(57)【要約】 【課題】  リップル電流を減少した差動駆動回路を提供すること。【解決手段】  加熱及び冷却を与えるよう熱電気クーラーのような負荷を駆動するための差動駆動回路は、熱電気クーラー負荷に選択的に結合されて該負荷に電流を供給する複数個の電力スイッチと、該電力スイッチの導通状態を制御するよう動作可能で、かつ前記複数個の電力スイッチの少なくとも１つをPWM信号に選択的に結合するよう動作可能な複数個の電力スイッチ駆動回路と、少なくとも１つの電流源とを備え、前記電流源が前記負荷に電流を供給するように前記負荷に結合される第１のモードと、前記負荷に電流を供給するように前記電力スイッチの少なくとも２つが前記PWM信号に結合される第２のモードとを有する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に選択的に結合されて該負荷に電流を供給する複数個の電力スイッチと、
該電力スイッチの導通状態を制御するよう動作可能で、かつ前記複数個の電力スイッチの少なくとも１つをPWM信号に選択的に結合するよう動作可能な複数個の電力スイッチ駆動回路と、
少なくとも１つの電流源と、
を備え、前記電流源は、前記負荷での低電流状態中、前記負荷に電流を与えるように前記負荷に結合され、前記PWM信号は、前記負荷での高電流状態中、前記負荷に電流を与えるように前記負荷に結合される差動負荷駆動回路。
【請求項２】
前記複数個の電力スイッチは、H-ブリッジ差動負荷駆動回路を形成する請求項１に記載の差動負荷駆動回路。
【請求項３】
さらに２つの電流源を備え、該電流源の一方は、第１の低電流期間中、前記負荷に結合され、前記電流源の他方は、第２の低電流期間中、前記負荷に結合される請求項１に記載の差動負荷駆動回路。
【請求項４】
負荷に選択的に結合されて該負荷に電流を供給する、H-ブリッジ回路を形成する４つの電力スイッチと、
該電力スイッチの導通状態を制御するよう動作可能で、かつ前記複数個の電力スイッチの少なくとも２つをPWM信号に選択的に結合するよう動作可能な複数個の電力スイッチ駆動回路と、
少なくとも１つの電流源と、
を備え、前記H-ブリッジ回路は、前記電流源が前記負荷に電流を供給するように前記負荷に結合される第１のモードと、前記負荷に電流を供給するように前記電力スイッチの少なくとも２つが前記PWM信号に結合される第２のモードとを有するH-ブリッジ負荷駆動回路。
【請求項５】
前記第１のモードは低電流モードであり、前記電流源は、前記負荷に線形電流を供給する請求項４に記載のH-ブリッジ負荷駆動回路。
【請求項６】
前記第２のモードは高電流モードである請求項４に記載のH-ブリッジ負荷駆動回路。
【請求項７】
負荷に選択的に結合されて該負荷に電流を供給する、H-ブリッジ回路を形成する４つの電力スイッチと、
少なくとも１つの電流源と、
を備え、前記H-ブリッジ回路は、前記電流源を用いた線形モードと、前記スイッチがPWM信号で制御されるPWMモードで動作するようにされたH-ブリッジ負荷駆動回路。
【請求項８】
前記電力スイッチの導通状態を制御するよう動作可能で、かつ前記複数個の電力スイッチの少なくとも２つをPWM信号に選択的に結合するよう動作可能な複数個の電力スイッチ駆動回路をさらに備えた請求項７に記載のH-ブリッジ負荷駆動回路。
【請求項９】
前記４つの電力スイッチの少なくとも２つと、前記負荷との間に結合された少なくとも１つのフィルタ回路をさらに備えた請求項７に記載のH-ブリッジ負荷駆動回路。
【請求項１０】
前記負荷は、熱電気クーラーを備える請求項７に記載のH-ブリッジ負荷駆動回路。
【請求項１１】
熱電気クーラーを駆動するための差動駆動回路であって、
熱電気クーラー負荷に選択的に結合されて該負荷に電流を供給する複数個の電力スイッチと、
該電力スイッチの導通状態を制御するよう動作可能で、かつ前記複数個の電力スイッチの少なくとも１つをPWM信号に選択的に結合するよう動作可能な複数個の電力スイッチ駆動回路と、
少なくとも１つの電流源と、
を備え、前記電流源が前記負荷に電流を供給するように前記負荷に結合される第１のモードと、前記負荷に電流を供給するように前記電力スイッチの少なくとも２つが前記PWM信号に結合される第２のモードとを有する差動駆動回路。
【請求項１２】
前記複数個の電力スイッチは、H-ブリッジ差動負荷駆動回路を形成する請求項１１に記載の差動駆動回路。
【請求項１３】
前記第１のモードは、前記負荷を通して流れる電流の方向が冷却モードを限定する低電流モードである請求項１１に記載の差動駆動回路。
【請求項１４】
前記第１のモードは、前記負荷を通して流れる電流の方向が加熱モードを限定する低電流モードである請求項１１に記載の差動駆動回路。
【請求項１５】
前記第１のモードは、前記負荷を通して流れる電流の方向が冷却モードを限定する高電流モードである請求項１１に記載の差動駆動回路。
【請求項１６】
前記第２のモードは、前記負荷を通して流れる電流の方向が加熱モードを限定する高電流モードである請求項１１に記載の差動駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、差動負荷駆動（ドライバ）回路に関し、特に、低電流要求に対しては線形モード及び高電流要求に対してはPWMモードの双方のモードで動作する差動負荷駆動（ドライバ）回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
PWM（パルス幅変調）技術は、その高効率のために、大負荷電流を駆動するよう電力エレクトロニクスにおいて頻繁に用いられている。比較的に、線形電流は、その低効率のために、大負荷電流においては殆ど用いられていない。しかしながら、線形電流源にはスイッチング信号が無いので、出力電流にはどんなリップルも存在しない。PWM駆動される負荷電流は、不可避的に幾つかのリップルを蒙り、その振幅は、カットオフ周波数やフィルタ回路網の減衰に依存する。
【０００３】
差動負荷を駆動するためには、H-ブリッジで接続された４つの電力MOSFET（金属酸化物半導体電解効果トランジスタ）が一般的に用いられる。図１及び図２は、負荷を駆動するために用いられる通常のH-ブリッジ回路を示す。これらの図に示されるH-ブリッジ回路は、当該技術で良く知られているように、負荷１９を駆動するために、図示のように配列された４つのスイッチ（１２、１４、１６及び１８）を含んでいる。
【０００４】
図１は、左から右に流れる電流を示し、ここでは「冷却」として定義される。図２は、右から左に流れる電流を示し、ここでは「加熱」として定義される。図１及び図２は、４つのH-ブリッジ接続された電力MOSFETを駆動して加熱及び冷却モードで抵抗性負荷を駆動するために必要とされる信号を示す。例えば、冷却モードで負荷を駆動するために（図１）、PWM信号がP1及びN1に与えられる。これに反して、P2は不能であり、N1は完全にターンオンしている。この動作は、当該技術分野で知られているように、バック（buck）コンバータに類似している。PWM信号のデューティーサイクルは、抵抗性負荷に流れる電流を制御する。フィルタ素子L1、C1、L2及びC2は、負荷を通って流れるリップル電流を減衰する。各スイッチは、それらスイッチを適切なレベルで駆動する、関連の前置駆動回路（図示せず）を有している。
【０００５】
このような設計は、負荷を通して小さい電流が流れることが必要とされた場合に、幾つかの問題に遭遇する。小さい負荷電流では、PWM信号のデューティーサイクルも対応して小さくなる。しかしながら、前置駆動回路の駆動能力は、デューティーサイクルによって制限される。しかも、電力MOSFETのゲート容量は相当大きい。それ故、電力MOSFETを非常に小さいデューティーサイクルで駆動することは不可能であり、これにより、システムは、加熱または冷却モードのいずれでも小さい負荷電流を出力することができなくなる。同様に、リップル電流の割合は、負荷電流の平均DC値が減少するにつれて相当に増加する。
【０００６】
図３及び図４は、一方の組のフィルタ素子L2及びC2が除去された、図１及び図２の別の変形例を示している。これにより、一般的に、コストの節約及びより小型の形状要因がもたらされる。しかしながら、図３及び図４の回路はなお、図１及び図２の回路と同じ欠点、すなわち低電流状態でリップルの増加という欠点を蒙る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様において、本発明は、負荷に選択的に結合されて該負荷に電流を供給する、H-ブリッジ回路を形成する４つの電力スイッチと、少なくとも１つの電流源とを備え、前記回路は、負荷電流の関数として前記電力スイッチまたは前記電流源を前記負荷に結合するようにされたH-ブリッジ負荷駆動回路を提供する。
【０００８】
もう１つの態様において、本発明は、負荷に選択的に結合されて該負荷に電流を供給する複数個の電力スイッチと、該電力スイッチの導通状態を制御するよう動作可能で、かつ前記複数個の電力スイッチの少なくとも１つをPWM信号に選択的に結合するよう動作可能な複数個の電力スイッチ駆動回路と、少なくとも１つの電流源とを備え、前記電流源は、前記負荷での低電流状態中、前記負荷に電流を与えるように前記負荷に結合され、前記PWM信号は、前記負荷での高電流状態中、前記負荷に電流を与えるように前記負荷に結合される差動負荷駆動回路を提供する。
【０００９】
さらにもう１つの態様において、本発明は、負荷に選択的に結合されて該負荷に電流を供給する、H-ブリッジ回路を形成する４つの電力スイッチと、該電力スイッチの導通状態を制御するよう動作可能で、かつ前記複数個の電力スイッチの少なくとも２つをPWM信号に選択的に結合するよう動作可能な複数個の電力スイッチ駆動回路と、少なくとも１つの電流源とを備え、前記H-ブリッジ回路は、前記電流源が前記負荷に電流を供給するように前記負荷に結合される第１のモードと、前記負荷に電流を供給するように前記電力スイッチの少なくとも２つが前記PWM信号に結合される第２のモードとを有するH-ブリッジ負荷駆動回路を提供する。
【００１０】
さらにもう１つの態様において、本発明は、熱電気クーラーを駆動するための差動駆動回路であって、熱電気クーラー負荷に選択的に結合されて該負荷に電流を供給する複数個の電力スイッチと、該電力スイッチの導通状態を制御するよう動作可能で、かつ前記複数個の電力スイッチの少なくとも１つをPWM信号に選択的に結合するよう動作可能な複数個の電力スイッチ駆動回路と、少なくとも１つの電流源とを備え、前記電流源が前記負荷に電流を供給するように前記負荷に結合される第１のモードと、前記負荷に電流を供給するように前記電力スイッチの少なくとも２つが前記PWM信号に結合される第２のモードとを有する差動駆動回路を提供する。
【００１１】
本発明の他の特徴並びに利点は、図面を参照して為される以下の説明により明瞭となるであろう。なお、図中、同じ参照数字は、同様の部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の詳細な説明において、負荷１９は、熱電気クーラ（TEC）を含んでいて良い。かかる装置は、電流の流れ方向に応じて加熱及び冷却モードで動作可能である。TECは、特に光通信デバイスにおいてデバイスの正確な温度を制御するための加熱/冷却要素として用いられる。TECを通して正の電流が通過すると、TECは、正確な温度要求でもってデバイスを加熱し、TECを通して負の電流が通過すると、TECは、デバイスを冷却する。しかしながら、本発明は、このような負荷によって制限されること並びに負荷の任意の型に制限されることを意図していない。
【００１３】
以下では、差動負荷ドライバの電力トレインに焦点をあてて詳細に説明を進める。過渡温度及び過渡電流のようなかかる応用と関連した通常の保護特徴を説明するが、これは、本発明の精神並びに範囲内に含まれ得ると見なされるものである。
【００１４】
本発明は、線形モード及びPWMモードの双方のモードで動作する差動負荷ドライバ回路（例えば、H-ブリッジ回路）に向けられている。線形モードの動作は、差動負荷ドライバの低電流動作と関連したリップル電流を減少するために選択される。線形及びPWM動作間の切換え点は、プログラム可能及び/またはユーザにより設定可能である。この切り替え点は、例えば、負荷における所望された/許容されたリップル電流に基づいて、H-ブリッジ回路におけるスイッチの容量に基づいて、及び/または他の考察事項に基づいて選択され得る。換言すれば、本発明の差動負荷駆動回路は、負荷電流の関数として線形電流モード及びPWM電流モード間で動作可能である。従って、低電流と関連した用語「低」は広義に解釈されるべきであり、負荷に流される任意の電流を含み得る。同様に、高電流状態と関連した用語「高」は、低電流に相対するものであり（但し、低電流よりは高い）、負荷に与えられる予め決められた低電流より大きい、負荷に与えられる任意の電流として解釈されるべきである。
【００１５】
さらに、以下では、H-ブリッジ差動負荷駆動回路の種々の実施形態を記載することにより詳細に説明する。H-ブリッジ回路の動作は非常に良く知られているので、ここではその説明は省略する。
【００１６】
第１の実施形態  図５〜図８は、本発明の第１の例示的な実施形態による差動負荷ドライバ（駆動）回路５０を示す。この例示的な実施形態においては、電力MOSFETスイッチの動作を制御するために、スイッチ駆動回路５２、５４、５６及び５８（それぞれ、各スイッチP1、P2、N1及びN2と関連している）が設けられている。負荷に線形電流を与えるために、H-ブリッジの各側に電流源６０及び６２が設けられている。
【００１７】
スイッチ駆動回路５２、５４、５６及び５８の各々は、（示されているように）複数個のスイッチを含む。複数個のスイッチは、電力MOSFETスイッチを、PWM信号または電源（VCC）に結合するか、もしくはPWM信号、電源（VCC）または接地に結合するように選択的に動作される。スイッチ６４及び６６は、電流源６０または６２をそれぞれ負荷に結合するように動作される。この例示的な実施形態においては、電力MOSFETをPWM信号、VCC及び/または接地に結合するために３つのスイッチを含む。
【００１８】
スイッチ駆動回路５２、５４、５６及び５８に含まれるスイッチは例示的であり、５２及び５４の場合に関しては、VCCに結合するスイッチは１つが必要なだけである。ｐ型スイッチP1及びP2は、線形モード動作中、VCCに結合され、ｎ型デバイス（N1及びN2）は、加熱及び冷却の双方に対して交互的な態様で、VCC及び接地に結合される。
【００１９】
図５は、本発明の第１の実施形態による、線形冷却モードで動作するH-ブリッジ負荷ドライバ回路５０の例示的な回路図である。この例示的な実施形態において、負荷１９によって必要とされる低電流状態中、電流源６０が、スイッチ６４を介して負荷に結合される。電流源６０は、概して線形電流源として定義され、出力電流が電圧または電流フィードバック（図示していないが、かかるフィードバック制御は当該技術分野で良く知られている）を介して制御され得るPMOSまたはNMOSを含み得る。電力スイッチP1、P2及びN2はスイッチ駆動回路５２、５４及び５８により動作不能とされる。このモードで動作しているときには、スイッチング信号が無いので、本発明は、負荷へのリップル電流を減少及び/または除去する。また、電流源は、ゼロ負荷電流へのすべての方法で駆動することができる。図７は、電流源６２がスイッチ６６を介して負荷１９に結合されている線形加熱モードでの回路５０を示す。
【００２０】
しかしながら、電流源は、電力消失及び効率が問題となるであろうので、非常に大きい負荷電流を駆動することができない。大きい負荷電流が必要とされたとき、本発明では、図６（冷却）及び図８（加熱）に示されるように、PWMモード動作に切り換える。
【００２１】
線形からPWMへの遷移期間中及びPWMから線形への遷移期間中、線形電流源６０、６２の出力電流の大きさは、PWMモードの動作の開始による結果の電流駆動に匹敵しなければならない。PWM及び線形モード間の電流の不連続性における差を減少することが望ましい（但し、必須ではない）。このような要件は、電流源もしくは全体のフィードバック系に対する内在的な振動の問題を回避するのを助けることができる。図９は、線形モード領域I及びPWMモード領域IIを示すグラフ９０である。クロスオーバ点６８も示されている。図に示されているように、PWMモードの開始電流が切換え点における線形モード電流よりも僅かに小さく故意的に設定されるのを確実にすることが望ましい（但し、必須ではない）。これは、すべての負荷電流が電流制御によって包摂されるのを確実にすることである。電流制御は、負荷からの電圧または電流フィードバック情報であり得る。
【００２２】
第２の実施形態  小さい加熱電流だけが必要とされる使用においては、図５〜図８の実施形態は、図１０の回路１００に示されるように、LCセットを除去することにより無効成分の数を減らすよう変更することができる。図１０は、本発明の第２の実施形態による、PWM加熱モードで動作するH-ブリッジ負荷ドライバの１つの例示的な回路図である。低電流線形加熱モードにおける回路１００の動作は、図５〜図８の上述の説明と同様であり、電流源１０６を（スイッチ１０８を介して）負荷１９に結合することを含んでいる。この実施形態において、スイッチ駆動回路１０２及び１０４は、図５〜図８のスイッチ駆動回路５２及び５６と類似している。スイッチP2は、スイッチ駆動回路１１０を含んでいる。この場合の電流源は、OTA（出力相互コンダクタンス増幅器）の出力によってバイアスされた外部電力PMOS P2であるであろう。類似の回路は、小さい冷却電流への適用に対するこれらの原理に沿って構成され得る。
【００２３】
スイッチ駆動回路１１０は、PMOS素子P2に対するバイアス回路として使用され、演算増幅器１１２、及び電流または電圧フィードバック信号１１４を含み得る。演算増幅器は差動増幅器として構成され、フィードバック信号が基準電圧と比較されて、P2が電流源として動作するようにP2の導通状態を制御するためのバイアス信号を発生する。勿論、多くの電流源が構成され得てそのすべてが本発明において等価とみなされ得ることを当業者なら認識するであろう。
【００２４】
第３の実施形態  図１１〜図１４のこの実施形態においては、LCフィルタのセットが除去されている。しかしながら、前述の実施形態とは異なって、この実施形態は、大きい加熱及び冷却電流を与えることができる。図１１は、本発明の第３の実施形態による、冷却モードで動作するH-ブリッジドライバ回路２００の１つの例示的な回路図である。この実施形態において、２つの電流源２１０及び２１２が用いられている。電流源２１０は発生源であり、電流源２１２は電流を下げるよう動作する。図１１に示されるように、線形、冷却モードで動作するとき、電流源２１０が（スイッチ２１４を介して）負荷に結合され、N2は完全にターンオンされ、P2は完全にターンオフされる。P1及びN1は不能化される。スイッチング回路２０２、２０４、２０６及び２０８は、電力MOSFETを図１１〜図１４に示される適当なソース（すなわち、PWM信号、VCCまたは接地）に結合する。
【００２５】
図１３に示されるように線形加熱モードで動作するとき、電流源２１２が負荷に結合され、P2は完全にターンオンされ、そしてN2は完全にターンオフされる。P1及びN1は不能化される。
【００２６】
図１２及び図１４は、それぞれPWM冷却モード及び加熱モードで動作する回路２００を示す。これらの状態において、電流源２１０及び２１２は負荷１９から外され、P1及びN1が（スイッチドライバ回路２０２及び２０４を介して）PWM信号によって駆動される。P2及びN2は、VCCと接地との間を交互にされる。
【００２７】
勿論、ここに説明された実施形態において、スイッチ駆動回路及び電流源スイッチの導通状態を制御するために、図１５に示されるようなコントローラが実施され得ることを当業者ならば理解するであろう。コントローラ３００の出力は、差動負荷駆動回路のPMOS及びNMOSデバイスを駆動するための相補的PWM信号PWMP及びPWMNを含み得る。コントローラはまた、スイッチ駆動回路（例えば、図５〜図８の５２、５４、５６及び５８）におけるスイッチの動作を制御するようスイッチ制御信号３０２−３０８を出力し得る。コントローラ３００はまた、電流源と関連したスイッチ（例えば、図５〜図８の電流源６０及び６２と関連した６４及び６６）を制御するようスイッチ制御信号３１２及び３１４を発生し得る。コントローラは、線形動作及びPWM動作の双方の動作において負荷に与えられる電力を制御するために、当該技術分野で良く知られているように、電圧及び/または電流フィードバック情報を用いても良い。勿論、ここで説明した或る実施形態では、コントローラによって発生される信号のすべてを必要としないかも知れず、従って、コントローラは適切な信号を発生するように変更され得る。線形電流モード及びPWM電流モード間での切換え点を制御するために、低電流検出器回路３１０を含めても良い。このような検出器は、さらに、低電流モード及びPWMモード間の閾値を設定する、ユーザ設定可能な入力閾値を含んでいても良い。勿論、コントローラへの予め定められた入力の代わりに検出器回路３１０を省略しても良く、この場合、予め定められた入力は、（ユーザによって定められ得る）クロスオーバ供給電流を表す。コントローラは、特定用途向きの構成部分及び/または在庫から入手できる標準の構成部分から形成され得る。このようなPWMコントローラは当該技術分野で良く理解されている。
【００２８】
当業者には明瞭となるであろう多くの変更例がある。例えば、本発明は、電力MOSFETデバイスを有した差動負荷ドライバ回路を実施しているけれども、当該技術分野で既知の他の電力スイッチ、例えば、BJTデバイス及び/または他のスイッチ機構、を用いても良い。このような変更もしくは追加のすべてが、特許請求の範囲によって限定される本発明の精神及び範囲内にあるものと見なされる。
【００２９】
以上、好適な実施形態並びに使用方法を参照して詳細に説明してきたが、本発明は、これらの好適な実施形態並びに使用方法に制限することを意図するものではないことは、当業者には理解されるであろう。むしろ、本発明は、特許請求の範囲に記載されたように制限されることだけを意図した広い範囲のものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】冷却モードの動作における従来のH-ブリッジ負荷駆動回路を示す図である。
【図２】加熱モードの動作における従来のH-ブリッジ負荷駆動回路を示す図である。
【図３】冷却モードの動作におけるもう１つの従来のH-ブリッジ負荷駆動回路を示す図である。
【図４】加熱モードの動作におけるもう１つの従来のH-ブリッジ負荷駆動回路を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による、線形冷却モードで動作するH-ブリッジ負荷駆動回路の１つの例示的な回路図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による、PWM冷却モードで動作するH-ブリッジ負荷駆動回路のもう１つの例示的な回路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による、線形加熱モードで動作するH-ブリッジ負荷駆動回路のもう１つの例示的な回路図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による、PWM加熱モードで動作するH-ブリッジ負荷駆動回路のもう１つの例示的な回路図である。
【図９】本発明のPWMモード及び線形電流モード間の関係を示す例示的なグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施形態による、PWM加熱モードで動作するH-ブリッジ負荷駆動回路の１つの例示的な回路図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態による、線形冷却モードで動作するH-ブリッジ負荷駆動回路の１つの例示的な回路図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による、PWM冷却モードで動作するH-ブリッジ負荷駆動回路のもう１つの例示的な回路図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態による、線形加熱モードで動作するH-ブリッジ負荷駆動回路のもう１つの例示的な回路図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態による、PWM加熱モードで動作するH-ブリッジ負荷駆動回路のもう１つの例示的な回路図である。
【図１５】本発明による負荷ドライバ回路の動作を制御するための例示的なコントローラを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３１】
１９…負荷、５０…差動負荷駆動回路、P1、P2、N1及びN2…スイッチ、５２、５４、５６及び５８…スイッチ駆動回路、６０及び６２…電流源。
【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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