
図１２及び図１３に示される構成は、それらが、バッテリマネージャを実施する既存の集積回路と最も互換性があるので、特に有用である。
【００８８】
図１４は、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８が、第２の位置Ｐ２に置かれている、第５のバッテリマネージャ７０Ｃを示す。図１５は、断熱的スイッチドキャパシタ回路１８が、第５の位置Ｐ５に置かれている、第６のバッテリマネージャ７０Ｄを示す。
【００８９】
図１６は、典型的な断熱的スイッチドキャパシタ回路１８のブロック図を示す。本回路は、入力電圧ＶＸ３から出力電圧Ｖ３への２：１電圧変換を提供する２Ｘ分圧器である。この断熱的スイッチドキャパシタ回路１８は、２４ボルトの最大入力電圧を受け入れるように設計される。
【００９０】
図１７は、図１６におけるアーキテクチャについての例となるコンポーネントリストを示す。
【００９１】
図１０〜図１１に示されるような典型的なステップダウンコンバータ５６は、一般にスイッチングレギュレータを含む。それに応じて、いくつかの実施形態は、スイッチドキャパシタコンバータ８６及び内蔵スイッチングレギュレータ８８の両方を制御する第３のコントローラ８４と一緒にスイッチドキャパシタコンバータ８６をステップダウンコンバータ５６に組み込む。したがって、第３のコントローラ８４は、スイッチングレギュレータ８８が、スイッチドキャパシタコンバータ８６内のキャパシタを断熱的に充放電するような方法で、図１８に示されるようにスイッチドキャパシタコンバータ８６を動作させることができる。これは、スイッチドキャパシタコンバータ８６とともに余分なＬＣフィルタを提供する必要なく断熱的な充電及び放電を達成する方法を提供する。加えて、この場合のスイッチドキャパシタコンバータ８６は、本質的にモジュール式であり、既存のステップダウンコンバータ５６に組み込むべき別個のコンポーネントとして容易に供給できる。
【００９２】
図１９〜図２０は、同じ概念を実施する２つの追加のアーキテクチャを例示する。図１９に示される実施形態は、図１８における実施形態の逆である。一方では、図２０に示される実施形態は、スイッチドキャパシタコンバータ８６の入力と直列に及びスイッチドキャパシタコンバータ８６の出力と並列にスイッチングレギュレータ８８を置くことによって電力を変換する効率的な方法を提供する。したがって、スイッチングレギュレータ８８は、出力に配送される電流を直接制御する能力をなお保有しながら、出力に配送される電流のごく少量を運ぶだけである。
【００９３】
図１８〜図２０の実施形態における第３のコントローラ８４は、感知される出力電圧ＶＯ及び／又は入力電圧ＶＩに応答してスイッチングレギュレータ８８及びスイッチドキャパシタコンバータ８６内のスイッチをオン／オフさせるための制御信号を提供する。これらの入力に基づいて、コントローラ８４は、出力電圧ＶＯが、ある許容範囲内に調節されるように、スイッチングレギュレータ８８及びスイッチドキャパシタコンバータ８６に提供する制御信号に対して必要な調整をする。
【００９４】
例示される実施形態では、スイッチングレギュレータ８８は、第１のスイッチＳＡ、第２のスイッチＳＢ、及びインダクタＬ２を含むバックコンバータである。第１のスイッチＳＡが、閉じられるとき、第２のスイッチＳＢは、開き、逆もまた同様である。第１及び第２のスイッチＳＡ、ＳＢは、特定の周波数で動作する。この周波数は、インダクタＬ２を通る平均ＤＣ電流を制御する。これは、第１のスイッチＳＡのデューティサイクルを変えることによってインダクタＬ２の出力端子（すなわち、スイッチに接続されない端子）における電圧を制御することを可能にする。特に、第１のスイッチＳＡが、サイクル中により長く閉じられているほど、インダクタＬ２の出力端子における電圧は、より低いことになる。
【００９５】
図２１は、スイッチドキャパシタコンバータ８６が、全波カスケード乗算器である、１つの実施の詳細な回路図を例示する。スイッチドキャパシタコンバータ８６は、第１のスイッチセット１、第２のスイッチセット２、及びキャパシタＣ１Ａ〜Ｃ３Ｂを含む。第１のスイッチセット１内のスイッチを閉じ、第２のスイッチセット２内のスイッチを開くことは、キャパシタＣ１Ａ〜Ｃ３Ｂを第１の状態に配置する。反対に、第２のセット２内のスイッチを閉じ、第１のセット１内のスイッチを開くことは、キャパシタＣ１Ａ〜Ｃ３Ｂを第２の状態に配置する。通常動作中、スイッチドキャパシタコンバータ８６は、特定の周波数で第１の状態と第２の状態との間で循環し、それによって電荷をキャパシタＣ１Ａ〜Ｃ３Ｂと端子との間で移動させる。スイッチドキャパシタコンバータ８６は、図１８〜図２０におけるようなＤＣトランスとしてモデル化されてもよい。この実施では、電圧変換比（ＶＨ対ＶＬ）は、３対１である。
【００９６】
いくつかの実施では、コンピュータアクセス可能記憶媒体は、コンバータの１又は２以上のコンポーネントを代表するデータベースを含む。例えば、データベースは、電荷ポンプの低損失動作を促進するように最適化されているスイッチングネットワークを代表するデータを含んでもよい。
【００９７】
一般的に言えば、コンピュータアクセス可能記憶媒体は、命令及び／又はデータをコンピュータに提供するために使用する間、コンピュータによってアクセス可能である任意の非一時的記憶媒体を含んでもよい。例えば、コンピュータアクセス可能記憶媒体は、磁気ディスク又は光ディスク及び半導体メモリなどの記憶媒体を含んでもよい。
【００９８】
一般に、本システムを代表するデータベースは、プログラムによって読むことができ、本システムを備えるハードウェアを製作するために直接的に又は間接的に使用できるデータベース又は他のデータ構造であってもよい。例えば、データベースは、Ｖｅｒｉｌｏｇ又はＶＨＤＬなどの高水準設計言語（ＨＤＬ）におけるハードウェア機能性の動作レベル記述又はレジスタ転送レベル（ＲＴＬ）記述であってもよい。本記述は、合成ライブラリからゲートのリストを備えるネットリストを作成するために本記述を合成することができる合成ツールによって読むことができる。ネットリストは、本システムを備えるハードウェアの機能性もまた表す一組のゲートを備える。ネットリストは次いで、マスクに適用すべき幾何学的形状を記述するデータセットを作成するために、設置され、ルートを決められてもよい。マスクは次いで、本システムに対応する半導体回路又は複数の半導体回路を作製するために様々な半導体製作ステップにおいて使用されてもよい。他の例では、別法として、データベースはそれ自体、ネットリスト（合成ライブラリを有する若しくは有さない）又はデータセットであってもよい。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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