(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電システムであって、
バス電圧を受け取るように接続された第１トランジスタ、
前記第１トランジスタに対して直列接続された第２トランジスタ、
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタに対して直列接続された第３トランジスタ、
グラウンドと前記第３トランジスタとの間に接続された第４トランジスタ、
前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、および前記第４トランジスタそれぞれのゲートを制御するように接続されたスイッチング制御回路、
前記第２トランジスタと前記第３トランジスタを交差して接続されたフライングキャパシタ、
を備え、
前記第２トランジスタと前記第３トランジスタとの間のノードは、出力インダクタに対して接続され、前記スイッチング制御回路が前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、および前記第４トランジスタをスイッチングするのにともなってシステム電圧を提供するように構成されており、
前記第１トランジスタと前記第４トランジスタは、前記フライングキャパシタを充電するように動作し、前記第２トランジスタと前記第３トランジスタは、前記第１および第４トランジスタとは別個にスイッチングトランジスタとして動作して前記出力インダクタを駆動する
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記第１トランジスタと前記バス電圧との間に、バススイッチングトランジスタが接続されている
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記システム電圧は、電力パススイッチングトランジスタを介して、バッテリパックに対して接続されている
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
電力パスコントローラに対して電力パススイッチングトランジスタが接続されている
ことを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記第２トランジスタと前記第３トランジスタは、前記バス電圧が前記システム電圧の２倍となるように配置されている
ことを特徴とする請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記第１トランジスタと前記第４トランジスタは、前記フライングキャパシタを交差する電圧が、前記システム電圧に接続されたラインおよび負荷過渡状態にしたがって変化するように、前記制御回路によって動作される
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記第２トランジスタと前記第３トランジスタは、１％〜９９％のデューティサイクルで動作する
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項８】
充電方法であって、
直列接続されたトランジスタを交差してバス電圧を受け取るステップであって、前記直列接続されたトランジスタは、前記バス電圧に接続された第１トランジスタ、前記第１トランジスタに対して接続された第２トランジスタ、前記第２トランジスタに対して接続された第３トランジスタ、および、前記第３トランジスタとグラウンドに対して接続された第４トランジスタを含む、ステップ、
前記直列接続されたトランジスタのうち前記第１トランジスタと前記第４トランジスタのゲートを駆動して、前記直列接続されたトランジスタのうち前記第２トランジスタと前記第３トランジスタを交差するように接続されたフライングキャパシタを充電するステップ、
前記直列接続されたトランジスタのうち前記第２トランジスタと前記第３トランジスタのゲートを、出力インダクタに接続してシステム電圧を提供することができる前記第２トランジスタと前記第３トランジスタとの間のノードを有する前記第１トランジスタと前記第４トランジスタのゲートとは別個に駆動するステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項９】
前記方法はさらに、前記バス電圧と前記直列接続された別トランジスタとの間に接続されたトランジスタを起動するステップを有する
ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記システム電圧は、バッテリパックを充電するために接続されている
ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記方法はさらに、前記システム電圧と前記バッテリパックとの間に接続されたスイッチングトランジスタを起動するステップを有する
ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記バス電圧は、前記システム電圧の２倍である
ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記フライングキャパシタは、前記システム電圧に接続されたラインおよび負荷過渡状態にしたがって充電される
ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１４】
前記出力インダクタに接続されたノードを有する前記直列接続された前記第２トランジスタと前記第３トランジスタのゲートを駆動するステップは、１％〜９９％のデューティサイクルで前記ゲートを駆動するステップを有する
ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願＞
本願は、２０１７年１１月３０日出願の米国特許出願１５／８２８，１５８号、および２０１６年１２月１日出願の米国仮出願６２／４２８，７３７号、６２／４２９，０５６号、６２／４２９，０５８号の優先権を主張する。これら文献の内容は、そのすべてがあらゆる目的において参照により本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明の実施形態は、充電システムに関し、具体的にはバッテリ充電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
バッテリ充電を含むモバイルデバイスを用いることに対する要求が増加している。特にモバイルデバイスのバッテリ充電は、高速かつ効率的であることが望ましい。多くのバッテリ充電は、２つの直列接続されたトランジスタを有し、このトランジスタはＢｕｃｋレギュレータを形成するように構成されており、スイッチング充電器として機能するように、制御回路によって駆動される。しかし、Ｂｕｃｋレギュレータ内のインダクタのサイズを小さく維持するとともに、インダクタのＤＣ抵抗（ＤＣＲ）を小さく維持するために、超列接続トランジスタを高周波数（２〜４ＭＨｚ）でスイッチングする場合がある。
【０００４】
高速充電要求を満たすため（例：３Ａ以上のバッテリ充電電流）、バス電圧は９Ｖ、１２Ｖ、あるいはそれ以上に上げられ、これによりユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）マイクロコネクタのＶＢＵＳピン電流要件を充足している。しかし、高いＶＢＵＳ電圧は高スイッチング周波数においてさらに多大なスイッチング損失を生じさせ、このスイッチング損失は２つの直列接続トランジスタ間の電圧に比例する。また高いＶＢＵＳ電圧を用いると出力インダクタのリップル電流が増加し、高電圧処理は大きい部品を必要とし、これによりダイサイズが増加してコストが高くなる。さらに、トランジスタサイズが増えると導電損失が減少するが、スイッチング損失が増加する。したがって、より良い高効率なバッテリ充電システムに対するニーズがある。本願に関連する技術として、特許文献１〜５がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】US 2009/0033293 A1
【特許文献２】US 9,431 ,845 B2
【特許文献３】US 2015/0188362 A1
【特許文献４】US 2016/0329809 A1
【特許文献５】US 2016/0261190 A1
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の側面において、充電システムは：バス電圧を受け取るように接続された第１トランジスタ；前記第１トランジスタに対して直列接続された第２トランジスタ；前記第１トランジスタと前記第２トランジスタに対して直列接続された第３トランジスタ；グラウンドと前記第３トランジスタとの間に接続された第４トランジスタ；前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、および前記第４トランジスタそれぞれのゲートを制御するように接続されたスイッチング制御回路；前記第２トランジスタと前記第３トランジスタを交差して接続されたフライングキャパシタ；を備え、前記第２トランジスタと前記第３トランジスタとの間のノードは、出力インダクタに対して接続され、前記スイッチング制御回路が前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、および前記第４トランジスタをスイッチングするのにともなってシステム電圧を提供するように構成されている。
【０００７】
実施形態に係る充電方法は：４つの直列接続されたトランジスタを交差してバス電圧を受け取るステップ；前記４つの直列接続されたトランジスタのうち２つのゲートを駆動して、前記４つの直列接続されたトランジスタのうち２つを交差するように接続されたフライングキャパシタを充電するステップ；前記４つの直列接続されたトランジスタのうち、出力インダクタに接続してシステム電圧を提供することができるノードを有する２つのトランジスタのゲートを駆動するステップ；を有する。
【０００８】
これらおよびその他の実施形態は、以下の図面を参照して後述する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来のバッテリ充電システムを示す。
【００１０】
【図２】本発明の実施形態に係るバッテリ充電システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明において、本発明の実施形態を説明する詳細部分について述べる。ただし当業者にとって、実施形態はこれら詳細部分のうち一部または全部がなくとも実施できることは明らかである。本明細書が開示する具体的実施形態は、説明のためのものであり、限定のためのものではない。当業者は、本明細書において明示していなくとも、本開示の範囲と趣旨に含まれるその他の実施形態を実現できるであろう。
【００１２】
発明の側面と実施形態を示す本明細書と添付する図面は、限定とみなすべきではない。特許請求範囲が本発明の保護範囲を定義する。本明細書と特許請求範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更をなすことができる。本発明を不明瞭にしないため、実施例において、既知の構造や技術は示しておらず、または詳細を記載していない。
【００１３】
ある実施形態を参照して詳細に記載した要素とそれに関連する側面は、実施可能である場合、明示的に図示または記載していない他の実施形態においても含めることができる。例えばある要素がある実施形態を参照して詳細に記載されており別実施形態を参照して記載されていない場合、その要素は別実施形態に含まれるものとして特許請求することができる。
【００１４】
図１は、従来の充電システム１００を示す。充電システム１００は、トランジスタ１３０（Ｑ１）、１３２（Ｑ２）、および１３４（Ｑ３）のゲートに接続して駆動するスイッチング充電制御回路１１０を有する。トランジスタ１３０（Ｑ１）は、バッテリ逆流ブロックトランジスタであり、外部電圧ＶＢＵＳが存在するときコントローラ１１０によって閉じられ、存在しないとき開かれる。
【００１５】
トランジスタ１３２（Ｑ２）と１３４（Ｑ３）は、ブロックトランジスタ１３０とグラウンドとの間に直列接続されている。トランジスタ１３２と１３４との間のノードはインダクタ１２０に接続され、インダクタ１２０は出力キャパシタ１３６と直列接続されている。トランジスタ１３２、１３４とインダクタ１２０は、スイッチング充電器として機能するｂｕｃｋレギュレータを形成する。システム電圧はインダクタ１２０によって提供され、外部システムに対して電力供給するために用いることができる。さらにシステム電圧は、スイッチトランジスタ１２２に接続して、バッテリパック１５０からの電力を供給しまたは受け取る。トランジスタ１２２（Ｑ４）は、電力パス制御回路１４０に対して電力供給するように接続されたゲートを有し、バッテリパック１５０に対する電力パスを制御するバッテリスイッチである。トランジスタ１３０、１３２、１３４、１２２は、例えばＭＯＳＦＥＴトランジスタである。
【００１６】
制御回路１１０は、入力ＶＢＵＳ、ＩＢａｔｔ、ＶＢａｔｔ、ＴＢａｔｔを受け取る。電圧ＶＢＵＳは、外部電力源からの入力ＤＣ電圧である。電圧ＶＢＵＳは、ブロックトランジスタ１３１を介して、直列接続トランジスタ１３２および１３４の高電圧側に対して接続されている。入力ＩＢａｔｔは、バッテリパック１５０に対するまたはバッテリパック１５０からの電流を示し、電流センサ１２６によって測定される。電流センサ１２６は、トランジスタ１２２を介して、バッテリパック１５０のバッテリ１５２からの電流を測定するように接続されている。電圧ＶＢａｔｔは、電圧センサ１２８によって判定される。電圧センサ１２８は、バッテリパック１５０を交差して接続され、バッテリ電圧を示す。温度信号ＴＢａｔｔは、バッテリパック１５０内の温度モニタ１５４から受信される。
【００１７】
制御回路１１０は、スイッチングトランジスタ１３２と１３４のゲートを駆動して、インダクタ１２０およびキャパシタ１３６とともにＢｕｃｋレギュレータとして機能するように電力を提供する。インダクタ１２０からの電圧は、トランジスタ１２２を介してバッテリパック１５０へ接続され、これによりバッテリパック１５０のバッテリ１５２を充電する。トランジスタ１２２のゲートは電力パス制御回路１２４と接続され、電力パス制御回路１２４は、バッテリ温度ＴＢａｔｔ、電流ＩＢａｔｔ、バッテリ電圧ＶＢａｔｔにしたがって電力パスを制御して、必要に応じてバッテリパック１５０を充電または放電する。
【００１８】
システム１００は、動作について複数の課題がある。実施形態において、トランジスタ１３２（Ｑ２）と１３３（Ｑ３）は、高周波数（２〜４ＭＨｚ）でスイッチングする必要がある。高周波数スイッチングは、インダクタ１２０のインダクタンスを低く維持して（例：アプリケーションによっては０．４７μＨ）、インダクタ１２０の直流抵抗（ＤＣＲ）値を減少させ、インダクタ１２０を物理的に小型化し、インダクタ１２０とキャパシタ１３６の効率的な動作を可能とする。しかし高スイッチング周波数によりスイッチング損失が増加し、インダクタ１２０の低ＤＣＲから得られる効率的なゲインのうち少なくとも一部をオフセットさせる。
【００１９】
さらに、現在の高速充電要求を満たすためには、バス電圧ＶＢＵＳを増やす必要がある。これら増加したバス電圧は、ＵＳＢマイクロコネクタのＶＢＵＳピン電流要件も満たす。例えば３Ａ以上のバッテリ充電電流は、これら要件を満たすために、９Ｖ〜１２ＶのＶＢＵＳ電圧を必要とする。しかし高いＶＢＵＳ電圧は、高スイッチング周波数においてより多くのスイッチング損失を生じさせる。スイッチング損失は、トランジスタ１３２（Ｑ２）と１３４（Ｑ３）を交差する電圧に比例し、これはＶＢＵＳ電圧だからである。高ＶＢＵＳ電圧はまた、インダクタ１２０のリップル電流を増加させ、これによりシステム電圧ＶＳＹＳにおいてより多くのリップル電圧が生じる。ＶＳＹＳのリップル電圧を減少させるためには、インダクタ１２０のインダクタンスを同じに維持しつつスイッチング周波数を増加させるべきであり、これはスイッチング損失をさらに増加させてシステム１００の効率を減少させる。
【００２０】
また、高ＶＢＵＳ電圧要件は高電圧プロセスを必要とし、これはより大きい回路要素を必要とする。これによりダイサイズが大きくなり、効率要件を満たすための製造コストが高くなる。ＭＯＳＦＥＴサイズが増えると（抵抗Ｒｄｓｏｎ値が減る）導電損失が減るが、サイズが大きくなるとスイッチング損失が増える。したがって、システム１００の高効率を実現するためにＭＯＳＦＥＴ導電損失を減らすのは、限界がある。
【００２１】
本発明の実施形態は、図１に示すスイッチング充電システム１００を改善する方法を提供する。具体的には、インダクタンスと物理的サイズが小さい出力インダクタを提供しつつ、低周波数でスイッチングするニーズがある。これによりＤＣＲをさらに減らして、システム効率を増加させ、リップル電流を減らしてシステム電圧ＶＳＹＳのリップル電圧要件を満たす。
【００２２】
本発明に係る実施形態は、新たなスイッチング充電配置を提供して、インダクタサイズが大きくなるペナルティを生じさせることなく低スイッチング周波数を可能とする。またこのスイッチング配置は、スイッチング損失を減少させ、これによりシステム効率を増やす。さらに、新たなスイッチング配置により、低電圧プロセスを用いて高入力電圧を取り扱うことが可能となり、充電器のダイサイズと製造コストをさらに減少させることができる。また新たな配置により、高速充電電流（例：３Ａ以上）が可能となるとともに、ＶＢＵＳ電流をＵＳＢ（１．８Ａ）またはＴｙｐｅＣコネクタ（２．５Ａ）の電流制限以下に維持することができる。さらに、トランジスタサイズを増やして（Ｒｄｓｏｎ値が小さくなる）、スイッチング損失を増やすことなくトランジスタ導電損失をさらに減少させることができる。
【００２３】
図２は、本発明の実施形態に係るスイッチング充電システム２００を示す。図２に示すように、スイッチング充電制御回路２１０は、直列接続トランジスタ２３０（Ｑ２）、２３２（Ｑ３）、２３４（Ｑ４）、および２３６（Ｑ５）それぞれのゲートに接続されている。さらにキャパシタ２４０（ＣＦＬＹ）は、トランジスタ２３２（Ｑ３）と２３４（Ｑ４）の直列接続ペアを交差して提供されている。出力インダクタ２３０は、トランジスタ２３２と２３４との間のノードに接続され、図２に示す出力インダクタ１２０よりも小さい（物理的サイズとインダクタンスともに）。直列接続トランジスタ２３０、２３２、２３４、２３６は独立して駆動し、任意のデューティサイクル（例：１％〜９９％）でシステム２００をシームレスに動作させることができる。
【００２４】
通常動作中における直列接続トランジスタ２３２（Ｑ３）と２３４（Ｑ４）を交差する電圧は、これらを交差するキャパシタ２４０（ＣＦＬＹ）を導入したことにより、ＶＢＵＳ上の入力電圧の半分でよい。この結果、トランジスタ２３０、２３２、２３４、２３６それぞれのスイッチング損失は、同じスイッチング周波数において、図１に示すシステム１００の４分の１となる。４つの直列接続ＭＯＳＦＥＴ２３０、２３２、２３４、２３６が存在するが、同じ周波数でスイッチングしたとき、総スイッチング損失はシステム１００の半分である。システム２００はさらに、高ＶＢＵＳ電圧で低電圧プロセスを用いることを可能とする（ＶＢＵＳ／２）。トランジスタ２３２と２３４はバス電圧の半分でスイッチングされるからである。
【００２５】
さらに、通常動作中におけるインダクタ２２０を交差する電圧は、図１のインダクタ１２０の半分以下である。したがってインダクタ２２０のインダクタ値は、同じスイッチング周波数および同じＶＢＵＳ電圧において、図１のインダクタ１２０の半分以下であってもよい。図２に示すように、小インダクタンスと小ＤＣＲによってインダクタ２２０をより小さくすることにより、システム２００の効率をシステム１００よりも向上させることができる。ＶＳＹＳ値に基づきＶＢＵＳ電圧を調整してＶＢＵＳをＶＳＹＳの２倍に維持することができる場合（例：ＵＳＢ  ＰＤを用いて）、インダクタ２２０のインダクタンスはさらに減少させることができる。またインダクタ２２０のインダクタンスをインダクタ１２０と同じとし、スイッチング周波数を減少させることもできる。これによりシステム効率がさらに増加する。
【００２６】
結果として、本発明の実施形態は、直列接続スイッチングトランジスタ２３０（Ｑ２）、２３２（Ｑ３）、２３４（Ｑ４）、２３６（Ｑ５）を備えるとともに、トランジスタ２３２（Ｑ３）と２３４（Ｑ４）との間に接続されたフライングキャパシタ２４０ＣＦＬＹを備える。この配置を出力インダクタ２２０と組み合わせて、ＶＳＹＳにしたがってＶＢＵＳ電圧を調整してＶＢＵＳをＶＳＹＳの２倍近くに維持することにより出力インダクタ２２０のサイズとインダクタンスを小さくし、スイッチング周波数を減少させてシステム効率を改善し、高ＶＢＵＳ電圧を充足するために低電圧プロセスを用いることができる。さらに、低電圧によりダイサイズとコストが抑制される。
【００２７】
図２に示すように、トランジスタ２３０とトランジスタ２３６は、トランジスタ２３２と２３４がスイッチングキャパシタとして動作してインダクタ２２０により形成されたｂｕｃｋレギュレータを駆動するとき、フライングキャパシタ２４０を充電するように動作する。実施形態において、４つのトランジスタ２３０、２３２、２３４、２３６（Ｑ２〜Ｑ５）の効率的な駆動方式を用いて、各ＭＯＳＦＥＴを個別駆動し、システム２００を１％〜９９％のデューティサイクルでシームレスに動作させることができる。またシステム２００は、最小の外部ブートストラップキャパシタを備える（バイパス回路上のＣＢＹＰとバス電圧キャパシタＣＩＮ、図２のシステム２００においてのみ示す）。またシステム２００は、ＶＢＵＳ電圧をＶＳＹＳ電圧の２倍に制御して、最適効率を実現することができる。さらにフライングキャパシタを交差する電圧を変化させて、最適ラインおよび負荷過渡要件を充足することができる。
【００２８】
上記詳細説明は、本発明の具体的実施形態を説明するために提供するものであり、限定を意図したものではない。本発明の範囲内で様々な変形や変更が可能である。本発明は特許請求範囲によって提示される。
【図１】
0006898447.tif 000002
【図２】
0006898447.tif 000003