(57)【要約】【課題】電力を変換し、かつ、調整する方法および装置を提供すること。【解決手段】安定化電力変換器の一例は、電力変換器入力と第１、第２の電力変換器出力の間に結合されたエネルギー伝達エレメントを備えている。スイッチをスイッチングさせることによって第１の出力電圧が第１の電力変換器出力に生成され、かつ、第２の出力電圧が第２の電力変換器出力に生成されるよう、電力変換器入力とエネルギー伝達エレメントの間にスイッチが結合されている。エネルギー伝達エレメントに流れる電流は、エネルギー伝達エレメントの両端間の電圧が電力変換器入力の入力電圧と第１の出力電圧の差である場合に増加するように結合されている。また、エネルギー伝達エレメントに流れる電流は、エネルギー伝達エレメントの両端間の電圧が第１の出力電圧と第２の出力電圧の和である場合に減少するように結合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器入力と第１、第２の電力変換器出力の間に結合されたエネルギー伝達エレメントと、
スイッチをスイッチングさせることによって第１の出力電圧が前記第１の電力変換器出力に生成され、かつ、第２の出力電圧が前記第２の電力変換器出力に生成されるよう、前記電力変換器入力と前記エネルギー伝達エレメントの間に結合されたスイッチと
を備えた電力変換器であって、
前記エネルギー伝達エレメントの両端間の電圧が前記電力変換器入力の入力電圧と前記第１の出力電圧の差である場合に、前記エネルギー伝達エレメントに流れる電流が増加するように結合され、
前記エネルギー伝達エレメントの両端間の前記電圧が前記第１の出力電圧と第２の出力電圧の和である場合に、前記エネルギー伝達エレメントに流れる電流が減少するように結合された電力変換器。
【請求項２】
前記エネルギー伝達エレメントが、前記電力変換器入力と第１、第２の電力変換器出力の間に結合されたインダクタを備えた請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
前記第１の出力電圧が第１の負荷インピーダンスの両端間の電圧であり、前記第２の出力電圧が第２の負荷インピーダンスの両端間の電圧になるよう、前記第１の負荷インピーダンスが前記第１の電力変換器出力の両端間に結合され、前記第２の負荷インピーダンスが前記第２の電力変換器出力の両端間に結合される請求項１に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記第１の電力変換器出力の両端間に結合された第１のコンデンサと、前記第２の電力変換器出力の両端間に結合された第２のコンデンサをさらに備えた請求項１に記載の電力変換器。
【請求項５】
前記第１、第２の出力が接地端子に結合された請求項１に記載の電力変換器。
【請求項６】
前記スイッチが、前記エネルギー伝達エレメントの両端間の電圧が前記電力変換器入力の入力電圧と前記第１の出力電圧の差である場合に、前記エネルギー伝達エレメントに流れる前記電流が増加するように、第１の位置に結合されるようになされ、
前記スイッチが、前記エネルギー伝達エレメントの両端間の前記電圧が前記第１の出力電圧と第２の出力電圧の和である場合に、前記エネルギー伝達エレメントに流れる前記電流が減少するように、第２の位置に結合されるようになされた請求項１に記載の電力変換器。
【請求項７】
電力変換器入力と第１、第２の電力変換器出力の間に結合されたエネルギー伝達エレメントと、
スイッチをスイッチングさせることによって第１の出力電圧が前記第１の電力変換器出力に生成され、かつ、第２の出力電圧が前記第２の電力変換器出力に生成されるよう、前記電力変換器入力と前記エネルギー伝達エレメントの間に結合されたスイッチと、
前記スイッチに結合され、前記スイッチのスイッチングを制御し、それにより前記第１、第２の電力変換器出力に応答して出力電圧を調整する制御回路と
を備えた電力変換器であって、
前記エネルギー伝達エレメントの両端間の電圧が前記電力変換器入力の入力電圧と前記第１の出力電圧の差である場合に、前記エネルギー伝達エレメントに流れる電流が増加するように結合され、
前記エネルギー伝達エレメントの両端間の前記電圧が前記第１の出力電圧と第２の出力電圧の和である場合に、前記エネルギー伝達エレメントに流れる電流が減少するように結合された電力変換器。
【請求項８】
前記制御回路がさらに接地端子に結合された請求項７に記載の電力変換器。
【請求項９】
前記制御回路によって調整される前記出力電圧が、前記第１、第２の電力変換器出力の両端間の電圧の和である請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１０】
前記制御回路が、定周波数パルス幅変調（ＰＷＭ）、可変周波数ＰＷＭまたはオン／オフ制御のうちの少なくとも１つを使用する回路を備えた請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１１】
前記エネルギー伝達エレメントがインダクタを備えた請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１２】
前記第１の電力変換器出力に結合された第１の負荷インピーダンスの両端間に結合された第１の分路レギュレータをさらに備えた請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１３】
前記第２の電力変換器出力に結合された第２の負荷インピーダンスの両端間に結合された第２の分路レギュレータをさらに備えた請求項１２に記載の電力変換器。
【請求項１４】
前記第１の負荷インピーダンスが前記出力電圧を調整するには不十分である場合に、前記第１の分路レギュレータが、前記第１の電力変換器出力に一方方向電流を追加するための、前記第１の電力変換器出力に結合された一方方向の相互コンダクタンス増幅器を備えた請求項１２に記載の電力変換器。
【請求項１５】
前記第１の分路レギュレータが集積回路の中に含まれている請求項１２に記載の電力変換器。
【請求項１６】
前記第１の分路レギュレータが、前記第１の電力変換器出力の両端間に結合された第１のバイポーラ・トランジスタと前記第１のバイポーラ・トランジスタに結合された第１の抵抗を備えた請求項１２に記載の電力変換器。
【請求項１７】
前記第１の分路レギュレータが、前記第１の電力変換器出力の両端間に結合された少なくとも第１のバイポーラ・トランジスタと前記第１のバイポーラ・トランジスタに結合された第１の抵抗を備え、前記第２の分路レギュレータが前記第１の抵抗に結合された第２の抵抗を備えた請求項１３に記載の電力変換器。
【請求項１８】
前記第２の分路レギュレータが、前記第２の抵抗に結合された少なくとも第２のバイポーラ・トランジスタをさらに備えた請求項１７に記載の電力変換器。
【請求項１９】
前記スイッチが３つの位置のうちの１つに設定されるように結合され、前記スイッチが第１の位置にある場合、前記エネルギー伝達エレメントに流れる電流は、前記電力変換器入力から供給される入力電流と同じであり、前記スイッチが第２の位置にある場合、前記エネルギー伝達エレメントに流れる前記電流は、前記電力変換器出力からのフリーホイーリング電流と同じであり、また、前記スイッチが第３の位置にある場合、前記エネルギー伝達エレメントに流れる前記電流がゼロである請求項７に記載の電力変換器。
【請求項２０】
前記スイッチが、前記電力変換器入力と前記エネルギー伝達エレメントの間に結合されたスイッチング・トランジスタ、および前記出力電圧に比例した信号に応答して前記スイッチング・トランジスタを制御するように結合された制御回路を集積回路の中に備えた請求項１９に記載の電力変換器。
【請求項２１】
前記スイッチング・トランジスタと前記制御回路が、前記電力変換器入力と前記エネルギー伝達エレメントの間に結合された集積回路の中に含まれている請求項２０に記載の電力変換器。
【請求項２２】
前記フリーホイーリング電流を受け取るように結合され、かつ、前記スイッチング・トランジスタに結合された前記制御回路に結合されたダイオードをさらに備え、前記スイッチング・トランジスタが、前記ダイオードが導通している場合に前記スイッチを前記第１の位置に配置し、また、前記ダイオードが非導通の場合に前記スイッチを前記第２または第３の位置に配置するように結合させる請求項２０に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に電子回路に関し、より詳細には電力を調整する回路に関する。
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
【０００２】
電気デバイスを動作させるためには電力が必要である。多くの電気デバイスは、スイッチ・モード電力変換器を使用して電力が供給される。スイッチ・モード電力変換器のいくつかは、複数の出力電圧を提供するように設計されている。このタイプの電力変換器が抱えている課題の１つは、正および負のＤＣ出力電圧を提供することである。知られているこのタイプの電力変換器には、出力電圧を設定するためにしばしばツェナー・ダイオードの固定値が利用されており、このような電力変換器のコストを高くし、また、柔軟性を制限している。
【発明を実施する最良の形態】
【０００３】
本発明は例によって詳細に説明される。本発明は添付図に制限されない。
【０００４】
電源レギュレータに関する例が開示される。以下の説明では、本発明を完全に理解するために多数の特定の細部が示されている。しかしながら、本発明を実践するために特定の細部を使用する必要がないことは当業者には明らかであろう。本発明を明確にするために、実施態様に関する良く知られている方法については、ここではその詳細な説明は省略されている。
【０００５】
本明細書全体を通して参照されている「一実施形態」は、その実施形態に関連して説明されている特定の機能、構造と特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味している。したがって、本明細書の様々な部分に見られる「一実施形態のための」あるいは「一実施形態における」という表現は、必ずしも同じ実施形態を意味しているわけではない。また、以下で説明し、かつ／または図面に示す特定の機能、構造、特徴、コンビネーションおよび／またはサブコンビネーションは、本発明の教示による１つまたは複数の実施形態の中で、適切な任意の方法で組み合わせることができる。
【０００６】
以下で説明するように、本発明の教示による電源レギュレータのいくつかの例には、入力リターンである共通基準に対して逆極性の２つの出力電圧を提供するスイッチ・モード電力変換が利用されている。開示される電源レギュレータの例は、絶縁変圧器を使用することなくより高い入力電圧から正および負の直流（ＤＣ）出力電圧が提供される様々なアプリケーションに使用することができる。開示される方法の例は、知られている他の方法より低コストで２つの調整された出力電圧を提供することができる。開示される電源レギュレータと方法によれば、出力電圧を設定するためにツェナー・ダイオードの固定値を利用している公知の他の方法より柔軟に出力電圧を選択することができる。開示される電源レギュレータと方法が目標とするアプリケーションのいくつかは、入力と出力の間をガルヴァニック分離する必要のないアプリケーション、例えば主要な家庭用機器のための電源などのアプリケーションである。
【０００７】
図１を参照すると、本発明の教示による、それぞれ入力リターンを基準にして正、負の出力１６０、１６５を備えた汎用型電力変換器すなわちスイッチング・レギュレータ１００の一例の機能ブロック図が示されている。図に示すように、ＤＣ入力電圧ＶG１０５は、制御回路１７０によって制御されるスイッチＳ1１１５に結合されている。様々な例では、制御回路１７０は、定周波数パルス幅変調（ＰＷＭ）、可変周波数ＰＷＭ、オン／オフ制御などのうちの少なくとも１つを含む様々なスイッチング技法のうちの任意の多様な技法を使用する回路を備えている。インダクタＬ1１２５で示されているエネルギー伝達エレメントが、スイッチＳ1１１５とスイッチング・レギュレータ回路１００の出力の間に結合されている。図に示す例では、出力は、負荷インピーダンスＺ1１５０の両端間の出力電圧Ｖ1１６０と負荷インピーダンスＺ2１５５の両端間の出力電圧Ｖ2１６５として示されている。コンデンサＣ1１４０は、図に示すように負荷インピーダンスＺ1１５０の両端間に結合されており、コンデンサＣ2１４５は、図に示すように負荷インピーダンスＺ2１５５の両端間に結合されている。図１に示す例で示すように、出力は、いずれも、負荷インピーダンスＺ1１５０と負荷インピーダンスＺ2１５５の両方に結合された接地端子に結合されている。
【０００８】
動作に関しては、制御回路１７０に応答するスイッチＳ1１１５の作用すなわちスイッチングによって、ＤＣ入力電圧ＶG１０５が負荷インピーダンスＺ1１５０の両端間の出力電圧Ｖ1１６０と負荷インピーダンスＺ2１５５の両端間の出力電圧Ｖ2１６５に変換される。図に示す例の場合、スイッチＳ1１１５は、制御回路１７０によって３つの位置の間をスイッチングしている。スイッチＳ1１１５が位置Ｇにある場合、インダクタＬ1１２５に流れる電流ＩL１３０は、入力電圧ＶG１０５から供給される入力電流ＩG１１０と同じである。スイッチＳ1１１５が位置Ｆにある場合、インダクタＬ1１２５に流れる電流ＩL１３０は、図に示すように、電力変換器の出力から引き出されるフリーホイーリング電流freewheeling current)ＩF１２０と同じである。スイッチＳ1１１５が位置Ｘにある場合、インダクタＬ1１２５に流れる電流ＩL１３０はゼロである。図に示す例の場合、１つの出力を調整するために、制御回路１７０がスイッチＳ1１１５を、位置Ｇ、Ｘ、Ｆの間を順次ある期間でスイッチングする。ある動作モード（連続伝導モード）では、スイッチＳ1１１５は位置Ｘには止まらない。単一の調整された出力は、場合によってはＶ1１６０、Ｖ2１６５あるいはその両方の組合せである。
【０００９】
動作に関して、スイッチＳ1１１５のスイッチングによって、三角成分または台形成分を含んだ電流ＩL１３０、ＩG１１０、ＩF１２０が生成される。コンデンサＣ1１４０、Ｃ2１４５によって電流ＩL１３０、ＩF１２０がそれぞれフィルタリングされ、それぞれＤＣ出力電圧Ｖ1１６０、Ｖ2１６５が生成される。これらの出力電圧は、それらのＤＣ値に対して微小な交流（ＡＣ）変分を有している。負荷インピーダンスＺ1１５０、Ｚ2１５５によって、それぞれ出力電圧Ｖ1１６０、Ｖ2１６５から負荷電流Ｉ1１３５、Ｉ2１３７が生成される。
【００１０】
図１に示すレギュレータの場合、スイッチＳ1１１５は単一の出力電圧のみを調整するように制御される。他の出力電圧は、負荷電流Ｉ1１３５、Ｉ2１３７によって変化する。複数の出力電圧を調整するためには、出力電圧Ｖ1１６０、Ｖ2１６５の変化に応答して電流Ｉ1１３５またはＩ2１３７を調整する電流レギュレータが必要である。図に示す例の制御回路１７０は、負荷インピーダンスＺ1１５０の一方の端部に結合された入力、負荷インピーダンスＺ2１５５の一方の端部に結合された入力、接地端子に結合された入力を含む３つの入力を有している。
【００１１】
電力変換器すなわち電源レギュレータ１００の一例では、制御回路１７０を備える代わりに、非調整された出力電圧Ｖ1１６０、Ｖ2１６５を生成する固定パターンでスイッチＳ1１１５をスイッチングさせるようになっている。この例では、インダクタＬ1１２５の両端間の電圧が、スイッチＳ1１１５の位置が位置Ｇである場合に生じる、入力電圧ＶG１０５と出力電圧Ｖ1１６０の差である場合、インダクタＬ1１２５に流れる電流ＩL１３０が増加する。また、この例では、インダクタＬ1１２５の両端間の電圧が、スイッチＳ1１１５の位置が位置Ｆである場合に生じる、出力電圧Ｖ1１６０と出力電圧Ｖ2１６５の和である場合、インダクタＬ1１２５に流れる電流ＩL１３０が減少する。
【００１２】
図２は、それぞれ負荷インピーダンスＺ1１５０、Ｚ2１５５の両端間に結合された分路レギュレータ２０５、２１０を備えた電力変換器すなわち電源レギュレータ２００を一括して示したものである。図に示す例では、分路レギュレータ２０５、２１０は、本発明の教示に従って、出力電流ＩZ1２３５、ＩZ2２４０の変化に応答して独立して電流Ｉ1１３５、Ｉ2１３７を調整し、それにより所望の出力電圧を維持している。様々な例では、必要な分路レギュレータは、場合によっては、負荷インピーダンスＺ1１５０、Ｚ2１５５がどのように変化するかに応じて、分路レギュレータ２０５または２１０のうちのいずれか一方のみである。動作に関しては、分路レギュレータ２０５または２１０が負荷に電流を追加するのは、負荷インピーダンスＺ1１５０またはＺ2１５５が所望の出力電圧を維持するには不十分である場合のみである。図２に示す例では、電源２００は、図１に示す電源レギュレータ１００を備えており、分路レギュレータ２０５、２１０が追加されている。図２に示すように、制御回路１７０によってスイッチＳ1１１５がスイッチングし、それによりＶ1１６０とＶ2１６５の和である出力電圧Ｖ0２４５が調整される。
【００１３】
図に示す例の場合、電圧Ｖ1１６０とＶ2１６５の比率は、それぞれ分路レギュレータ２０５、２１０の中に含まれている抵抗Ｒ1２１５とＲ2２２０の比率によって決まる。相互コンダクタンス増幅器２２５、２３０は、それぞれ分路レギュレータ２０５、２１０の中に含まれており、対応する出力部にそれぞれ電流源ＩSH1２５０、ＩSH2２５５から一方方向電流を生成し、それにより負荷インピーダンスＺ1１５０、Ｚ2１５５の両端間の電圧Ｖ1１６０、Ｖ2１６５を調整している。動作に関しては、負荷が変化すると負荷電流ＩZ1２３５またはＩZ2２４０のいずれかが減少し、制御回路によってスイッチＳ1のスイッチングが修正され、それにより本発明の教示に従って出力電圧Ｖ0２４５の値が維持される。次に、それぞれ電流源ＩSH1またはＩSH2が増加し、それにより出力電圧Ｖ1１６０とＶ2１６５の値が抵抗Ｒ1２１５とＲ2２２０の比率で決まる値に維持される。様々な例では、分路レギュレータ２０５、２１０のうちのいずれか一方または両方が集積回路の中に含まれている。
【００１４】
図３は、本発明の教示による電力変換器すなわち電源レギュレータ３００に含まれている、図２に示す分路レギュレータ２０５、２１０の一例を一括して示したものである。図に示す例では、分路レギュレータ２０５は、抵抗Ｒ1２１５とバイポーラ・トランジスタ３０５を備えており、一方、分路レギュレータ２１０は、抵抗Ｒ2２２０とバイポーラ・トランジスタ３１０を備えている。一例では、トランジスタ３０５、３１０は、出力電圧Ｖ01３１５、Ｖ02３２０を所望の安定値Ｖ1、Ｖ2からわずかにＶBEだけ異なる値にする有限ベース−エミッタ電圧ＶBEを有している。図３に示す例の場合、Ｖ01、Ｖ02の調整は、
（Ｖ1−ＶBE）≦Ｖ01≦（Ｖ1＋ＶBE）
（Ｖ2−ＶBE）≦Ｖ02≦（Ｖ2＋ＶBE）
Ｖ01＋Ｖ02＝Ｖ1＋Ｖ2＝Ｖ0
の式で記述される。したがって、本発明の教示によれば、図３に示す回路のＶBEが非ゼロ値であるため、これらのトランジスタが同時に導通することが防止される。
【００１５】
図３に示す例では、それぞれ単一のトランジスタを備えたバイポーラ・トランジスタ３０５、３１０が示されていることが分かるであろう。しかしながら、本発明の教示は、単一のトランジスタに制限されないこと、また、適切と見られる場合、例えばダーリントン・トランジスタ対などの追加トランジスタあるいは他の回路エレメントをバイポーラ・トランジスタ３０５、３１０に追加し、それにより本発明の教示による所望の回路性能を実現することも可能であることを理解できるであろう。また、図３に示す例にはバイポーラ・トランジスタ３０５、３１０の両方が含まれていることに留意されたい。しかしながら、他の例では、個々の負荷に対する変化が分路レギュレータ２０５、２１０の両方からの電流を必要としない場合、バイポーラ・トランジスタ３０５または３１０のいずれか一方を省略することができることに留意されたい。
【００１６】
図４は、図３に示す電力変換器すなわちレギュレータ回路を一括してより詳細に示す略図の一例である。詳細には、図４に示す例のスイッチＳ1１１５は、制御回路４４０と共に集積回路４０５の中に含まれているダイオードＤ1４１０とトランジスタ４４５を備えている。図に示す例の場合、集積回路４０５には、米国カリフォルニア州Ｓａｎ  Ｊｏｓｅ在所のＰｏｗｅｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓ社製のＬＮＫ３０４を使用することができる。図に示す例では、集積回路４０５は、ＤＣ入力電圧ＶG１０５とインダクタＬ1１２５の間に結合されている。他の例では集積回路４０５が含まれず、したがってトランジスタ４４５は、個々の金属酸化物半導体（ＭＯＳＦＥＴ）またはバイポーラ・トランジスタであり、制御回路４４０は、本発明の教示による個別のコントローラである。コンデンサＣ4４３５は、集積回路４０５のＢＰ端子に結合された、集積回路４０５を動作させるためのバイパス・コンデンサである。図に示す例では、制御回路４４０は、コンデンサＣ3４３０の出力電圧Ｖ0に比例した信号を受け取っている。コンデンサＣ3は、スイッチ１１５内のダイオードＤ1４１０にフリーホイーリング電流ＩF１２０が流れると、概ね出力電圧Ｖ01３１５とＶ02３２０の和まで充電される。動作に関しては、ダイオードＤ1４１０によって自動的にスイッチＳ1１１５が構成され、ダイオードＤ1４１０が導通すると位置Ｆに位置し、また、ダイオードＤ1４１０が非導通になると位置ＧまたはＸに位置する。
【００１７】
以上、本発明の方法および装置について、本発明の特定の例示的実施形態を参照して詳細に説明した。しかしながら、本発明のより広義の精神および範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変および変更を加えることができることは明らかであろう。したがって本明細書および図面は、本発明を制限するものではなく、本発明を例示するものとして解釈されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の教示による、入力リターンを基準にした正および負の出力を備えたスイッチング・レギュレータの機能ブロック図の一例を一括して示す略図である。
【図２】本発明の教示によるレギュレータの一例に含まれている、出力電流の変化に応答して独立して電流を調整し、それにより所望の出力電圧を維持する分路レギュレータの一例を一括して示す略図である。
【図３】本発明の教示によるレギュレータの一例に含まれている分路レギュレータの一例を一括して示す略図である。
【図４】本発明の教示によるレギュレータ回路の一例を一括して示す略図である。
【符号の説明】
【００１９】
１００、２００、３００  スイッチング・レギュレータ、１０５  ＤＣ入力電圧ＶG、１１０  入力電流ＩG、１１５  スイッチＳ1、１２０  フリーホイーリング電流ＩF、１２５  インダクタＬ1、１３０  インダクタＬ1に流れる電流ＩL、１３５  負荷電流Ｉ1、１３７  負荷電流Ｉ2、１４０  コンデンサＣ1、１４５  コンデンサＣ2、１５０  負荷インピーダンスＺ1、１５５  負荷インピーダンスＺ2、１６０  出力電圧Ｖ1、１６５  出力電圧Ｖ2、１７０、４４０  制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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