(57)【要約】  第１の電圧である第１のノードと第２の電圧である第２のノードとの間に接続をもたらすための回路を提供する。回路は、第１のノードに結合された第１の端子を有する第１の誘導性素子と、第１の誘導性素子の第２の端子と第２のノードとの間に結合される第１のスイッチング素子と、第１の誘導性素子の第２の端子から電流を受取るように構成された第１の端子を有し、かつ、第３のノードに結合された第２の端子を有する第２の誘導性素子と、第２の誘導性素子の第１の端子と第２のノードとの間に結合された第２のスイッチング素子とを備える。第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子は、第１のノードと第２のノードとの間に電流が流れる経路を交互にもたらすように構成される。
2016536723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電圧である第１のノードと第２の電圧である第２のノードとの間に接続をもたらすための回路であって、
前記第１のノードに結合された第１の端子を有する第１の誘導性素子と、
前記第１の誘導性素子の第２の端子と前記第２のノードとの間に結合される第１のスイッチング素子と、
前記第１の誘導性素子の前記第２の端子から電流を受取るように構成された第１の端子を有し、かつ、第３のノードに結合された第２の端子を有する第２の誘導性素子と、
前記第２の誘導性素子の前記第１の端子と前記第２のノードとの間に結合された第２のスイッチング素子とを備え、
前記第１のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子がオンにされ、前記第２のスイッチング素子がオフにされたときに、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に電流を流すための第１の経路を設けるように構成され、
前記第２のスイッチング素子は、前記第２のスイッチング素子がオンにされ、前記第１のスイッチング素子がオフにされたときに、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に電流を流すための第２の経路を設けるように構成される、回路。
【請求項２】
前記第１の誘導性素子の前記第２の端子と前記第２の誘導性素子の前記第１の端子との間に結合される容量性素子をさらに含む、請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記第１のスイッチング素子のデューティサイクルを制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項２に記載の回路。
【請求項４】
前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子うちの一方はトランジスタを含み、他方のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子がオフにされたときに電流を導通させるように構成されたダイオードを含む、請求項１に記載の回路。
【請求項５】
前記第１のスイッチング素子は第１のトランジスタを含み、前記第２のスイッチング素子は第２のトランジスタを含む、請求項１に記載の回路。
【請求項６】
前記第１の誘導性素子と前記第２の誘導性素子とが磁気的に分離されている、請求項１に記載の回路。
【請求項７】
前記第１の誘導性素子と前記第２の誘導性素子とが磁気的に結合されている、請求項１に記載の回路。
【請求項８】
前記第１の誘導性素子を流れる電流と前記第２の誘導性素子を流れる電流との合計を決定するように構成された電流検知抵抗器をさらに含む、請求項１に記載の回路。
【請求項９】
前記コントローラは、前記第１のノードにおける電圧に対して調節された前記第２のノードにおける電圧を供給するように前記第１のスイッチング素子の切換えを制御するように構成される、請求項３に記載の回路。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記第１のノードにおける電圧よりも低い所望のレベルで、前記第２のノードにおける電圧を供給するように前記第１のスイッチング素子の切換えを制御するように構成される、請求項３に記載の回路。
【請求項１１】
前記第２のノードにおける電圧を表わす値をコントローラに与えるためのフィードバックループをさらに含む、請求項３に記載の回路。
【請求項１２】
前記第２のノードにおける電圧を表わす値をコントローラに与えるためのフィードバックループと、前記コントローラが前記第２のノードにおける電流を決定することを可能にするための電流検知抵抗器とをさらに含む、請求項３に記載の回路。
【請求項１３】
前記コントローラが固定周波数モードで動作するように構成される、請求項３に記載の回路。
【請求項１４】
前記コントローラがヒステリシスモードで動作するように構成される、請求項３に記載の回路。
【請求項１５】
前記第１のノードから電圧を受取るために、前記第２のノードに負荷を取付けるためのホットスワップ回路として構成される、請求項１に記載の回路。
【請求項１６】
前記第２のノードに結合された負荷を前記第１のノードにおける電圧スパイクから保護するための過電圧保護回路として構成される、請求項１に記載の回路。
【請求項１７】
第１の電圧である第１のノードと第２の電圧である第２のノードとの間に接続をもたらす方法であって、
前記第１のノードと第３のノードとの間に第１の誘導性素子と第２の誘導性素子とを結合するステップを含み、前記第１の誘導性素子の第１の端子が前記第１のノードに結合され、前記第２の誘導性素子の第１の端子が前記第１の誘導性素子の第２の端子から電流を受取るように構成され、前記第２の誘導性素子の第２の端子が前記第３のノードに結合され、前記方法はさらに、
前記第２のノードと前記第１の誘導性素子の前記第２の端子との間に第１のスイッチング素子を結合するステップと、
前記第２のノードと前記第２の誘導性素子の前記第１の端子との間に第２のスイッチング素子を結合するステップと、
前記第１のスイッチング素子を通る第１の電流と前記第２のスイッチング素子を通る第２の電流とが交互に流れるように、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを切換えるステップとを含む、方法。
【請求項１８】
容量性素子は、前記第１の誘導性素子の前記第２の端子と前記第２の誘導性素子の前記第１の端子との間に結合される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のスイッチング素子がオンにされると、前記第２のスイッチング素子がオフにされ、前記第１のスイッチング素子がオフにされると、前記第２のスイッチング素子がオンにされる、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
この開示は、電子システムに関し、より特定的には、異なる電圧を有する２つのノード間に接続をもたらすためのスイッチング回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
異なる電圧を有する２つのノード間に接続をもたらすのに用いられる回路は、ノード間の電力を制御された態様で伝送するレギュレータと、初期電圧が異なる場合に２つのノード同士を接合するホットスワップ回路と、一方のノードを他方のノード上の電圧サージから保護することができるサージ抑制回路とを備える。２つのノードは、典型的には、如何なる実回路においても有意な静電容量を有しており、このため、ノード同士が突然接続された場合に、非常に大きな電流が急速に流れる可能性がある。この場合、２つのノードが接続されたときにこれら２つのノード上で大規模な過渡電圧擾乱が起こるのを確実に防ぐために、何らかの配慮が必要となる。
【０００３】
ノード間に接続をもたらす回路は、しばしば、散逸要素を用いる。これにより、典型的には、切換え時の電力消散を安全な許容限度内に維持するために、大型のスイッチ素子と、タイミングおよびスルーレートを調整する高度なコントローラとが必要になる。この方法では、接続中に入力ノードおよび出力ノードの両方において連続的に電流を通過させ続け、これにより、各々のノードとこれらのノードに接続され得る素子とにおける電圧擾乱を最小限にする。しかしながら、接続間隔中、スイッチ素子にわたってかなりの電力を放散させなければならない。これにより、ヒートシンクを含み得るパワートランジスタなどのスイッチ素子の温度が、接続中に著しく上昇する。スイッチ素子は、この温度上昇に対処するのに適したサイズを有していなければならない。電力レベルが高ければ高いほど、確実に機能するであろうトランジスタ素子を発見するのが困難になる可能性がある。
【０００４】
代替的には、接続回路は、切換えのデューティサイクルを調整することによって電流の流れを安全なレベルに制限する従来の降圧レギュレータスイッチングトポロジを用いてもよい。これにより、接続間隔中の電力損失が低下するが、入力ノードにおける電流が不連続になってしまい、そのノードに結合されたコネクタおよび回路類を途絶させるかまたは破損させる恐れがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、電力消散を最小限にすることができ、連続的に電流を流すことができる新しい接続トポロジーが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
開示の概要
一局面に従うと、本開示は、第１の電圧である第１のノードと第２の電圧である第２のノードとの間に接続をもたらすための回路を提供する。回路は、第１のノードに結合された第１の端子を有する第１の誘導性素子と、第１の誘導性素子の第２の端子と第２のノードとの間に結合される第１のスイッチング素子と、第１の誘導性素子の第２の端子から電流を受取るように構成された第１の端子を有し、かつ、第３のノードに結合された第２の端子を有する第２の誘導性素子と、第２の誘導性素子の第１の端子と第２のノードとの間に結合された第２のスイッチング素子とを備える。第３のノードは接地されていてもよい。第１のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子がオンにされ、第２のスイッチング素子がオフにされたときに第１のノードと第２のノードとの間に電流を流すための第１の経路を設けるように構成される。第２のスイッチング素子は、第２のスイッチング素子がオンにされ、第１のスイッチング素子がオフにされたときに第１のノードと第２のノードとの間に電流を流すための第２の経路を設けるように構成される。
【０００７】
また、容量性素子は、第１の誘導性素子の第２の端子と第２の誘導性素子の第１の端子との間に結合されてもよい。
【０００８】
回路はさらに、第１のスイッチング素子または両方のスイッチング素子のデューティサイクルを制御するように構成されたコントローラを含んでもよい。
【０００９】
たとえば、スイッチング素子のうちの一方はトランジスタであってもよく、他方のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子がオフにされたときに電流を導通させるように構成されたダイオードであってもよい。代替的には、両方のスイッチング素子はトランジスタであってもよい。
【００１０】
一実施形態においては、第１の誘導性素子と第２の誘導性素子とが磁気的に分離されていてもよい。別の実施形態においては、第１の誘導性素子と第２の誘導性素子とが磁気的に結合されていてもよい。第１の誘導性素子および第２の誘導性素子は同じ値であってもよく、または異なる値を有していてもよい。
【００１１】
回路はさらに、第１の誘導性素子を流れる電流と第２の誘導性素子を流れる電流との合計を決定するように構成された電流検知抵抗器を含んでもよい。
【００１２】
開示の一局面に従うと、コントローラは、第１のノードにおける電圧に対して調節された前記第２のノードにおける電圧を供給するように第１のスイッチング素子の切換えを制御するように構成され得る。たとえば、第２のノードにおける電圧は、第１のノードにおける電圧よりも低い所望のレベルで供給される可能性がある。
【００１３】
一実施形態においては、回路は、第２のノードにおける電圧を表わす値をコントローラに与えるためのフィードバックループを有する電圧モードスイッチングレギュレータとして構成されてもよい。
【００１４】
別の実施形態においては、回路は、第２のノードにおける電圧を表わす値をコントローラに与えるためのフィードバックループを有する電流モードスイッチングレギュレータとして、および、コントローラが第２のノードにおける電流を決定することを可能にするための電流検知抵抗器として、構成されてもよい。
【００１５】
さらなる実施形態においては、コントローラは、固定周波数モードで動作するように構成されてもよい。
【００１６】
別の実施形態においては、コントローラは、ヒステリシスモードで動作するように構成されてもよい。
【００１７】
さらに、回路は、第１のノードから電圧を受取るために、第２のノードに負荷を取付けるためのホットスワップ回路として構成されてもよい。
【００１８】
また、回路は、第２のノードに結合された負荷を第１のノードにおける電圧スパイクから保護するための過電圧保護回路として構成されてもよい。
【００１９】
本開示の方法に従うと、第１の電圧である第１のノードと第２の電圧である第２のノードとの間に接続をもたらすために以下のステップが行なわれてもよい。当該ステップは、  ―  第１のノードと、接地され得る第３のノードとの間に、第１の誘導性素子と容量性素子と第２の誘導性素子とを直列に結合するステップと、
―  第１の誘導性素子と容量性素子とを接続するノードと、第２のノードとの間に第１のスイッチング素子を結合するステップと、
―  第２の誘導性素子と容量性素子とを接続するノードと、第２のノードとの間に第２のスイッチング素子を結合するステップと、
―  第１のスイッチング素子を通る第１の電流と第２のスイッチング素子を通る第２の電流とが交互に流れるように、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを切換えるステップとを含む。
【００２０】
第１のスイッチング素子がオンにされると、第２のスイッチング素子がオフにされ得る。第１のスイッチング素子がオフにされると、第２のスイッチング素子がオンにされ得る。
【００２１】
本開示の付加的な利点および局面が、以下の詳細な説明から当業者にとって容易に明らかになるだろう。本開示の実施形態は、単に、本開示を実施するために企図されるベストモードを例示する目的で図示および記載されている。以下に開示されるように、本開示は他のさまざまな実施形態も実現可能であり、そのさまざまな詳細が、開示の精神から全く逸脱することなく、さまざまな明瞭な観点から変更可能である。したがって、図面および記載は、本質的に、限定的なものではなく例示的なものとみなされるべきである。
【００２２】
図面の詳細な説明
本開示の実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面に関連付けて読まれると最もよく理解することができる。添付の図面においては、特徴は必ずしも縮尺通りではなく、関連する特徴を最適に例示するように描かれている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】本開示に従った、２つのノードを接続するための例示的なスイッチングトポロジーを示す図である。
【図１Ｂ】本開示に従った、２つのノードを接続するための例示的なスイッチングトポロジーを示す図である。
【図１Ｃ】本開示に従った、２つのノードを接続するための例示的なスイッチングトポロジーを示す図である。
【図２】図１におけるトポロジーの具体的な実現例を示す図である。
【図３Ａ】図２の回路における電流を示すタイミング図である。
【図３Ｂ】図２の回路における電流を示すタイミング図である。
【図３Ｃ】図２の回路における電流を示すタイミング図である。
【図３Ｄ】図２の回路における電流を示すタイミング図である。
【図３Ｅ】図２の回路における電流を示すタイミング図である。
【図４】本開示のトポロジーを有する例示的な電圧モードスイッチングレギュレータを示す図である。
【図５】本開示のトポロジーを有する例示的な電流モードスイッチングレギュレータを示す図である。
【図６】本開示のトポロジーを有する例示的な固定周波数モードスイッチングレギュレータを示す図である。
【図７】本開示のトポロジーを有する例示的なヒステリシスモードスイッチングレギュレータを示す図である。
【図８】本開示のトポロジーを有する例示的なホットスワップ回路を示す図である。
【図９】本開示のトポロジーを有する例示的な過電圧保護回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
実施形態の詳細な開示
本開示は、異なる電圧を有する２つのノードを接続するためのスイッチングトポロジーについての具体例を用いてなされるだろう。しかしながら、当業者であれば、開示の概念が接続回路の他のさまざまな変形例に適用可能であることを理解するだろう。
【００２５】
図１Ａは、電子システムにおいて入力ノード「ＩＮＰＵＴ」と出力ノード「ＯＵＴＰＵＴ」との間に接続をもたらすための例示的なスイッチング回路１０を示す。出力ノードにおける出力電圧は、入力ノードに印加された入力電圧とは異なっていてもよい。回路１０は、入力ノードと、出力電圧よりも低いレベルの電圧を供給する電圧供給ノードとの間に直列に接続された誘導性素子Ｌ１、容量性素子Ｃ１、および誘導性素子Ｌ２を含む。図１Ａに示されるように、電圧供給ノードは接地ノードであってもよい。
【００２６】
主経路スイッチング素子Ｓ１は、誘導性素子Ｌ１と容量性素子Ｃ１とを接続するノードと、出力ノードとの間に結合される。副経路スイッチング素子Ｓ２は、誘導性素子Ｌ２と容量性素子Ｃ１とを接続するノードと、出力ノードとの間に結合される。
【００２７】
図１Ｂおよび図１Ｃは、それぞれ、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２を制御するために与えられる制御信号
【００２８】
【数１】
2016536723.tif 000003
【００２９】
を例示するタイミング図である。時間間隔Ｔ１中、スイッチング素子Ｓ１がオンにされて、入力ノードと出力ノードとの間に電流を流すための主経路が設けられる。時間間隔Ｔ２中、スイッチング素子Ｓ２がオンにされて、入力ノードと出力ノードとの間に電流を流すための副経路が設けられる。スイッチング素子Ｓ１がオンにされると、スイッチング素子Ｓ２がオフにされ、スイッチング素子Ｓ２がオンにされると、スイッチング素子Ｓ１がオフにされる。
【００３０】
誘導性素子Ｌ１およびＬ２は、独立していてもよく、すなわち、磁気的に分離されていてもよい。代替的には、誘導性素子Ｌ１およびＬ２は共通のコアを共有していてもよく、すなわち、磁気的に結合されていてもよい。Ｌ１とＬ２とを接続する容量性素子Ｃ１が存在している限り、入力ノードと出力ノードとの間に電流が連続的に流される。誘導性素子Ｌ１と誘導性素子Ｌ２とが磁気的に結合される場合、容量性素子Ｃ１は回路１０から任意に除かれてもよい。しかしながら、この場合、入力ノードと出力ノードとの間の電流は不連続になる。
【００３１】
スイッチング回路１０の例示的な実現例が図２に示される。たとえば、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１はスイッチＳ１として用いられてもよく、ダイオードＤ１はスイッチＳ２として用いられてもよい。スイッチＳ１およびＳ２は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴもしくはバイポーラトランジスタによって、またはダイオードによって実現されてもよい。電流検知抵抗器Ｒ１は、出力電流を監視するために出力ノードとスイッチとの間に設けられてもよい。コントローラ１２は、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１の切換えを制御するために抵抗器Ｒ１を介して流れる電流を決定し得る。
【００３２】
図３Ａ〜図３Ｅは、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１、ダイオードＤ１、検知抵抗器Ｒ１、誘導性素子Ｌ１および誘導性素子Ｌ２を通って流れる電流を示す。コントローラ１２によって決定される時間間隔Ｔ１中、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１がコントローラ１２によってオンにされ、Ｍ１を流れる電流が、コントローラ１２によって設定された所定のピーク電流しきい値にまで増大する。
【００３３】
コントローラ１２が時間間隔Ｔ２中にＭ１をオフに切換えると、電流が、ダイオードＤ１によって与えられる交流経路を通って流れる。コントローラによって計時される間隔Ｔ２が終了すると、または、検知抵抗器Ｒ１によって検知される電流が予め定められたしきい値にまで低下すると、コントローラ１２は再びＭ１をオンにする。入力電圧と出力電圧とが等しくなったとコントローラ１２が判断するまで、Ｍ１の切換えが繰返される。入力ノード、出力ノードおよび接地ノードにおける電流はすべて連続的に流れ、Ｌ１を流れる電流とＬ２を流れる電流との合計はＲ１に流れる出力電流と等しくなる。
【００３４】
時間間隔Ｔ１中の入力ノードと出力ノードと間の電圧差が、誘導性素子Ｌ１にわたって現われる。スイッチＭ１がオンになると、過剰なエネルギがリアクタンス素子Ｌ１、Ｃ１およびＬ２によって吸収される。次の時間間隔Ｔ２中に、リアクタンス素子Ｌ１、Ｃ１およびＬ２は、蓄積されたエネルギを出力ノードに戻し、連続的な入力電流の流れを維持する。コントローラ１２は、入力ノードおよび出力ノードの両方への連続的な電流の流れを維持しつつ、電流を主電流経路と副電流経路とに交互に流れるようにする。
【００３５】
以下においてより詳細に説明するように、回路１０は、電流モードフィードバックまたは電圧モードフィードバックを用いて、入力ノードと出力ノードとの切換えを調節してもよい。コントローラ１２は、入力電圧と出力電圧とを等しい値にするために、ヒステリシスモード、固定周波数モード、一定のオン／オフ時間、またはスイッチＳ１およびＳ２を制御するための他のいずれかのスキームを含むスキームを制御するさまざまなスイッチを用いてもよい。
【００３６】
たとえば、図４は、電圧モードフィードバックがなされた例示的なスイッチングレギュレータ２０を示す。抵抗器Ｒ２および抵抗器Ｒ３からなる分圧器は、出力ノードに結合されており、Ｒ２とＲ３との間のノードにおける出力電圧を決定する。出力コンデンサＣｏｕｔも出力ノードに結合される。コントローラ２２は、出力電圧が予め定められた値に等しくなるまで、電流を主経路と副経路とに交互に流れるようにするために、出力電圧に基づいてＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１の切換えを制御してもよい。
【００３７】
図５は、電流モードフィードバックがなされた例示的なスイッチングレギュレータ３０を示す。コントローラ３２は、Ｒ２とＲ３との間のノードにおける出力電圧が予め定められた値に等しくなるまで、電流を主経路と副経路とに交互に流れるようにするために、検知抵抗器Ｒ１によって検知される出力電流に基づいてＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１の切換えを制御してもよい。
【００３８】
図６は、固定周波数モードで動作するコントローラ４２を備えた例示的なスイッチングレギュレータ４０を示す。コントローラ４２は、検知抵抗器Ｒ１にわたる電圧降下を監視する演算増幅器４４を含む。この電圧降下は、抵抗器Ｒ１を通って流れる電流を表わす。コンパレータ４６は、演算増幅器４４の出力信号を基準電流値Ｉｒｅｆを表わす信号と比較する。ＲＳラッチ４８は、発振器によって生成され得る固定周波数クロック信号が供給されるセット入力Ｓと、コンパレータの出力信号が供給されるリセット入力Ｒとを有する。スイッチＭ１はＲＳラッチ４８の出力信号によって制御される。
【００３９】
ラッチ４８がクロック信号の各クロック周期の開始時に設定される場合、ＲＳラッチ４８の出力がハイになって、スイッチＭ１をオンにして、主電流経路を介して電流を供給する。抵抗器Ｒ１によって検知された電流がＩｒｅｆ値にまで低下すると、ラッチ４８の出力がローになって、スイッチＭ１をオフにして、ダイオードＤ１によって与えられる副電流経路を介して電流を供給する。出力電圧が所望のレベルになるまで、Ｍ１の切換えが続けられる。
【００４０】
図７は、ヒステリシスモードで動作するコントローラ５２を備えた例示的なスイッチングレギュレータ５０を示す。コントローラ５２は、検知抵抗器Ｒ１にわたる電圧降下を監視して、抵抗器Ｒ１を通って流れる電流を表わす演算増幅器５４を含む。ヒステリシスコンパレータ５６は、演算増幅器５４の出力信号を基準電流値Ｉｒｅｆを表わす信号と比較して、スイッチＭ１の切換えを制御する出力信号を生成する。
【００４１】
図８は、本開示のスイッチングトポロジーを有するホットスワップ回路６０の具体的な実施形態を示す。ホットスワップ回路は、負荷に入力電圧が供給されるのに応じて負荷の電圧が上昇するのを制御する。これにより、たとえば、回路が通電中の電源に不意に接続されたときに、この入力電圧が急に変化したとしても、電圧の変化および電流の変化を制御し続ける。従来のホットスワップ回路は、出力電圧の上昇が制御されているリニアレギュレータと同様の態様で動作する大型のＭＯＳＦＥＴトランジスタを有する。これにより、ｄｖ／ｄｔが制御されるが、但し、トランジスタは、ドレインからソースまでの間に電圧降下があった場合に、電流を流すのにかなりの時間を費やしてしまい、これによりが電力が放散され、ＭＯＳＦＥＴに対して熱応力がもたらされてしまう。この応力のせいで、適切なヒートシンクを備えた適切なＭＯＳＦＥＴを選択することが必要となる。
【００４２】
図８は、ホットスワップ回路６０として構成された図１のスイッチングトポロジーを示す。入力電圧が入力ノードにおいて印加され、負荷が出力ノードに取付けられる。ホットスワップ回路６０は、出力電圧の上昇に応じて、時間の関数としてＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１のデューティサイクルを調整するコントローラ６２を含む。
【００４３】
典型的なホットスワップ事象が始まる前には、Ｍ１はオフであり、出力ノードにおける電圧はゼロであり、誘導性素子Ｌ１またはＬ２に電流は流れていない。Ｍ１は、初め、低デューティサイクルではコントローラ６２によってオンにされる。Ｍ１がオンである場合、電流が、誘導性素子Ｌ１およびトランジスタＭ１を通って検知抵抗器Ｒ１に流れ、次いで、出力コンデンサＣｏｕｔにまで流れて、出力ノードにおける負荷に達する。Ｌ１のインダクタンスにより、電流が、ゼロから、Ｌ１によって制御される値、すなわち入力電圧、にまで上昇し、このときＭ１がオンになる。
【００４４】
トランジスタＭ１がオフにされると、電流が突然Ｍ１に流れ込まなくなり、誘導性素子Ｌ１に蓄積された残留エネルギのせいで、Ｍ１のドレインにおける電圧が急速に上昇する。容量性素子Ｃ１により、ダイオードＤ１のアノードも同様に上昇し、Ｄ１のアノード電圧が（出力ノードにおける電圧にほぼ等しい）ダイオードＤ１のカソード電圧を上回ると、ダイオードＤ１は電流を通し始めるだろう。この電流は、Ｌ１およびＣ１を通って流れ、さらに、Ｄ１を通り、検知抵抗器Ｒ１および負荷に到達するだろう。Ｌ１およびＬ２が図８に示される位相でインダクタと結合されている場合、Ｌ１における電流のうちのいくらかはＬ２における電流に変換され、Ｌ２からＤ１に流れ込み、再びＲ１および負荷にまで流れ込むだろう。
【００４５】
Ｌ１およびＬ２が独立したインダクタである場合、Ｌ１における電流のうちいくらかは、最初にＤ１ではなくＬ２に流れ込むだろう。これにより、何回かサイクルが行われた後、容量性素子Ｃ１上の電圧が上昇することとなり、Ｌ２における電流の極性が反転し、さらに、結合されたインダクタの場合と同様の動作が行なわれることとなる。
【００４６】
Ｍ１のデューティサイクルが大きくなると、Ｌ１における電流が大きくなり、ＯＵＴＰＵＴノードにおける電圧が制御された態様で上昇するだろう。Ｍ１のデューティサイクルが１００％に近づくと（すなわち、トランジスタＭ１が連続的にオンであれば）、出力ノードにおける電圧が入力ノードにおける電圧に近づき、Ｌ１における電流が負荷電流に近づき、ホットスワップサイクルが終了する。
【００４７】
本開示のホットスワップ回路６０は、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１がスイッチとしてのみ動作し、電流が流れているときにはドレインからソースまでは電圧が発生しないという点において、従来の線形のホットスワップ回路に勝る利点を有する。これは、限定的な安全動作領域（ＳＯＡ：safe operating areas）を備えたものを含め、低オン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）を有するＭＯＳＦＥＴをトランジスタＭ１として用いることができることを意味する。また、これにより、Ｍ１における電力消散を最小限にして、ヒートシンクの必要性を最小限にする。
【００４８】
ホットスワップ回路６０の別の利点は、入力ノードおよび出力ノードの両方における電流が、線形のホットスワップ回路と同様に滑らかで連続的であり、これにより、入力フィルタリングまたは出力フィルタリングの必要性が最小限にされる点である。
【００４９】
図９は、図１におけるスイッチングトポロジーに基づいた例示的な過電圧保護回路７０を示す。過電圧保護回路７０は、出力ノードに結合された負荷を入力ノードにおける電圧スパイクから保護するように構成される。過電圧保護回路７０は、コントローラ７０を含み、図８におけるホットスワップ回路６０の動作と同様に動作する。しかしながら、過電圧保護回路７０はまた、抵抗器Ｒ２およびＲ３から構成されて出力ノードにおける電圧を測定するための抵抗器デバイダと、測定された出力電圧をコントローラ７２に供給するフィードバックループとを含む。また、回路７０は、ダイオードＤ１の代わりに、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ２を含む。
【００５０】
トランジスタＭ１のデューティサイクルは、予め設定されたレベルの出力電圧に到達すると、コントローラ７２によって１００％未満の値に制御される。このデューティサイクル制御により、過電圧保護回路７０を降圧レギュレータとして動作させる。この場合、入力ノードにおける電圧が出力ノードにおける電圧を上回っていたとしても、出力ノードが一定電圧に維持される。この動作により、予め設定された出力電圧が予想される入力電圧よりも低く設定された場合に、過電圧保護回路７０を、入力電圧を所望の出力レベルにまで低下させる降圧レギュレータとして動作させることが可能となる。
【００５１】
代替的には、予め設定された出力電圧が通常の定常入力電圧よりも高く設定されるが、入力ノードにおける予想されるピーク電圧、すなわち入力電圧スパイク、よりも低く設定される場合、過電圧保護回路７０はサージストッパとして動作し得る。過電圧保護回路７０がサージストッパとして動作し、サージが入力ノードに到達すると、コントローラ７２は、出力電圧を予め設定された値以下に維持するために、サージ中に、トランジスタＭ１のデューティサイクルを定常状態での１００％の動作からより低いデューティサイクルに調整することとなる。また、コントローラ７２は、トランジスタＭ１がオフであれば、トランジスタＭ２がオンになるようにこのトランジスタＭ２を制御し、トランジスタＭ１がオンであれば、トランジスタＭ２がオフになるようにこのトランジスタＭ２を制御する。
【００５２】
上述の説明は、本発明の局面を例示および記載するものである。加えて、本開示は、単に好ましい実施形態を図示および記載しているに過ぎないが、上述のとおり、本発明が他のさまざまな組合せ、変更例および環境において使用可能であり、上述の教示、および／または、関連する技術についての技術もしくは知識に応じたレベルで、この明細書中において表わされた発明の概念の範囲内での変更または変形が可能であることが理解されるはずである。
【００５３】
上述の実施形態は、さらに、本発明を実施するための公知のベストモードを説明するように意図されたものであり、かつ、本発明の特定の用途および使用時に必要とされるさまざまな変形例を用いて、当業者が本発明をこのような実施形態または他の実施形態において利用することを可能にするよう意図されたものである。したがって、この説明は、本発明をこの明細書中に開示される形態に限定するよう意図されたものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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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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【国際調査報告】
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