(57)【要約】【課題】電流に応答するパルス幅変調信号を実現する装置および方法を提供すること。【解決手段】本発明の態様による集積回路は電源の出力を調節し、外部電流を受け取るように結合されたスイッチを含む。集積回路はまた、外部制御信号と内部電流検出信号に応答して、スイッチによる外部電流のスイッチングを制御するように、スイッチに結合されたコントローラを含む。内部電流検出信号は、スイッチの電流に比例する。電源の出力は、内部電流検出信号がないときも調節される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源の出力を調節する集積回路であって、
外部電流を受け取るように結合されたスイッチと、
外部制御信号と前記スイッチの電流に比例する内部電流検出信号に応答して、前記スイッチによる前記外部電流のスイッチングを制御するように前記スイッチに結合されたコントローラとを備え、前記内部電流検出信号がないとき、前記電源の出力が調節される集積回路。
【請求項２】
前記スイッチの導通時間が、前記外部制御信号と前記内部電流検出信号に応答する請求項１に記載の集積回路。
【請求項３】
前記スイッチの導通時間が、前記スイッチの前記電流の連続値に応答し、前記連続値の範囲が、ほぼゼロの電流と前記スイッチの最大許容電流の間である請求項１に記載の集積回路。
【請求項４】
前記内部電流検出信号に応答する、前記スイッチの導通時間の調整が、前記スイッチの電流に比例する請求項１に記載の集積回路。
【請求項５】
前記スイッチの前記導通時間の前記調整が、前記スイッチの前記電流の増加に応答した、前記スイッチの前記導通時間の減少である請求項４に記載の集積回路。
【請求項６】
前記電流検出信号が、前記スイッチの前記電流と、集積回路の領域間を接続する金属導体の抵抗とに比例する第１の電圧である請求項１に記載の集積回路。
【請求項７】
パルス幅変調器に結合された発振器をさらに備え、前記パルス幅変調器が、前記外部制御信号と前記内部電流検出信号とに応答する、前記スイッチのデューティ比を有する出力を発生するように前記発振器に結合される請求項１に記載の集積回路。
【請求項８】
前記スイッチが、前記パルス幅変調器の出力に結合された請求項７に記載の集積回路。
【請求項９】
電源の出力を制御する方法であって、
スイッチを用いて外部電流を受け取るステップと、
外部制御信号に応答して、前記スイッチのスイッチングを制御するステップと、
外部電流を受け取るように結合されたスイッチに応答して、前記スイッチのスイッチングを調整するステップと、
コントローラであって、外部制御信号と、前記スイッチの電流に比例する内部電流検出信号とに応答して、前記スイッチによる前記外部電流のスイッチングを制御するように前記スイッチに結合されたコントローラとを含み、前記内部電流検出信号がないとき、前記電源の出力が調節される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に電源に関し、より具体的には本発明はスイッチング電源内のスイッチの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
知られているスイッチング電源では、制御信号に応答して、電源の入力から電源の出力へ供給される電力を調節するために、スイッチがスイッチ・オンおよびオフされる。制御信号は、出力を調節する帰還信号である。通常、帰還信号の値と、スイッチの所望の導通時間の間には１対１の対応がある。したがって所与の１組の動作状態に対しては、帰還信号の値だけで、スイッチの導通時間が決まる。
【０００３】
スイッチの導通時間が帰還信号のみに応答する、知られている電源では、電源の動作における外乱は、スイッチが応答できる前に外乱が帰還信号中に現れるまで、システムを伝搬しなければならない。帰還回路は通常、多くのスイッチング周期にわたって出力の平均値を調節するように設計されているので、応答が遅い。したがってスタートアップなどの過渡事象は、制御回路が所望の定常状態を確立する前に、電源内の電圧と電流に望ましくない逸脱を生じ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態について、別段の指定がない限り様々な図を通して同じ参照番号は同じ部品を指している以下の図を参照して説明する。
【０００５】
スイッチング電源内のスイッチを制御する方法および装置が開示される。以下の説明では本発明の十分な理解を得るために、数多くの具体的な詳細が記載される。しかし当業者には、本発明を実施するのに具体的な詳細を用いる必要はないことは明らかであろう。その他、本発明が不明瞭になるのを避けるため、良く知られている材料または方法については詳細に説明していない。
【０００６】
本明細書全体にわたって「一実施形態」とは、実施形態に関連して説明される特定の機能、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にわたって様々な所で現れる「一実施形態では」という語句は、必ずしもすべて同じ実施形態を指すものではない。さらに特定の機能、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態の任意の適当な組合せおよび／または部分的組合せに、組み合わせることができる。また本明細書に示される図面は当分野の技術者に説明するためのものであり、かつ図面は必ずしも原寸に比例して描かれていないことを理解されたい。
【０００７】
本発明の教示による回路の様々な例において、スイッチング電源内のスイッチの制御について説明する。一例ではスイッチと制御回路が集積回路に含まれる。制御回路は、スイッチの所望の導通時間に対応する制御信号を受け取る。スイッチング周期ごとに制御回路は、そのスイッチング周期の間のスイッチの電流に応答して、所望の導通時間をわずかに低減させる。本発明の教示による、この、制御信号に無関係な導通時間の低減は、過渡外乱に対する電源の応答を改善する。本発明の教示による、スイッチング周期ごとのスイッチ電流の増加に対するスイッチの導通時間の低減は、過渡外乱による逸脱を制限するダンピング効果を生じ、帰還回路の複雑さを少なくし、安定化電源の安定性を向上させる。
【０００８】
本発明の教示による一例では、スイッチは、スイッチの導通時間をスイッチの電流に依存させるための、スイッチと一体の機構と共に集積化される。導通時間の電流に対する依存性は、集積化スイッチの固有の特性である。この特徴を利用するのに、外部の接続または構成部品は必要ない。本発明の教示による一例では、集積化スイッチは、スイッチの電流を、集積回路の一部である金属導体の両端に生じる電圧として検出する。
【０００９】
図１は説明のために、本発明の教示による集積回路１０５の一例の応用例１００を全体的に示す。図示のように集積回路１０５は、制御信号ＵC  １１０を受け取る。この信号は電圧でも電流でもよい。パルス幅変調器１１１は、制御信号ＵC  １１０に関係する入力信号ＵINPWM  １５５を受け取る。パルス幅変調器１１１はまた、発振器１２０から周期的タイミング信号ＵOSC  １２５を受け取る。タイミング信号ＵOSC  １２５は周期ＴOSCを有する電圧でも電流でもよい。パルス幅変調器１１１は、スイッチＳ１  １３０を切り替えるように結合された出力ＵOUTPWM  １３５を発生する。この出力は電圧でも電流でもよい。スイッチＳ１  １３０は、集積回路１０５によって受け取られるように結合された外部電流Ｉ1  １１５を切り替える。スイッチＳ１  １３０は、周期ＴOSCの一部分Ｄの間、導通し、ここでＤはデューティ比である。スイッチＳ１  １３０の電流ＩS1  １４０は、内部信号ＵIS  １５０として検出される。内部信号ＵIS  １５０は、電圧でも電流でもよく、次のように係数ｋIによって電流ＩS1  １４０に関係付けられる。
ＵIS＝ｋIＩS1  （１）
例では、内部電流検出信号ＵIS  １５０が電圧のときは、係数ｋIは抵抗の単位または次元を有する。電流検出信号ＵIS  １５０が電流のときは、係数ｋIは無次元となる。本発明の教示によるパルス幅変調器１１１は、デューティ比Ｄを調整するために、電流検出信号ＵIS  １５０を受け取る。本発明の教示による一例では、スイッチの電流ＩS1はアナログの連続値であり、したがってデューティ比Ｄによって影響を受けるスイッチの導通時間は、スイッチの電流ＩS1の連続値に応答することに留意されたい。本発明の教示による一例では、スイッチの電流の連続値ＩS1の範囲は、ほぼゼロの電流とスイッチの最大許容電流の間である。
【００１０】
図２は、図１の例のパルス幅変調器１１１の動作を全体的に示すグラフ２００である。特性の線分２１０と２２０は、電流検出信号ＵIS  １５０の２つの値に対す入力信号ＵINPWM  １５５に応答するスイッチＳ１  １３０のデューティ比Ｄの値を示している。線分２１０は、電流検出信号ＵIS  １５０が常にゼロのときのデューティ比Ｄの値を表し、値がゼロの係数ｋIに対応する。線分２２０は、電流検出信号ＵIS  １５０が、スイッチＳ１  １３０のゼロでない電流ＩS1  １４０の一部分であるときのデューティ比Ｄの値を表す。
【００１１】
図２は、デューティ比Ｄはゼロと１の間であり、入力信号ＵINPWMが値ＵA1またはＵA2からそれぞれ高い値ＵB1またはＵB2に増加するのに従って、最小値ＤAから最大値ＤBまで直線的に増加することを示す。ＵA2とＵB1の間の値ＵXを有する入力信号ＵINPWMに対しては、ゼロでない電流検出信号ＵIS  １５０が存在する場合、デューティ比は値ＤXから低い値Ｄ1に減少される。Ｄ1の値は、ＵISの値が増加するのに従って減少する。
【００１２】
図３は、本発明の教示による集積回路１０５に含まれた集積化スイッチの一例３００を全体的に示す。集積回路１０５は、電流源３０５と３１５、スイッチ３１０と３２０、ダイオードＤ１  ３１７、コンデンサＣD  ３３０、インバータ３４５、比較器３５０、ＡＮＤゲート３５５を備えるパルス幅変調器を含む。発振器１２０は、周期がＴOSCである周期的なタイミング信号ＵOSC  １２５を発生する。発振器１２０からのタイミング信号ＵOSC  １２５は、周期ＴOSCの一部分ｋの間、ローとなる。タイミング信号ＵOSCは、インバータ３４５の入力、およびＡＮＤゲート３５５の入力に結合される。スイッチＳ２  ３１０は、インバータ３４５の出力３４０がハイのときに閉じるように結合される。スイッチＳ３  ３２０は、タイミング信号ＵOSCがハイのときに閉じるように結合される。当業者には、電流源１１５、３０５、３１５は有限のコンプライアンス電圧を有し、それによりそれぞれのスイッチＳ１  １３０、Ｓ２  ３１０、Ｓ３  ３２０が開路のときは、それらの電流はゼロになることが理解されよう。
【００１３】
一例ではスイッチＳ１  １３０は、パルス幅変調器の出力でもあるＡＮＤゲート３５５の出力からの信号ＵOUTPWM  １３５を受け取るように結合された金属酸化膜電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。集積化トランジスタ・スイッチＳ１  １３０は、集積回路の外部の電流をスイッチングする。例では集積化トランジスタ・スイッチＳ１  １３０は、信号ＵOUTPWM  １３５がハイのとき、スイッチングされた電流ＩS1  ３８０を導通する。電流検出回路網は、電流検出要素３６０、抵抗器３７０、抵抗器３７５を含む。一例では電流検出要素３６０は、集積回路の製造時に、集積回路の領域間を電気的に接続するために堆積される金属の層の一部分である。一例では電流検出要素３６０は、抵抗ＲCSを有する。スイッチングされた電流ＩS1  ３８０は、電流検出要素３６０の電圧ＶCS1  ３６５として検出される。図示のように抵抗器３７０、３７５は共に抵抗分圧器を形成し、この抵抗分圧器は電流検出要素３６０の両端に結合され、電圧ＶCS1  ３６５を、電流検出信号ＵIS  １５０である電流検出電圧ｒIＩS1にスケーリングする。
【００１４】
例では集積回路１０５は、電流源３０５からの電流ＩFB  ３８５の値を決定する制御信号ＵC  １１０を受け取る。電流ＩFB  ３８５は、図１に示されるパルス幅変調器１１１の入力信号ＵINPWM  １５５である。コンデンサＣD  ３３０は、タイミング信号ＵOSC  １２５がローのとき、スイッチＳ２  ３１０を通して、電流源３０５からの電流ＩFB  ３８５によって充電される。コンデンサＣD  ３３０は、タイミング信号ＵOSC  １２５がハイのとき、スイッチＳ３を通して、電流源３１５からのほぼ固定の電流Ｉ0によって放電する。ダイオードＤ１  ３１７は、電圧ＶD  ３３５に下限を設定する。比較器３５０は、コンデンサＣD  ３３０の電圧ＶD  ３３５を、内部電流検出信号ＵIS  １５０と比較する。コンデンサＣD  ３３０の電圧ＶD  ３３５が電流検出信号ＵIS  １５０より大きいときは、比較器３５０の出力３２５はハイとなる。コンデンサＣD  ３３０の電圧ＶD  ３３５が電流検出信号ＵIS  １５０以下のときは、比較器３５０の出力３２５はローとなる。したがって本発明の教示により、集積回路１０５は、集積化スイッチＳ１  １３０を、ＴOSCの周期で周期的に、かつ制御信号ＵC  １１０とスイッチングされた電流ＩS1  ３８０の両方の共同によりまたは両方に応答して決定される導通時間で周期的にスイッチングする。
【００１５】
図４は、図３の例の集積化スイッチ３００の信号のタイミング関係４００を説明する例示の波形を全体的に示す。コンデンサＣD  ３３０は、時間ｋＴOSCの間、電流源３０５からの電流ＩFB  ３８５によって充電され、タイミング信号ＵOSC  １２５がハイになるとき電圧ＶFBに達する。次いでスイッチＳ１  １３０は、電流ＩS1  ３８０の導通を開始する。図４に示される例では、スイッチＳ１  １３０が導通している間、スイッチングされた電流ＩS1  ３８０は一定の電流である。次いでコンデンサＣD  ３３０は、電流源３１５からの電流Ｉ0によって放電される。コンデンサＣDの電圧ＶDが、電流検出信号ＵIS  １５０の値に達すると、スイッチＳ１  １３０は導通を停止する。したがってスイッチＳ１の導通時間は、スイッチＳ１  １３０の電流ＩS1  ３８０の値によって影響を受ける。所与の制御信号ＵC  １１０の値に対して、集積化スイッチＳ１  １３０の導通時間は、内部電流検出信号ＵIS  １５０に比例する量だけ減少する。すなわち図４は本発明の教示により、内部電流検出信号ＵIS  １５０の影響によって、図２のデューティ比Ｄがどのようにして値ＤXから値Ｄ1に減少するかを示している。したがって本発明の教示による例では、内部電流検出信号ＵIS  １５０に応答した、スイッチのデューティ比Ｄすなわち導通時間の調整量は、スイッチＳ１  １３０の電流ＩS1  ３８０に比例する。
【００１６】
図５は、本発明の教示によるスイッチング電源の例を全体的に示す。図示の例で、図５の電源のトポロジーは、フライバック・レギュレータとして知られている。スイッチング・レギュレータには多くのトポロジーや構成があり、図５に示されるフライバック・トポロジーは説明を目的としたものであり、本発明の教示によれば、他の電源トポロジーを含み得ることを理解されたい。
【００１７】
図示の例に示されるように、図５の電源は、非安定化入力電圧ＶIN  ５０５から、負荷５３０に出力電力を供給する。入力電圧ＶIN  ５０５は、エネルギー伝達要素Ｔ１  ５１５と集積化スイッチＳ１  １３０に結合される。図１の例では、エネルギー伝達要素Ｔ１  ５１５は、電源の入力と電源の出力の間に結合されることに留意されたい。図５の例では、エネルギー伝達要素Ｔ１  １１５は、２つの巻線を有する変圧器として示される。一般に変圧器は、追加の負荷に電力を供給するため、バイアス電圧を供給するため、または負荷の電圧を検出するための追加の巻線を含めて、３つ以上の巻線をもつことができる。図５に示される例では、集積回路５７０に含まれる集積化スイッチＳ１  １３０の最大電圧を制御するために、エネルギー伝達要素Ｔ１  ５１５の一次巻線にクランプ回路５１０が結合される。
【００１８】
例では本発明の教示により、集積化スイッチＳ１  １３０は、発振器とパルス幅変調器を含む例示のコントローラ回路５７５に応答して、スイッチをオン・オフする。一例ではスイッチＳ１  １３０は、たとえばパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などのトランジスタである。動作時には、例示の集積化スイッチＳ１  １３０は、整流器Ｄ１  ５２０に脈動電流を発生し、この電流は、負荷５３０にほぼ一定の出力電圧ＶOまたはほぼ一定の出力電流ＩOを生じるように、コンデンサＣ１  ５２５によってフィルタリングされる。
【００１９】
一例では調節されるべき出力量は、一般に出力電圧ＶO、出力電流ＩO、またはこの２つの組合せであるＵO  ５３５である。例では調節される量は、必ずしも固定でなく、帰還信号に応答して所望の形に変化するように調節することができる。帰還回路５６０は、出力量ＵO  ５３５に結合されて帰還信号ＵF  ５５０を発生する。帰還信号ＵF  ５５０は、集積回路５７０に含まれるコントローラ５７５への外部入力ＵC  １１０となる。コントローラ５７５への内部入力は、本発明の教示による、スイッチＳ１  １３０のスイッチングされた電流ＩS1  ５４０を検出する、電流検出信号ＵIS  ５４５である。
【００２０】
図５のスイッチング電源の例において、スイッチＳ１  １３０が導通しているときのスイッチングされた電流ＩS1は一定ではなく、スイッチング周期ＴSの一部分Ｄである導通時間の間、ピーク値ＩPEAKまで直線的に増加する。スイッチングされた電流ＩS1のピーク値は、負荷５３０の電流ＩOと共に変化する。通常動作時はコントローラ５７５は、入力電圧ＶIN  ５０５の変化と負荷５３０の変化に応答して出力ＵO  ５３５を調節するように、帰還信号ＵFに応答してスイッチのデューティ比Ｄを変化させる。
【００２１】
一例では図５の電源回路には、帰還信号ＵF  ５５０または一定の開ループ信号ＵCOL  ５６５のいずれかを、入力ＵC  １１０とすることができるようにスイッチＳ４  ５５５が含まれる。例ではスイッチＳ４  ５５５が位置１にあるときは、コントローラ５７５への入力ＵCは帰還信号ＵFである。スイッチＳ４  ５５５が位置２にあるときは、コントローラ５７５への入力ＵCは一定の開ループ信号ＵCOL  ５６５となる。本発明の教示により、例ではスイッチが位置２にあるときは、帰還信号の影響は取り除かれ、図６に示されるようにデューティ比はピーク電流ＩPEAKの変化のみに応答する。
【００２２】
図６は説明のため、入力ＵC  １１０を一定の開ループ信号ＵCOL  ５６５に設定するようにスイッチＳ４  ５５５が位置２にあるときの、負荷５３０の３つの異なる値に対するスイッチングされた電流ＩS1  ５４０の例示の波形を全体的に示す。例では、導通時間ＤXＴXのデューティ比ＤXは、電流検出信号ＵIS  ５４５がゼロとなった状態に対応する。図示のようにゼロでない有限の電流検出信号ＵIS  ５４５は、それぞれ電流６０５、６１０、６１５で示されるように、それぞれピーク電流ＩPEAK LOAD1、ＩPEAK LOAD2、ＩPEAK LOAD3に対する導通時間Ｄ1ＴS、Ｄ2ＴS、Ｄ3ＴSに対応するＤ1、Ｄ2、Ｄ3に、デューティ比を減少させる。したがって本発明の教示により、内部電流検出信号ＵIS  ５４５は、内部集積化スイッチＳ１  １３０の電流が増加するにつれて、スイッチＳ１  １３０の導通時間と対応する減じられるデューティ比が減少されるように、内部スイッチＳ１  １３０の導通時間を調整する。したがって電流検出信号ＵIS  ５４５による導通時間の調整は、出力ＵO  ５３５の調節に認め得るほどの影響を及ぼすほど大きくはない。通常動作時はスイッチＳ４  ５５５は位置１にあり、入力ＵCは帰還信号ＵF  ５５０であり、電源の出力ＵO  ５３５は、電流検出信号ＵISがないとき依然として調節される。言い換えれば、本発明の教示によれば、内部電流検出信号がない場合でも電源の出力は調節される。
【００２３】
上記の本発明の図示の例についての説明は、要約書での説明を含めて、網羅的ではなく、あるいは開示された正確な形に限定されるものではない。本明細書には例示のために、本発明の特定の実施形態や、その例が述べられているが、本発明の、より広い趣旨および範囲から逸脱せずに様々な等価な変形形態が可能である。確かに、具体的な電圧、電流、周波数、電力範囲の値、時間などは説明のために記載しており、本発明の教示による他の実施形態および例には他の値も用い得ることを理解されたい。
【００２４】
本発明の例に対するこれらの変更は、上記の詳細な説明に照らして行うことができる。添付の特許請求の範囲で用いられる用語は、本発明を、明細書および特許請求の範囲に開示される特定の実施形態に限定するものと理解されるべきではない。むしろ範囲は専ら請求項の解釈の確立された原則によって理解されるべき添付の請求項によって規定されるべきである。したがって本明細書および図面は、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】
【００２５】
【図１】本発明の教示による、集積回路１０５の一例の応用例１００を全体的に示す図である。
【図２】本発明の教示による、図１の例によるパルス幅変調器１１１の動作を全体的に示すグラフ２００である。
【図３】本発明の教示による、集積回路１０５内に含まれる集積化スイッチの一例３００を全体的に示す図である。
【図４】本発明の教示による、図３の例の集積化スイッチ３００の信号のタイミング関係４００を示す波形を全体的に示す図である。
【図５】本発明の教示による、一例のスイッチング電源を全体的に示す図である。
【図６】本発明の教示による、入力ＵCを一定の開ループ信号ＵCOLに設定するためにスイッチが位置２にあるときの、負荷の３つの異なる値に対する、スイッチングされた電流ＩS1の例示の波形を全体的に示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１００  応用例、１０５  集積回路、１１０  制御信号、１１１  パルス幅変調器、１１５  外部電流、１２０  発振器、１２５  タイミング信号、１３０  スイッチ、１３５  信号、１４０  電流、１５０  電流検出信号、１５５  入力信号
【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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【外国語明細書】
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