(57)【要約】  本発明の実施形態より、電力変換装置は、一次巻線、及び二次巻線を持つ変圧器を含む。一次巻線は、入力電圧を受け取るように結合され、二次巻線は、出力電圧を提供する。変圧器の一次巻線に結合されたトランジスタは、その一次巻線を通って流れる電流を制御する。トランジスタに結合された電流検出デバイスは、電力変換装置を通って流れる電流の量を示す信号を作り出す。電流検出デバイスは、電力変換装置における電流制御ループの一部を形成する。変圧器の二次巻線に結合されたフィードバックコントローラは、電力変換装置の出力電圧を示す信号を提供する。フィードバックコントローラは、電力変換装置における電圧制御ループの一部を形成する。コントローラは、電流制御ループのアナログ制御、及び電力変換装置の電圧制御ループのデジタル制御を提供するように動作可能である。
2007512798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置であって、
入力電圧を受け取るように結合された一次巻線、及び出力電圧を提供するための二次巻線を有する変圧器と、
前記変圧器の前記一次巻線を通って流れる電流を制御するために、該一次巻線に結合されたトランジスタと、
前記電力変換装置を通って流れる電流の量を示す信号を作り出すために、前記トランジスタに結合され、前記電力変換装置における電流制御ループの一部を形成する電流検出デバイスと、
前記電力変換装置の出力電圧を示す信号を提供するために、前記変圧器の前記二次巻線に結合され、前記電力変換装置における電圧制御ループの一部を形成するフィードバックコントローラと、
前記電力変換装置の前記電流制御ループのアナログ制御、及び前記電圧制御ループのデジタル制御を提供するように動作可能なコントローラと
を備えることを特徴とする、該電力変換装置。
【請求項２】
前記コンローラは、前記一次巻線を通って流れる前記電流を表す信号を基準信号と比較するための比較器を備え、それにより、前記電力変換装置の前記電流制御ループにおいて、高速な動的応答を提供する
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記基準信号はプログラム可能である
ことを特徴とする、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記コントローラは、比較的遅く低コストなデジタルマイクロコントローラを備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記コントローラは、前記トランジスタをオン及びオフするために、該トランジスタのゲートに信号を加えるように動作可能なデジタルパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記コントローラが、
前記一次巻線を通って流れる前記電流を表す信号を基準信号と比較するための比較器
を備え、それにより、前記電力変換装置の前記電流制御ループにおいて、高速な動的応答を提供し、さらに
前記トランジスタをオン及びオフするために、該トランジスタのゲートに信号を加えるように動作可能なデジタルパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記比較器、及び前記デジタルパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラを、単一の集積回路（ＩＣ）チップ上に実装する
ことを特徴とする、請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電流検出デバイスが抵抗器を備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記コントローラが、外部回路と通信して、前記電力変換装置のための制御コマンドについての少なくとも１つの信号を受信し、前記電力変換装置内の状態のステータスを示す少なくとも１つの信号を送信するように動作可能である
ことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記コントローラが、外部回路と通信するためのポートを備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
電力変換装置における制御を提供するための方法であって、
高速な動的性能のために、前記電力変換装置内を流れる電流のアナログ制御を提供するステップと、
前記電力変換装置の出力電圧のデジタル制御を提供するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記電力変換装置の変圧器を通って流れる電流を検出すること
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記出力電圧の値を検出すること
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記デジタル制御を提供するステップが、前記電力変換装置の状態のステータスを表す少なくとも１つの信号を、該電力変換装置から発することを含む
ことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記デジタル制御を提供するステップが、前記電力変換装置において少なくとも１つのコマンド信号を受信することを含む
ことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
電力変換装置であって、
入力電圧を受け取るように結合された一次巻線、及び出力電圧を提供するための二次巻線を有する変圧器と、
前記変圧器の前記一次巻線を通って流れる電流を制御するために、該一次巻線に結合されたトランジスタと、
前記電力変換装置の出力電圧を示す信号を提供するために、前記変圧器の前記二次巻線に結合されたフィードバックコントローラと、
前記トランジスタをオン及びオフするために、該トランジスタに結合され、かつ前記電力変換装置の出力電圧を示す前記信号を受け取るために、前記フィードバックコントローラに結合されたマイクロコントローラと
を備え、前記マイクロコントローラは、前記一次巻線を通って流れる前記電流を表す信号の基準信号とのアナログ比較を実施し、それにより、前記電力変換装置の内側の電流制御ループにおいて高速な動的応答を提供するように動作可能であり、かつ
前記マイクロコントローラは、外部回路と通信して、前記電力変換装置のための制御コマンドについての少なくとも１つの信号を受信し、前記電力変換装置内の状態のステータスを示す少なくとも１つの信号を送信するように動作可能である
ことを特徴とする該電力変換装置。
【請求項１７】
前記マイクロコントローラは、比較的遅い速度で動作する
ことを特徴とする、請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記マイクロコントローラが、デジタルパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラを備える
ことを特徴とする、請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記マイクロコントローラが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を備える
ことを特徴とする、請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項２０】
制御コマンドが、出力電圧、電流保護、待機モード、通常モード、電源オン、及び電源オフのうちの１つについてのコマンドを含むことができる
ことを特徴とする、請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項２１】
状態が、入力電圧レベル、出力電圧レベル、電流レベル、及びエラーのうちの１つを含むことができる
ことを特徴とする、請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項２２】
前記基準信号のレベルがプログラム可能である
ことを特徴とする、請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項２３】
前記マイクロコントローラを、単一の集積回路（ＩＣ）チップ内に実装する
ことを特徴とする、請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項２４】
前記マイクロコントローラが、前記信号の受信及び送信のためのシリアル通信ポートを備える
ことを特徴とする、請求項１６に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換に関するものであり、特に、制御を改善した電力コネクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、電気及び電子デバイスにおいて広く使用されている。ノートブックコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、セルラ電話、及び他の携帯消費者製品のような幾らかの装置は、軽い負荷状態、又は負荷の全くない状態で、低い待機電力消費を提供する電力変換装置を必要とする。これを実現するために、電力変換装置は、例えば出力電圧、過電圧及び電圧不足、待機又は通常モード、電源オン及びオフ等のような電力変換の間の様々な状態を監視、及びそれらの対応するための幾らかの知能を持たなければならない。さらに、幾つかの応用例では、良い動的性能を提供するために、内部電流コントローラループにおける非常に高速な計算時間を持つことが望ましい。
【０００３】
これらの種類の応用例において電力変換の制御を提供するために、以前に、様々なシステムが開発及び検討された。しかしながら、その様々なシステムの全てが不充分、又は問題の多いものであった。例えば、純アナログ制御システムは、高速である一方で、必須な知能を欠き；これは、特定の状態下（例えば、負荷の軽い、又は負荷の全くない）での大きなワット損という結果になる。これに対して、単純なマイクロコントローラで実装されたデジタル制御システムは、充分な知能を持つことができるが、遅すぎる。（デジタル信号処理装置、又はＤＳＰのような）より複雑なマイクロプロセッサで実装されたデジタル制御システムは、充分な知能、及び非常に高速な計算速度（例えば、１０〜１００μ秒）を提供するが、それは高価すぎるので、現実の市場製品として商用的に立ち行かない。さらに、複雑なマイクロプロセッサを持つそのような制御システムにおけるハードウェアは複雑すぎる、すなわち、典型的なＤＳＰは、外部読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、及びデジタル入力及び出力ポートを持つ８ビット、又は１６ビットバスを持つ。
【０００４】
必要とされるものは、低コストで、知的な、高速なコントローラを持った電力変換装置である。
【０００５】
（要約）
本発明の実施形態より、電力変換装置は、一次巻線、及び二次巻線を持つ変圧器を含む。一次巻線は、入力電圧を受け取るように結合され、二次巻線は、出力電圧を提供する。変圧器の一次巻線に結合されたトランジスタは、その一次巻線を通って流れる電流を制御する。トランジスタに結合された電流検出デバイスは、電力変換装置を通って流れる電流の量を示す信号を作り出す。電流検出デバイスは、電力変換装置における電流制御ループの一部を形成する。変圧器の二次巻線に結合されたフィードバックコントローラは、電力変換装置の出力電圧を示す信号を提供する。フィードバックコントローラは、電力変換装置における電圧制御ループの一部を形成する。コントローラは、電流制御ループのアナログ制御、及び電力変換装置の電圧制御ループのデジタル制御を提供するように動作可能である。
【０００６】
本発明の更なる実施形態より、電力変換装置において制御を提供するための方法は、高速な動的性能のために、電力変換装置内を流れる電流のアナログ制御を提供するステップ、及び電力変換装置の出力電圧のデジタル制御を提供するステップを含む。
【０００７】
本発明のまた更なる実施形態より、電力変換装置は、一次巻線及び二次巻線を持つ変圧器を含む。一次巻線は、入力電圧を受け取るように結合され、二次巻線は、出力電圧を提供する。トランジスタは、一次巻線を通って流れる電流を制御するために、変圧器の一次巻線に結合される。フィードバックコントローラは、電力変換装置の出力電圧を示す信号を提供するために、変圧器の二次巻線に結合される。マイクロコントローラは、トランジスタをオン及びオフするために、トランジスタに結合され、かつ、電力変換装置の出力電圧を示す信号を受け取るために、フィードバックコントローラに結合される。マイクロコントローラは、一次巻線を通って流れる電流を示す信号の、基準信号とのアナログ比較を実施するように動作可能であり、それにより、電力変換装置の内側の電流制御ループにおいて、高速な動的応答を提供する。マイクロコントローラはまた、外部回路と通信して、電力変換装置のための制御コマンドについての少なくとも１つの信号を受け取り、かつ電力変換装置内の状態のステータスを示す少なくとも１つの信号を送信するように動作可能でもある。
【０００８】
本発明の幾つかの実施形態では、電力変換装置における制御機能が、アナログ要素とデジタル要素との間で分けられる。非常に高速な動的特性を持つために、アナログコントローラを使用して、電力変換装置内の電流の流れを制御する。適当な計算速度を持つ比較的低コストのデジタルコントローラを使用して、処電力変換装置内の電圧を制御する処理のための知能を提供する。
【０００９】
一実施形態では、マイクロコントローラを使用した電力変換装置を提供する。電力変換装置は、デジタルフライバック又はフォワード変換装置とすることができる。マイクロコントローラは、デジタルパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ、論理演算装置（ＡＬＵ）の中心部、内部ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、及び一又はそれ以上のアナログ‐デジタル（Ａ／Ｄ）及びデジタル‐アナログ（Ｄ／Ａ）変換器を持つことができる。内側電流制御ループにおける高速な動的応答のために、アナログ比較器を使用して、アナログベースの電流制御を提供する。アナログ比較器は、電力変換装置内を流れる電流を表す信号を、プログラム可能とすることのできる電圧基準と比較することができる。アナログ比較器は、デジタルマイクロコントローラと一体化して、単一の集積回路（ＩＣ）チップに集約されることができる。さらに、電力変換装置は、シリアル通信ポートを介して、様々な状態のステータス（例えば、出力電圧レベル、電流レベル、エラー等）についての信号を送信することができる、或いはシステム制御コマンド（例えば、出力電圧、電流保護レベル、最低電力消費のための待機モード、通常モード、及び電源のオン又はオフのコマンド）についての信号を受信することができる。
【００１０】
以下の図面、説明、及び特許請求の範囲より、本発明の重要な技術的利点が、当業者にはすぐに明らかであろう。
【００１１】
本発明のより完全な理解のために、及び、更なる特徴及び利点のために、ここで、添付図面と組合せて解釈される以下の説明を参照する。
【００１２】
（詳細な説明）
図面の図１〜７を参照することにより、本発明の実施形態、及びそれらの利点が最もよく理解される。様々な図面の同じ要素、及び対応する要素について、同じ番号を使用している。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２を持つ電力変換装置１０のブロック図である。示すように、電力変換装置１０は、一次巻線Ｎｐ及び二次巻線Ｎｓを持つ変圧器１４、（パワーＭＯＳＦＥＴとして実装できる）スイッチ１６、検出抵抗器１８、整流及びフィルタ回路２０、及び独立型フィードバックコントローラ２２を含む。電力変換装置１０は、その入力端子において電圧Ｖｄｃを受け取り、電圧Ｖｄｃを変換し、その結果をＶｏ（＋）及びＶｏ（−）として出力端子において出力する。出力端子において、負荷を結合することもできる。
【００１４】
電力変換装置１０は、フライバック変換器、又はフォワード変換器のトポロジの状態で、機能する又は配置されることができる。フライバック変換器トポロジでは、スイッチ１６がオンの時、全てのエネルギーが変圧器１４内に格納され、スイッチ１６がオフの時、エネルギーは、負荷に伝達又は放出されるのみである。フォワード変換器トポロジでは、変圧器内にエネルギー（励磁エネルギーを除く）の貯蔵は全く存在せず、スイッチ１６をオンにした時、駆動エネルギーが即座に負荷に伝達される。電力変換装置１０が、フライバック変換器として機能するか、或いはフォワード変換器として機能するかは、変圧器１４の巻線Ｎｐ及びＮｓの方向に依存する。
【００１５】
電力変換装置１０では、出力電圧は、負荷の変化に比較的ゆっくり応答する。これに対して、電力変換装置１０内の電流の流れは、負荷が変化する時、比較的急速に変化する。電力変換装置１０内の電流制御ループは、一部分は、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２に入力することのできる電流を作り出す、入力側の検出抵抗器１８によって定められることができる。電流制御ループは、電力変換装置１０内の負荷状態の変化に対する電流の流れの急速な応答のため、高速な動的特性を持つ。電力変換装置１０内の電圧制御ループは、一部分は、出力電圧を検出し、フィードバック信号を混合アナログ及びデジタルコントローラへ提供する独立型フィードバックコントローラ２２により定められることができる。電圧制御ループは、負荷状態の変化に対する出力電圧のより小さい応答特性のため、電流制御ループほど高速ではない。それゆえ、高速な電流制御ループは、アナログベースの回路によって制御され、外側の電圧制御ループは、デジタルベースのハードウェア及びソフトウェアを使用することによりデジタル制御される。電圧制御ブロック、及び電流制御ブロックを、一緒に混在させ、１つの半導体チップ又はダイに一体化することができる。
【００１６】
電力変換装置１０の動作は、混合アナログおよびデジタルコントローラ１２により制御される。図１に示すように、アナログ及びデジタルコントローラ１２は、デジタル制御ブロック２４、及びアナログ制御ブロック２６の２つの制御ブロックを含む。典型的な電源応用例では、アナログ制御ブロック２６を電流制御ループ内で使用することができる。アナログ制御ブロック２６は、電流制御ループにおいて、非常に高速な動的特性を提供し、従って、高速な負荷調整を提供する。知能を必要とする監視機能（例えば、電圧及び電流保護レベル、最低電力消費のための待機モード、又は通常モード、及び電源のオン又はオフのコマンド）のために、デジタル制御ブロック２４を電圧制御ループ内で使用することができる。電力変換装置１０内の、電流制御ループのアナログ制御と電圧制御ループのデジタル制御との間の分担のため、適当な計算速度を持つ、比較的単純で低速な（従って低コストの）マイクロコントローラを使用して、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２を実装することができる。一実施形態では、そのようなマイクロコントローラは、Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社から市販されているＦＭＳ７４０１‐８、又はＦＭＳ７４０１‐１４の部品とすることができる。マイクロコントローラは、デジタルパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ、論理演算装置（ＡＬＵ）の中心部、内部ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、及び一又はそれ以上のアナログ‐デジタル（Ａ／Ｄ）及びデジタル‐アナログ（Ｄ／Ａ）変換器を持つことができる。マイクロコントローラは、プログラム可能とすることができる。
【００１７】
電力変換装置１０内の様々な電流及び電圧状態に応じて、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２は、スイッチ又はトランジスタ１６をオン及びオフすることにより、電力変換装置１０を制御する。コントローラ１２は、スイッチ１６のスイッチング周波数を制御することができる。典型的には、定格負荷状態下で、要素の見掛けのサイズを減らすために、より高いスイッチング周波数が望ましい。しかし、スイッチング損はスイッチング周波数に比例する。より高いスイッチング周波数において、負荷の全くない、或いは軽い負荷状態における待機電力消費は大きい。混合アナログ及びデジタルコントローラ１２は、そのような軽い負荷、又は負荷の全くない状態において、スイッチング周波数を適当なレベルまで下げることにより、スイッチング損を減らす、又は最小化する。さらに、幾つかの実施形態では、駆動周波数を動的に調整することができる。
【００１８】
一実施形態では、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２は、外部回路（例えば、ホスト又はメインコンピュータ）と通信する能力を持つことができる。これは、コントローラ１２が、ステータス状態（例えば、温度）、エラー状態等についての様々な情報を、それらを制御するための外部デバイスに送ることを可能にする。例えば、アナログ温度検出信号は、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２から発され、現在の動作温度に依って電力変換装置１０が組み込まれる電子デバイス（例えば、ラップトップコンピュータ）の冷却レベルを制御するために使用することができる。また、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２は、電力変換装置１０の動作を制御、構成、又は調整するための信号のような様々な情報を受け取ることができる。例えば、アナログ出力電圧フィードバックコマンドの信号を、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２に送ることができる。電力変換装置１０との通信は、シリアルポート（例えば、ＲＳ−２３２）、Ａ／Ｄ入力ポート、或いは如何なる他の適当な入力／出力ポート（例えば、Ｉ２Ｃポート）でも実現することができる。
【００１９】
デジタル制御ブロック２４は、発振器２８、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０、デジタルフィルタ３２、比較器３４、デジタル比例積分器（ＰＩ）３６、内部デジタルロジック３８、多重化装置（ＭＵＸ）４０、及び様々なアナログ‐デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２、４４、及びデジタル‐アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４６を含むことができる。発振器２８は一又はそれ以上のクロック信号を生成し、それは、デジタル制御ブロック２４における内部クロック、及びデジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０に出力されることができる。本出願でより詳細に説明するように、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０は、スイッチ１６をオン及びオフするための信号を提供する。デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０は、固定周波数で信号を出力することができる、或いはそのかわりに、周波数は可変とすることもできる。デジタルフィルタ３２は、検出抵抗器１８間で作り出された電流フィードバック信号を受け取り、フィルタリングする。内部デジタルロジック３８は、電力変換装置１０を制御するためのコマンドを格納、及び処理することができる。ＭＵＸ４０は、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２内、及び外で、信号を多重化するように機能する。内部ソフトウェアで実装することのできる比較器３４は、電圧コマンド（Ｖ*）信号を電圧フィードバック信号と比較する。Ｖ*信号は、所望の出力電圧レベルを表しており、（例えば、内部デジタルロジック３８により生成される）内部デジタル基準値、又は適当なポートを通して受信される外部コマンド、とすることができる。電圧フィードバック信号は、電力変換装置１０の実際の出力電圧レベルを表している。電圧フィードバック信号は、デジタルの形式とすることができ、独立型フィードバックコントローラ２２から受け取られた信号から引き出すことができる。ソフトウェアで実装することのできるデジタル比例積分器（ＰＩ）３６は、Ｖ*信号と電圧フィードバック信号との間の差分を受け取る。デジタル比例積分器（ＰＩ）３６は、エラー値を数学的に計算して、電流コマンド（Ｉ*）信号を生成する。この電流コマンド（Ｉ*）信号は、アナログ、又はデジタルの形で使用することができる。図１に示すように、電流コマンド（Ｉ*）信号は、内部Ｄ／Ａ変換器４６によってアナログ信号に変換される。このアナログの電流コマンド（Ｉ*）信号は、アナログ比較器制御ブロック２６へ送られる。
【００２０】
アナログ制御ブロック２６は、アナログベースの比較器４８を備える。アナログベースの比較器４８は、電流コマンド（Ｉ*）信号を、検出抵抗器１８により作り出された電流からデジタルフィルタ３２によって生成されるアナログ電流フィードバック信号と比較する。この比較の結果に依り、スイッチ１６をオン及びオフにしている時間を正しく調整するように、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０の動作を制御する。一実施形態では、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０が固定周波数で動作する場合には、アナログ制御ブロック２６からの出力制御信号は、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０に、スイッチ１６に固定周波数信号を加えさせる、或いは加えさせないように、機能する。そのかわりに、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０の周波数が変化し得る場合には、アナログ制御ブロック２６からの出力制御信号はまた、周波数を調整するように機能することもできる。
【００２１】
図１において、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２は、いくぶん概念的に示されている。混合アナログ及びデジタルコントローラ１２における実際のハードウェア実装は、図１に示す要素に厳密に対応するわけではない。
【００２２】
一実施形態では、電力変換装置１０は設定可能とすることができる。特に、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２についての様々なパラメータを、電力変換装置１０の動作を制御するように、調整、変更、さもなければ設定することができる。電力変換装置１０における単一のハードウェアアーキテクチャを複数の多様な応用例に使用できるという点で、これは有利である。従って、電力変換装置１０は非常に汎用的である。
【００２３】
図２Ａ〜２Ｄは、本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタル制御を有する電力変換装置１０の実装例の、部分ブロック形式による概略図である。
【００２４】
図２Ａの実施形態では、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２を、多重集積回路（ＩＣ）ダイで実装することができる。これらは、ＩＣ１  ６０、ＩＣ２  ６２、及びＩＣ３  ６４を含む。ＩＣ１  ６０は、Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社から市販されているＦＭＳ７４０１‐８、又はＦＭＳ７４０１‐１４製品のようなアナログ混合デジタルマイクロコントローラとすることができ、それは、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラを実装する。ＩＣ２  ６２は、これもまたＦａｉｒｃｈｉｌｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社から市販されているＦＡＮ５３４１８製品のような、ＭＯＳＦＥＴゲートドライバとすることができる。示すように、この実施形態では、ＩＣ１  ６０及びＩＣ２  ６２を同じパッケージ内に配置することができる。ＩＣ３  ６４は、独立型フィードバックコントローラ２２を実装し、かつＦａｉｒｃｈｉｌｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社から市販されているＦＯＤ２７１１とすることができる。
【００２５】
再び図２Ａを参照すると、入力抵抗器６６及び６８は、入力電源電圧Ｖdcの電圧レベルを検出するためのものである。この検出された入力電圧レベルは、電圧不足又は過電圧の保護を提供するために、入力として使用することができる。抵抗器７０は、入力電力が最初に加えられた時、（変圧器１４はその時点で励起されていないので）、動作電力をＩＣ１  ６０及びＩＣ２  ６２に供給するための起動用抵抗器である。補助巻線Ｎａ７２を通して得られる電圧を使用して、ＩＣ１  ６０及びＩＣ２  ６２に動作電圧を供給することができる。抵抗器１８は、変圧器１４の一次巻線Ｎｐを通って流れる電流を検出するための電流検出抵抗器である。幾つかの実施形態では、ＩＣ３  ６４は、光結合素子を伴った電圧基準を含むことができる。電圧基準、及び光結合素子を各々、図６に示すようなＩＣ４及びＩＣ５のような、それぞれのＩＣ上に実装することができる。電源のステータスを示す信号、及びオン又はオフのような様々な制御コマンドを受け取るため、及び、待機モードと通常モードとの間で出力電圧を変化させ、及び必要な場合には様々な保護レベルを変えるために、シリアル通信ポートＰＳ１及びＰＳ２を提供することができる。
【００２６】
図２Ｂ及び２Ｃの実施形態では、ＩＣ１  ６０及びＩＣ２  ６２と共に更なる要素がパッケージされ得るという顕著な違いはあるが、図２Ｂ及び２Ｃの実施形態は、図２Ａの実施形態と実質的に同様である。特に図２Ｂの実施形態では、スイッチ１６、及び抵抗器１８が、ＩＣ１  ６０及びＩＣ２  ６２と共にパッケージされ、図２Ｃの実施形態では、ＩＣ３  ６４がさらに追加される。
【００２７】
図２Ｄは、ＩＣ１  ６０、ＩＣ２  ６２、及びＩＣ３  ６４を使用することのできる特定の製品のピンアウト構成で表した、電力変換装置１０の実装例を示している。
【００２８】
本出願で説明するように、本発明の幾つかの実施形態では、電力変換装置における制御機能が、アナログ要素とデジタル要素との間で分けられる。アナログコントローラを使用して、電流制御ループにおいて非常に高速な動的特性を提供する。これは、適当な計算速度を持つ（特に高速である必要はない）比較的低コストなデジタルマイクロコントローラを、電圧制御ループを処理するために使用することを可能にする。さらに本出願で説明する他の実施形態では、電流制御ループ、及び電圧制御ループの両方における制御機能が、アナログ形式で実装され、電力変換装置内の主に監視機能（例えば、電力システムの入力及び出力のステータスを監視し、それに応じてシステムをオン又はオフする）のために、比較的低コストなデジタルマイクロコントローラを使用する。そのような監視機能に必要な速度は、閉制御の速度にくらべて比較的遅いものであろう。この場合、マイクロコントローラは制御ループ内には介在せず、そのかわりに、入力及び出力電圧及び電流を検出することにより、電力変換装置１０の動作全体を監視し、従って電力変換装置１０に保護機能を提供する。また、マイクロコントローラは、様々な動作状態の現在のステータスを示す信号を発することができ、かつ外部回路から様々なコマンドを受け取ることができる。
【００２９】
図３は、本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２の一部についての実装例の、部分ブロック形式による概略図である。示すように、コントローラ１２は、比較器８０、及び演算増幅器（ＯＰ−Ａｍｐ）８２を含むことができる。さらに、プログラム可能な電圧基準（Ｖｐｒｅｆ）８４、スイッチ８６、及びプログラム可能なデジタル遅延素子８８が存在する。
【００３０】
演算増幅器８２は、電圧制御ループの一部とすることができる。このように、演算増幅器８２は、電力変換装置１０の出力電圧を表す電圧フィードバック信号を受け取ることができる。この信号は、本実施形態で提供されるように、アナログ形式とすることができる、或いは図１に示す実施形態で提供されるように、デジタル形式とすることもできる。一実施形態では、演算増幅器８２を使用して、図１に示す比較器３４、及び比例積分器（ＰＩ）コントローラ３６を実装することができる。演算増幅器８２は、アナログ電圧制御方法に基づいて、アナログ信号である電流コマンド（Ｉ*）信号を出力する。
【００３１】
プログラム可能な電圧基準（Ｖｐｒｅｆ）８４は、代替の電流コマンド（Ｉ*）信号を提供する。プログラム可能な電圧基準（Ｖｐｒｅｆ）８４の値は、ソフトウェア、或いは混合アナログ及びデジタルコントローラ１２の内部デジタルロジックのレジスタ内に格納された情報で、プログラムすることができる。
【００３２】
アナログスイッチとすることのできるスイッチ８６は、位置Ａと位置Ｂとの間で切り替えることができる。一実施形態では、コントローラ内のレジスタをセットすることにより、スイッチ８６の位置を制御することができる。スイッチ８６の位置に依って、マイクロコントローラは、電流コマンド（Ｉ*）信号として、演算増幅器８２からの出力、或いはプログラム可能な電圧基準（Ｖｐｒｅｆ）８４のいずれかを使用することができる。
【００３３】
電流制御ループの一部とすることのできる比較器８０は、その入力端子の一方で、（電流検出抵抗器１８によって生成された）検出された電流信号を受信する。他方の入力端子において、比較器８０は電流コマンド（Ｉ*）信号を受け取り、それは、スイッチ８６の位置に依って、演算増幅器８２の出力、又はプログラム可能な電圧基準（Ｖｐｒｅｆ）８４のいずれかとすることができる。（図３に示すように）位置Ａが選択される場合には、演算増幅器８２からの出力を使用する。スイッチ８６において、位置Ｂが選択される場合には、演算増幅器８２は内部デジタル中心部と切断され、プログラム可能な電圧基準（Ｖｐｒｅｆ）を使用する。
【００３４】
比較器８０は、実際の負荷電流を電流コマンド（Ｉ*）信号と比較することにより、負荷電流を制御するための信号（デジタルＰＷＭリセット）を生成する。一実施形態では、検出される負荷電流が電流コマンド（Ｉ*）信号より大きい場合には、比較器８０の出力はローになる。プログラム可能なデジタル遅延素子８８によって提供される遅延の後、比較器の出力は、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０（図１）に提供され、それは、スイッチ又はトランジスタ１６をオフする。そのようにして、変圧器１４の一次巻線Ｎｐ内の電流を減らす。そして次に、これは、変圧器１４の二次巻線Ｎｓ内を流れる負荷電流を減らす。さもなければ、実際の負荷電流が電流コマンド（Ｉ*）信号より小さい場合には、比較器８０の出力がハイになる。これは、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０に、変圧器１４の二次巻線内を流れる負荷電流が電流コマンド（Ｉ*）信号のレベルに上昇するまで、トランジスタ１６をオンにさせる、或いはオンに維持させる。従って、（検出抵抗器１８により検出される）負荷電流の変化は、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０における制御に、急速な変化をもたらす。そのようにして、大きな遅延時間なく、或いはマイクロコントローラの如何なる介入もなく、アナログ回路を使用して、電流制御ループを素早く処理することができる。
【００３５】
図４は、本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタルコントローラにおいて使用されるマイクロコントローラ９０の実装例の、部分ブロック形式による概略図である。マイクロコントローラ９０は、プログラム可能とすることができ、例えば、電圧制御ループにおける１〜１０ｍｓのサンプリング時間、或いは計算時間というような、電圧制御ループの制御に適した速度で動作することができる。示すように、マイクロコントローラ９０は、要素の中でも特に、一又はそれ以上の比較器、サンプルアンドホールドを持つアナログ‐デジタル変換器（ＡＤＣ）、電流検出ネットワークからの信号をフィルタリングするためのデジタルフィルタ、内部電流源、内部電圧調整器、タイマ、データ及びソフトウェアコードのための電気的に消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、内部ＲＡＭ、内部発振器、パルス幅変調（ＰＷＭ）タイマ、及び処理中心部（例えば、ＡＣＥデジタル中心部ロジック）を含むことができる。マイクロコントローラは、８ビットバス構造を持つことができる。
【００３６】
図５は、本発明の実施形態による、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０における波形例を示している。幾つかの実施形態では、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２内のデジタルマイクロコントローラ（例えば、ＩＣ１  ６０）、及びゲートドライバ（例えば、ＩＣ２  ６２）において、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０を実装することができる。
【００３７】
図５を参照すると、デジタルパルス幅変調器（ＰＷＭ）３０は、信号ＨＳ１及びＨＳ２を出力することができ、それらの一方、又は両方を、例えばセット／リセット信号として使用して、トランジスタ又はスイッチ１６を制御することができる。出力信号ＨＳ１及びＨＳ２は、デジタル形式、又はアナログ形式とすることができる。一実施形態では、出力信号ＨＳ１及びＨＳ２を使用して、外部電力装置を駆動することができる。
【００３８】
示すように、出力信号ＨＳ１及びＨＳ２は、増分カウンタ信号Ｔ１ＲＡ、及び比較信号Ｔ１ＣＭＰＡから引き出される、或いは生成される。増分カウンタ信号Ｔ１ＲＡは、混合アナログ及びデジタルコントローラ１２の自動増分カウンタによって出力されることができる。増分カウンタ信号Ｔ１ＲＡの値は、内部パルス幅変調（ＰＷＭ）クロックにより増加される。内部デジタルロジック３８のレジスタ内に書き込むことにより、周波数もまた調整することができる。比較信号Ｔ１ＣＭＰＡは、デジタル制御ブロック１２の比較器から出力されることができ、その値をまたレジスタ内に格納することができる。カウンタ信号Ｔ１ＲＡの値は、比較信号Ｔ１ＣＭＰＡの値と比較される。比較信号Ｔ１ＣＭＰＡの値がカウンタ信号Ｔ１ＲＡの値より大きい限り、出力信号ＨＳ１はロー（「０」）である。カウンタ信号Ｔ１ＲＡの値が、比較信号Ｔ１ＣＭＰＡの値を超える場合には、短い遅延時間（ｄｔ）の後、出力信号ＨＳ１はハイ（「１」）になる。一実施形態においてプログラムすることのできるこの遅延時間（ｄｔ）は、高電位側‐低電位側電力装置のゲート信号となり得る信号ＨＳ１及びＨＳ２の両方から流れる横流を減らすために、むだ時間を提供する。これは、プッシュプル、半ブリッジ、及び全ブリッジのような高電位側及び低電位側変換器トポロジにおいて重要となり得る。増分カウンタ信号Ｔ１ＲＡがリセットされた時、出力信号ＨＳ２はハイになり、増分カウンタ信号Ｔ１ＲＡが比較信号Ｔ１ＣＭＰＡを超えるまでハイにとどまる。また、内部制御レジスタをセットすることにより、ＨＳ１及びＨＳ２信号レベルを反転とすることができる。
【００３９】
増分カウンタ信号Ｔ１ＲＡの最大値が比較的小さくセットされる場合には、電力変換装置１０におけるスイッチング周波数が増大するということが、図５よりわかる。さもなければ、カウンタ信号Ｔ１ＲＡの最大値が比較的大きい値にセットされる場合には、スイッチング周波数は低下する。従って、デジタルＰＷＭ３０は、電力変換装置１０における負荷状態に依って、適応して、スイッチング周波数を変化させることができる。
【００４０】
図６は、本発明の実施形態による、出力電圧フィードバック回路１００の実装例の、部分ブロック形式による概略図である。出力電圧フィードバック回路１００は、電力変換装置１０の入力側と出力側との間で、電気的に切り離されることができる。出力電圧フィードバック回路１００のある部分は、マイクロコントローラにおける集積回路（ＩＣ）ダイ内に実装することができ、フィードバック回路１００の幾つかの部分は、光結合素子、及びショットキーダイオードにおける更なるＩＣ（すなわち、それぞれＩＣ４及びＩＣ５）内に実装することができる。幾つかの実施形態では、出力電圧フィードバック回路１００は、フィードバックコントローラ２２の少なくとも一部分を実装することができる。電圧フィードバック回路１００は、内部電流源（Ｉａ）を使用する。図７は、本発明の実施形態による、負荷状態を検出するための出力電圧フィードバックレベルにおける波形例を示している。
【００４１】
電力変換装置１０における負荷電流が増大する場合には、出力電圧はわずかに減少する。それゆえ、出力電圧フィードバック回路１００では、光結合素子の発光ダイオード（ＬＥＤ）の陽極電流もまた減少する。従って、光結合素子のコレクタ電流が減少し、内部電流源（Ｉａ）が、以下の式に従って、平行コンデンサ（Ｃｆ）を充電するので、ノード（ＡＩＮ１／Ｇ３）における電圧レベルは増大するであろう。
2007512798.tif 000003
【００４２】
負荷に適当な電流が供給される場合には、出力電圧が適切なレベルにセットされる。さもなければ、負荷に供給される電流が多すぎ（過電流、又は過負荷状態）、かつ出力電圧が電力変換装置１０における定格レベルより低い場合には、図７に示すように、ノード（ＡＩＮ１／Ｇ３）における電圧レベルは増大するであろう。マイクロコントローラは、この電圧レベルを監視し、電圧レベルがあらかじめ定められた過負荷電圧レベル（Ｖｓｄ）を超える場合には、その過負荷状態を認識することができる。従って、混合アナログ及びデジタルコントローラを使用することにより、様々な知能保護を提供することができる。
【００４３】
図７に示すように、ピン（ＡＩＮ１／Ｇ３）における電圧レベルを監視することにより、電源を過負荷状態から保護することができる。また、図２Ａ、２Ｂ，及び２Ｃに示すように、Ｒｉｎ１及びＲｉｎ２を使用することによって、入力電圧レベルを監視することにより、入力の過電圧、及び電圧不足の状態を認識することができる。また、図２Ｄ及び３に示すように、ピン（ＡＩＮ０／Ｇ４）における電流検出信号の振幅を比較することにより、過電流保護機能も獲得することができる。ショート、又は非常に高い電流が検出された場合には、遅延時間が殆どなく、或いは全くなく、パワートランジスタ１６（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）を即座にオフする。これは、周期ごとの電流保護機能である。
【００４４】
本発明、及びその利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定められるような本発明の技術的範囲から逸脱することなく、そこに様々な変更、置換、及び代替が成され得るということを理解すべきである。すなわち、本出願に含まれる解説は、基本的な説明として働くことを意図されている。具体的な説明は、全ての可能な実施形態を明示的に説明しているわけではなく、すなわち、多くの代替は暗に示されているということを、理解すべきである。それはまた、本発明の汎用性を完全に説明するわけでもなく、各機能又は要素が、より広い機能、又は多様な代替又は等価な要素をどのように実際に表すことができるかを、明示的に示しているわけでもない。これらもまた、本開示内に暗に含まれている。本発明が、デバイス向けの用語で説明される場合、デバイスの各要素は、暗黙的に機能を実施する。説明も、用語も、いずれも特許請求の範囲を限定することを意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタルコントローラを有する電力変換装置のブロック図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタル制御を持つ電力変換装置の実装例の、部分ブロック形式による概略図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタル制御を持つ電力変換装置の実装例の、部分ブロック形式による概略図である。
【図２Ｃ】本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタル制御を持つ電力変換装置の実装例の、部分ブロック形式による概略図である。
【図２Ｄ】本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタル制御を持つ電力変換装置の実装例の、部分ブロック形式による概略図である。
【図３】本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタルコントローラの一部の実装例の、部分ブロック形式による概略図である。
【図４】本発明の実施形態による、混合アナログ及びデジタルコントローラにおいて使用されるマイクロコントローラの実装例の、部分ブロック形式による概略図である。
【図５】本発明の実施形態による、デジタルパルス幅変調器における波形例を示している。
【図６】本発明の実施形態による、出力電圧フィードバック回路の実装例の、部分ブロック形式による概略図である。
【図７】本発明の実施形態による、過負荷状態を検出するための、出力電圧フィードバックレベルにおける波形例を示している。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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