(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022022156
(43)【公開日】2022-02-03
(54)【発明の名称】スイッチング電力変換器のデューティサイクル制御
(51)【国際特許分類】
H02M 3/28 20060101AFI20220127BHJP
【FI】
H02M3/28 P
H02M3/28 W
【審査請求】有
【請求項の数】9
【出願形態】OL
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2021119536
(22)【出願日】2021-07-20
(31)【優先権主張番号】16/938,063
(32)【優先日】2020-07-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】521227078
【氏名又は名称】アステック インターナショナル リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000659
【氏名又は名称】特許業務法人広江アソシエイツ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ウォーカー,カール,ケネス
【テーマコード(参考)】
5H730
【Fターム(参考)】
5H730BB24
5H730BB57
5H730BB82
5H730BB88
5H730EE02
5H730EE07
5H730EE08
5H730EE75
5H730FD01
5H730FF02
5H730FG05
(57)【要約】 (修正有)
【課題】スイッチング電力変換器お及びそのデューティサイクルを制御する方法を提供する。
【解決手段】スイッチング電力変換器100は、電力スイッチング装置104、106を有する電力回路102と、電力スイッチング装置104、106を制御するために電力回路102に結合された制御回路108と、を含む。制御回路108は、電力回路102の出力電圧VOUTを検知し、相補クロック信号114、116に基づいてランプ信号110、112を生成し、それぞれランプ信号110、112及び出力電圧VOUTに基づいて、電力スイッチング装置104、106を制御するための制御信号118、120を生成する。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スイッチング電力変換器であって、
少なくとも2つの電力スイッチング装置を含む電力回路と、
前記電力スイッチング装置を制御するために前記電力回路に結合された制御回路であって、前記制御回路は、前記電力回路の出力電圧を検知し、相補クロック信号に基づいて少なくとも2つのランプ信号を生成し、前記ランプ信号のうちの1つと、前記電力回路の前記出力電圧とに基づいて、前記電力スイッチング装置のうちの1つを制御するための第1の制御信号と、前記ランプ信号のうちの別の1つと、前記電力回路の前記出力電圧とに基づいて、前記電力スイッチング装置のうちの別の1つを制御するための第2の制御信号とを生成するように構成された、制御回路と
を備える、スイッチング電力変換器。
【請求項2】
前記制御回路は、前記ランプ信号および基準電圧に基づいて、少なくとも2つの修正ランプ信号を生成するように構成されている、請求項1に記載のスイッチング電力変換器。
【請求項3】
前記制御回路は制御スイッチング装置を含み、前記制御回路は、前記相補クロック信号に基づいて前記制御スイッチング装置を駆動して、前記第1の制御信号および前記第2の制御信号の固定周波数を設定させるように構成されている、請求項1に記載のスイッチング電力変換器。
【請求項4】
前記制御回路は少なくとも2つの比較器を含み、前記比較器のうちの1つは、前記ランプ信号のうちの前記1つと前記電力回路の前記出力電圧との比較に基づいて前記第1の制御信号を生成するように構成され、前記比較器のうちの別の1つは、前記ランプ信号のうちの前記別の1つと前記電力回路の前記出力電圧との比較に基づいて前記第2の制御信号を生成するように構成されている、請求項1に記載のスイッチング電力変換器。
【請求項5】
前記制御回路は制御スイッチング装置を含み、前記制御スイッチング装置のうちの1つは、前記比較器のうちの前記1つの出力に結合され、前記制御スイッチング装置のうちの別の1つは、前記比較器のうちの前記別の1つの出力に結合され、前記制御回路は、前記相補クロック信号に基づいて前記制御スイッチング装置を駆動して、前記第1の制御信号および前記第2の制御信号の固定周波数を設定するように構成されている、請求項4に記載のスイッチング電力変換器。
【請求項6】
前記電力回路は、第1のサブ回路および第2のサブ回路を有するインタリーブされた2トランジスタフォワードトポロジを含み、前記電力スイッチング装置のうちの前記1つは、前記第1のサブ回路内の電力スイッチング装置であり、前記電力スイッチング装置のうちの前記別の1つは、前記第2のサブ回路内の電力スイッチング装置である、請求項1に記載のスイッチング電力変換器。
【請求項7】
電力回路の複数の電力スイッチング装置を制御するための方法であって、前記制御回路は一対の比較器を含み、前記方法は、
前記電力回路の出力電圧を検知することと、
相補クロック信号に基づいて少なくとも2つのランプ信号を生成することと、
前記一対の比較器のうちの第1の比較器を介して、前記ランプ信号のうちの1つと前記電力回路の前記出力電圧との比較に基づいて、前記複数の電力スイッチング装置のうちの1つを制御するための第1の制御信号を生成することと、
前記一対の比較器のうちの第2の比較器を介して、前記ランプ信号のうちの別の1つと前記電力回路の前記出力電圧との比較に基づいて、前記電力スイッチング装置のうちの別の1つを制御するための第2の制御信号を生成することと
を含む、方法。
【請求項8】
前記ランプ信号および基準電圧に基づいて少なくとも2つの修正ランプ信号を生成することをさらに含む、請求項7に記載の方法。
【請求項9】
前記制御回路は、前記第1の比較器の出力に結合された第1の制御スイッチング装置と、前記第2の比較器の出力に結合された第2の制御スイッチング装置とをさらに備え、
前記制御回路は、前記相補クロック信号に基づいて、前記第1の制御スイッチング装置および前記第2の制御スイッチング装置を駆動して、前記第1の制御信号および前記第2の制御信号の固定周波数を設定させるように構成される、請求項7に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、スイッチング電力変換器のデューティサイクル制御に関する。
【背景技術】
【0002】
このセクションは、必ずしも従来技術ではない本開示に関連する背景情報を提供する。
【0003】
電力変換器は、一般に、電力回路と、電力回路内のスイッチング装置を制御するための制御回路とを含む。制御回路は、スイッチング装置を制御するための制御信号を生成するための比較器を含むことができる。そのような例では、制御回路は、ランプ信号と、電力回路の検知された出力電圧とを加算することによって補償信号を、また基準電圧および検知された出力電圧に基づいて誤差信号を生成することができる。そして、比較器は、補償信号と誤差信号とを比較して制御信号を生成する。ランプ信号は、一般に、出力コンデンサの等価直列抵抗(ESR)または電力回路内の出力インダクタの電圧秒積に基づいて生成される。
【発明の概要】
【0004】
このセクションは、本開示の一般的な概要を提供し、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
【0005】
本開示の一態様によれば、スイッチング電力変換器は、少なくとも2つの電力スイッチング装置を有する電力回路と、電力スイッチング装置を制御するために電力回路に結合された制御回路とを含む。制御回路は、電力回路の出力電圧を検知し、相補クロック信号に基づいて少なくとも2つのランプ信号を生成し、ランプ信号のうちの1つと、電力回路の出力電圧とに基づいて、電力スイッチング装置のうちの1つを制御するための第1の制御信号と、ランプ信号のうちの別の1つと、電力回路の出力電圧とに基づいて、電力スイッチング装置のうちの別の1つを制御するための第2の制御信号とを生成するように構成された、制御回路とを備える。
【0006】
本開示の別の態様によれば、電力回路の電力スイッチング装置を制御するための制御回路が開示される。制御回路は、比較器を含む。制御回路は、電力回路の出力電圧を検知し、相補クロック信号に基づいて少なくとも2つのランプ信号を生成するように構成される。比較器のうちの1つは、ランプ信号のうちの1つと、電力回路の出力電圧との比較に基づいて、電力スイッチング装置のうちの1つを制御するための第1の制御信号を生成するように構成され、比較器のうちの別の1つは、ランプ信号のうちの別の1つと、電力回路の出力電圧との比較に基づいて、電力スイッチング装置のうちの別の1つを制御するための第2の制御信号を生成するように構成される。
【0007】
さらなる態様および適用可能な領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。本開示の様々な態様は、個別に、または1つ以上の他の態様と組み合わせて実施することができることを理解されたい。本明細書の説明および特定の例はまた、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図していないことを理解されたい。
【0008】
本明細書で説明される図面は、選択された実施形態の例示のみを目的としており、すべての可能な実施態様ではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】本開示の1つの例示的な実施形態による、電力回路と、電力回路内の電力スイッチング装置を制御するために、ランプ信号およびクロック信号に基づいて、PWM制御信号を生成するための制御回路とを含むスイッチング電力変換器のブロック図である。
【
図2】別の例示的な実施形態による、電力回路内の電力スイッチング装置を制御するために、ランプ信号に基づいてPWM制御信号を生成するための比較器を含む制御回路の概略図である。
【
図3】さらに別の例示的な実施形態による、電力回路内の電力スイッチング装置を制御するために、ランプ信号に基づいてPWM制御信号を生成するための比較器およびスイッチング装置を含む制御回路の概略図である。
【
図4】別の例示的な実施形態による、電力回路内の電力スイッチング装置を制御するために、ランプ信号および基準電圧に基づいてPWM制御信号を生成するための比較器を含む制御回路の概略図である。
【
図5】さらに別の例示的な実施形態による、電力回路内の電力スイッチング装置を制御するために、ランプ信号および基準電圧に基づいてPWM制御信号を生成するための比較器を含む制御回路の概略図である。
【
図6】
図5の比較器の動作波形のタイミング図である。
【
図7】別の例示的な実施形態による、電力回路内の電力スイッチング装置を制御するためのPWM制御信号を生成するためのクロック信号に基づいて制御されるスイッチング装置を含む制御回路の概略図である。
【
図8】さらに別の例示的な実施形態による、
図7の制御回路内の基準電圧を調整するための回路の概略図である。
【
図9】別の例示的な実施形態による、インタリーブされた2トランジスタフォワードトポロジと、
図5の制御回路とを含むスイッチング電力変換器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する(必ずしも同一ではない)部分および/または特徴を示す。
【0011】
例示的な実施形態は、本開示が完全であり、当業者に範囲を十分に伝えるように提供される。本開示の実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構成要素、装置、および方法の例など、多数の特定の詳細が記載されている。特定の詳細を採用する必要がないこと、例示的な実施形態を多くの異なる形態で具体化することができること、およびいずれも本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことは、当業者には明らかであろう。いくつかの例示的な実施形態では、周知のプロセス、周知の装置構造、および周知の技術は詳細には説明されない。
【0012】
本明細書で使用される用語は、特定の例示的な実施形態を説明することのみを目的とし、限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことを意図していることがある。「備える(comprises)」、「備える(comprising)」および「有する(having)」という用語は、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および/または構成要素の存在を指定するが、1つ以上の他の機能、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および/またはそれらの群の存在または追加を排除しない。本明細書に記載された方法ステップ、プロセス、および動作は、実行の順序として具体的に特定されない限り、必ずしも説明または図示された特定の順序でそれらの実行を必要とすると解釈されるべきではない。追加のまたは代替のステップが使用されてもよいことも理解されたい。
【0013】
第1、第2、第3などの用語は、様々な要素、構成要素、領域、層および/または部分を説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素、構成要素、領域、層および/または部分は、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、1つの要素、構成要素、領域、層または部分を別の領域、層または部分と区別するためにのみ使用され得る。本明細書で使用される場合、「第1」、「第2」などの用語および他の数値用語は、文脈によって明確に示されない限り、連続または順序を意味しない。したがって、以下で説明する第1の要素、構成要素、領域、層または部分は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第2の要素、構成要素、領域、層または部分と呼ぶことができる。
【0014】
「内側」、「外側」、「下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」などの空間的に相対的な用語は、本明細書では、図に示すように、1つの要素または特徴と別の要素または特徴との関係を説明するための説明を容易にするために使用され得る。空間的に相対的な用語は、図に示されている向きに加えて、使用中または動作中の装置の異なる向きを包含することが意図され得る。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴の「下方」または「下」と記載された要素は、他の要素または特徴の「上方」に向けられる。したがって、例示的な用語「下方」は、上方および下方の両方の向きを包含することができる。装置は、他の方向に向けられ(90度または他の向きに回転され)てもよく、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。
【0015】
ここで、添付の図面を参照して、例示的な実施形態をより完全に説明する。
【0016】
本開示の1つの例示的な実施形態によるスイッチング電力変換器が
図1に示されており、全体として参照番号100で示されている。
図1に示すように、スイッチング電力変換器100は、2つの電力スイッチング装置104、106を有する電力回路102と、電力スイッチング装置104、106を制御するために電力回路102に結合された制御回路108とを含む。制御回路108は、電力回路102の出力電圧Voutを検知し、相補クロック信号114、116に基づいてランプ信号110、112を生成し、それぞれランプ信号110、112および出力電圧Voutに基づいて、電力スイッチング装置104、106を制御するための制御信号118、120を生成する。
【0017】
制御回路108および/または本明細書に開示された他の制御回路のいずれかは、従来の制御回路と比較して、電力変換器の制御方式を単純化し、計算ストレスを低減する。例えば、制御回路は、多くの場合、厳しい負荷プロファイルを提供するように電力変換器を制御することを任されている。そのような例では、電力変換器は、変換器が厳しい負荷プロファイルに確実に準拠し、変化する負荷条件(例えば、全負荷電流、ピーク電力、負荷電流スルーレートなどの増加)下でクリーンでエラーのない電力を提供するようにパルス幅変調(PWM)を制御するための複雑な制御アルゴリズムおよび検知技術を採用する高性能マイクロコントローラでデジタル制御されることが多い。これは、マイクロコントローラの計算ストレス、および工学リソースの負担を増加させる可能性がある。しかしながら、本明細書で開示されるように、検知(例えば、サンプリングされる)された出力電圧およびランプ信号に基づいてPWMを制御することによって、マイクロコントローラにかかる計算ストレスおよび工学リソースの負担は、PWMを制御するためにマイクロコントローラに依存する従来の制御回路と比較して低減され得る。
【0018】
上述したように、クロック信号114、116は互いに相補的である。例えば、
図1に示すように、クロック信号114がハイであるとき、クロック信号116はローであり、クロック信号114がローであるとき、クロック信号116はハイである。そのような例では、クロック信号114、116は、互いに対して180度位相がずれていてもよい。
【0019】
さらに、いくつかの例では、相補クロック信号114、116の遷移間にデッドタイムが配置されてもよい。そのような例では、デッドタイムは、クロック信号114の遷移(例えば、低から高および/または高から低)と、クロック信号116の遷移(例えば、高から低および/または低から高)との間に置かれる。これは、両方のクロック信号114、116が同時にハイであり、両方の制御信号118、120が、それらの対応する電力スイッチング装置104、106をオンにする状態を防止することができる。
【0020】
いくつかの例では、クロック信号114、116は、制御信号118、120の周波数を設定することができる。例えば、以下でさらに説明するように、クロック信号114、116を使用して、制御信号118、120(例えば、PWM制御信号)のスイッチング周波数を固定値に直接制御することができる。そのような例では、制御信号118、120の周波数は、クロック信号114、116のパラメータを変更することによって調整することができる。他の例では、制御信号118、120の周波数は、他の適切な構成要素、技術などを使用して設定および/または調整することができる。
【0021】
図1の例では、クロック信号114、116は、異なる方法で生成および/または制御されてもよい。例えば、制御回路108は、クロック信号114、116を生成および/または制御するためのマイクロコントローラを含むことができる。いくつかの例では、制御回路108は、相補クロック信号114、116を生成および/または制御するための発振器回路などの1つ以上のクロック発生器を含むことができる。そのような例では、マイクロコントローラ、クロック発生器などは、以下でさらに説明するように、クロック信号114、116の周波数および/またはデューティサイクルを調整して、PWM制御信号118、120を変更して、電力回路102(および/または電力変換器100)の様々な動作条件に対応することができる。
【0022】
図1に示すように、ランプ信号110、112は、クロック駆動三角波である。例えば、ランプ信号110が増加(または減少)する一方で、ランプ信号112は減少(または増加)する。具体的には、
図1に示すように、ランプ信号110は、クロック信号114がハイであるときに増加し、クロック信号114がローであるときに減少する。同様に、ランプ信号112は、クロック信号116がハイのときに増加し、クロック信号116がローのときに減少する。そのような例では、ランプ信号110、112が増加および減少する速度は等しく、相補クロック信号114、116に基づく。
【0023】
図1の例では、ランプ信号110、112は様々な構成要素で生成され得る。例えば、ランプ信号110、112の正方向部分および負方向部分は、ランプ信号を生成するために一般的に使用される1つ以上の電流源、コンデンサ、および/または他の構成要素を用いて生成することができる。
【0024】
制御信号118、120は、異なる動作条件に対して調整することができる。例えば、出力電圧Voutを規定値に調整することが望ましい場合がある。そのような例では、PWM制御信号118、120のデューティサイクルは、生成されたランプ信号110、112(例えば、基準電圧信号)および検知された出力電圧Voutに基づいて制御され、出力が調整されることを確実にすることができる。電力変換器100の動作状態が変化した場合(例えば、負荷状態の変化、出力調整など)、制御回路108は、クロック信号114、116の周波数および/またはデューティサイクルを調整することができる。その結果、クロック信号114、116に基づいて生成されるPWM制御信号118、120の周波数および/またはデューティサイクルも調整することができる。したがって、電力変換器100は、変化する動作条件に迅速に適応することができる。
【0025】
いくつかの例では、PWM制御信号118、120は、ランプ信号110、112と出力電圧Voutとの間の比較に基づいて生成されてもよい。そのような例では、制御回路108(および/または本明細書に開示される任意の他の制御回路)は、生成されたランプ信号と出力電圧とを比較するための1つ以上の比較器を含むことができる。
【0026】
例えば、
図2は、
図1の電力回路102と共に使用可能な制御回路208を示す。
図2の制御回路208は、
図1の制御回路108と実質的に同様であるが、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bを生成するための比較器U1、U2を含む。
【0027】
図2に示すように、制御回路208は、電力回路(例えば、
図1の電力回路102)の出力電圧Voutを検知する。
図2の特定の例では、制御回路208は、検知された出力電圧Voutを所望のレベルに低減するための抵抗R1、R2によって形成された分圧器を含む。低減された出力電圧はフィードバック信号VFBと呼ばれ、比較器U1、U2に提供される。
【0028】
また、制御回路208は、上述したように、相補クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bに基づいてランプ信号RAMP_A、RAMP_Bをそれぞれ生成する。例えば、制御回路208は、クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bを生成および/または制御するための1つ以上のマイクロコントローラ、クロック発生器などを含むことができる。
図2に示すように、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bは、クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bがハイであるときには正の傾きを含み、クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bがローであるときには負の傾きを含む。
【0029】
比較器U1、U2は、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bとフィードバック信号VFBとの比較に基づいてPWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bを生成する。具体的には、
図2に示すように、比較器U1は、ランプ信号RAMP_Aとフィードバック信号VFBとを比較して、PWM制御信号DRIVE_Aを生成する。同様に、比較器U2は、ランプ信号RAMP_Bとフィードバック信号VFBとを比較して、PWM制御信号DRIVE_Bを生成する。そのような例では、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bのデューティサイクルは、生成されたランプ信号RAMP_A、RAMP_B(例えば、基準電圧信号)および検知された出力電圧Voutに基づいて制御され、出力が調整されることを確実にすることができる。例えば、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bのピークツーピーク電圧を調整して、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bのデューティサイクルを変更してもよい。
【0030】
図2のPWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bは、誤差信号および/または誤差増幅器に依存することなく生成することができる。例えば、
図2に示すように、比較器U1、U2には、フィードバック信号VFBと、ランプ信号RAMP_A、RAMP_B(例えば、基準信号)とが印加される。そのような例では、検知された出力電圧Voutおよびランプ信号は、比較器U1、U2の出力(PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_B)に直接影響を与える。したがって、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bは、従来の誤差信号および/または誤差増幅器を使用せずに比較器U1、U2によって生成される。
【0031】
PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bは、異なる動作条件に対して調整されてもよい。例えば、上述したように、クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bのデューティサイクルおよび/または周波数を調整することができる。結果として、比較器U1、U2によって生成されたPWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bの周波数および/またはデューティサイクルは、異なる動作条件を考慮するように調整することができる。
【0032】
比較器U1、U2は、任意の適切なタイプの比較器であってもよい。例えば、比較器U1、U2の一方または両方は、専用の電圧比較器、演算増幅器などであってもよい。いくつかの好ましい実施形態では、比較器U1、U2は高速比較器であってもよい。そのような例では、比較器U1、U2は、約60ナノ秒未満の伝搬遅延時間を有することができる。いくつかの例では、伝搬遅延時間は、38ナノ秒~55ナノ秒の範囲であり得る。他の例では、比較器U1、U2は低速比較器であってもよく、数百ナノ秒を超える伝搬遅延時間を有してもよい。
【0033】
いくつかの例では、本明細書に開示される制御回路は、生成されたPWM制御信号の周波数を設定するための1つ以上のスイッチング装置を含むことができる。例えば、制御回路は、相補クロック信号に基づいて制御される1つ以上のスイッチング装置を含むことができる。そのような例では、スイッチング装置は、比較器(例えば、
図2の比較器U1、U2)および/またはPWM制御信号を生成する他の適切な構成要素と共に使用されてもよい。
【0034】
例えば、
図3は、
図1の電力回路102と共に使用可能な制御回路308を示す。
図3の制御回路308は、
図2の制御回路208と実質的に同様であるが、制御スイッチング装置を含む。具体的には、制御回路308は、2つの制御スイッチング装置SW1、SW2と、上述したように、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bと検知された出力電圧Vout(例えば、フィードバック信号VFB)との間の比較に基づいてPWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bを生成するための
図2の比較器U1、U2とを含む。
図3に示すように、制御スイッチング装置SW1、SW2は、比較器の出力に結合される。具体的には、制御スイッチング装置SW1は比較器U1の出力に接続され、制御スイッチング装置SW2は比較器U2の出力に接続される。
【0035】
図3の例では、制御回路308は、生成された制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bの周波数を制御スイッチング装置SW1、SW2で制御することができる。例えば、
図3に示すように、制御回路308は、ランプ信号RAMP_A、RAMP_B(例えば、基準電圧信号)の生成に用いられたものと同じクロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bでスイッチング装置SW1、SW2を制御する。このように、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bの周波数は、クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bによって直接制御されてもよい。これにより、クロック駆動のスイッチング装置SW1、SW2によって、正確な固定周波数動作を実現することができる。
【0036】
さらに、クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bは、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bのデューティサイクルを制御するために使用されてもよい。例えば、クロック信号CLOCK_A(またはクロック信号CLOCK_B)がハイのとき、スイッチング装置SW1(またはスイッチング装置SW2)は、PWM制御信号DRIVE_A(またはPWM制御信号DRIVE_B)を強制的にロー状態にするクローズ動作を行う。このように、クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bのハイ時間を使用して、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bの最小オフ時間を確立することができる。これにより、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bのデューティサイクルを最大化することができる。これは、始動時および過渡状態中、ならびに(電力回路に使用される場合)変圧器の飽和を防止するために重要であり得る。
【0037】
いくつかの例では、本明細書に開示される制御回路は、PWM制御信号を生成する前にランプ信号を修正することができる。例えば、制御回路は、ランプ信号を1つ以上の基準電圧に導入して、ランプ信号を基準電圧の中心にさせることができる。そのような例では、制御回路は、修正ランプ信号(例えば、基準電圧(複数可)に導入されるランプ信号)に基づいてPWM制御信号を生成することができる。
【0038】
例えば、
図4は、
図1の電力回路102と共に使用可能な制御回路408を示す。
図4の制御回路408は、
図2の制御回路208と実質的に同様であるが、基準電圧VREFを含む。具体的には、
図4に示すように、制御回路408は、
図2および
図3の比較器U1、U2と、基準電圧VREFと、基準電圧VREFとランプ信号RAMP_A、RAMP_Bとの間にそれぞれ結合された抵抗R3、R4とを含む。基準電圧VREFは、抵抗R3の両端の電圧降下により基準電圧VREF_Aに低下し、抵抗R4の両端の電圧降下により基準電圧VREF_Bに低下する。
【0039】
図4の特定の例では、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bがそれぞれ基準電圧VREF_A、VREF_Bに導入される。例えば、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bは、基準電圧VREF_A、VREF_Bによってバイアスされ、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bが基準電圧VREF_A、VREF_Bの中心にされる。バイアスされたランプ信号は、修正ランプ信号RAMP_A1、RAMP_B1と呼ばれる。
【0040】
図4に示すように、比較器U1、U2は、修正ランプ信号RAMP_A1、RAMP_B1および検知された出力電圧Voutに基づいてPWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bを生成する。具体的には、比較器U1は、修正ランプ信号RAMP_A1とフィードバック信号VFBとを比較して、PWM制御信号DRIVE_Aを生成する。同様に、比較器U2は、修正ランプ信号RAMP_B1とフィードバック信号VFBとを比較して、PWM制御信号DRIVE_Bを生成する。そのような例では、修正ランプ信号RAMP_A 1、RAMP_B1は、生成されたPWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bの正確で一貫したパルス幅を維持し、関連する電力回路(例えば、本明細書に開示される電力回路のうちの任意の1つ)の出力電圧を調整するための基準電圧信号として機能する。
【0041】
基準電圧VREFおよび抵抗R3、R4は、所望の出力調整に基づいて選択および/または調整することができる。例えば、基準電圧VREFおよび/または抵抗R3、R4の値は、比較器U1、U2に提供される修正ランプ信号RAMP_A 1、RAMP_B1を変更するように選択および/または調整されてもよい。結果として、基準電圧VREFおよび抵抗R3、R4は、様々な制御アルゴリズム(例えば、ドループ電流共有、アクティブ電流共有など)および遠隔電圧検知のための正確な出力調整制御を達成するように選択および/または調整することができる。
【0042】
図5は、
図1の電力回路102と共に使用可能な制御回路508を示す。
図5の制御回路508は、
図4の制御回路408と実質的に同様であるが、
図3の制御スイッチング装置SW1、SW2を含む。具体的には、
図5に示すように、制御回路508は、
図2から
図4の比較器U1、U2と、
図4の基準電圧VREFと、
図4の抵抗R3、R4と、比較器U1、U2の出力に結合された
図3の制御スイッチング装置SW1、SW2とを含む。
図5の例では、比較器U1、U2は、検知された(例えば、サンプリングされる)出力電圧Voutと、基準電圧VREF_A、VREF_Bを中心とするクロック駆動ランプ信号とを比較し、本明細書で説明するように、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bを生成する。また、スイッチング装置SW1、SW2は、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bの固定周波数を設定するための相補クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bによって制御される。したがって、正確な固定周波数および出力調整を達成することができる。
【0043】
図6は、定常状態条件下での
図5の比較器U1、U2の動作波形を示す。波形は、1つの完全なサイクルにわたって示されており、時間間隔t1、t2、t3、t4に分割されている。
図6の例では、PWM制御信号DRIVE_A、DRIVE_Bは同じパルス幅を有し、位相が180度ずれている。
【0044】
図6に示すように、時間間隔t1の開始時にクロック信号CLOCK_Aはハイからローに遷移し、クロック信号CLOCK_Bはローからハイに遷移する。クロック信号CLOCK_Aのハイからローへの遷移は、PWM制御信号DRIVE_Aのオン時間の開始をトリガする。時間間隔t1の間、比較器U1は、フィードバック信号VFB(例えば、サンプリングされた出力電圧Vo)を修正ランプ信号RAMP_A1と比較する。修正ランプ信号RAMP_A1がフィードバック信号VFBよりも大きいとき、PWM制御信号DRIVE_Aはハイとなる。したがって、時間間隔t1の間、PWM制御信号DRIVE_Aによって制御されるスイッチング装置はオンであり、関連する電力回路は出力(例えば、負荷)に電力を供給することができる。
【0045】
PWM制御信号DRIVE_Aは、修正ランプ信号RAMP_A1が時間間隔t2でフィードバック信号VFBと交差するまでハイのままである。例えば、修正ランプ信号RAMP_A1がフィードバック信号VFBを下回ると、比較器U1の出力(例えば、PWM制御信号DRIVE_A)はロー状態に変化する。その結果、PWM制御信号DRIVE_Aによって制御されるスイッチング装置はオフになる。PWM制御信号DRIVE_Aは、時間間隔t4の終わりにおけるクロック信号CLOCK_Aの次のハイからローへの遷移までローのままである。
【0046】
時間間隔t3において、クロック信号CLOCK_Bがハイからローに遷移する。このクロック動作は、PWM制御信号DRIVE_Bのオン時間の開始をトリガする。例えば、時間間隔t3の間、比較器U2は、フィードバック信号VFBを修正ランプ信号RAMP_B1と比較する。修正ランプ信号RAMP_B1がフィードバック信号VFBよりも大きいとき、PWM制御信号DRIVE_Bはハイとなる。したがって、時間間隔t3の間、PWM制御信号DRIVE_Bによって制御されるスイッチング装置はオンであり、関連する電力回路は出力に電力を供給することができる。
【0047】
PWM制御信号DRIVE_Bは、修正ランプ信号RAMP_B1が時間間隔t4でフィードバック信号VFBと交差するまでハイのままである。例えば、修正ランプ信号RAMP_B1がフィードバック信号VFBを下回ると、比較器U2の出力(例えば、PWM制御信号DRIVE_B)はロー状態に変化する。その結果、PWM制御信号DRIVE_Bによって制御されるスイッチング装置はオフになる。
【0048】
図7は、
図5の制御回路508と同様の制御回路708を示しているが、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bを生成するための構成要素を含む。例えば、
図7の制御回路708は、比較器U1、U2、制御スイッチング装置SW1、SW2(例えば、MOSFETとして示されている)、基準電圧VREF、および
図5の抵抗R1~R4に加えて、コンデンサC1、C6および抵抗R5、R6を含む。クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bは、上述したように、制御スイッチング装置SW1、SW2を駆動する。
【0049】
クロック信号CLOCK_A、CLOCK_Bは、RC回路を介して比較器U1、U2の非反転入力に接続されている。RC回路は、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bを生成する。具体的には、クロック信号CLOCK_AはコンデンサC1および抵抗R5を通ってランプ信号RAMP_Aを生成し、クロック信号CLOCK_BはコンデンサC6および抵抗R6を通ってランプ信号RAMP_Bを生成する。
【0050】
図7に示すように、基準電圧VREFは、抵抗R3、R4を介して両方の非反転比較器入力をバイアスしている。同時に、RC回路(例えば、抵抗R5、R6およびコンデンサC1、C6)は、ランプ信号RAMP_A、RAMP_Bを同じ比較器入力に重畳する。これにより、上述したように、比較器U1、U2の非反転入力において修正ランプ信号RAMP_A 1、RAMP_B1が生成される。
【0051】
さらに、制御回路708は、出力電圧リップルを低減し、クリーンなフィードバック信号VFBを維持するための任意選択のフィルタリング構成要素を含むことができる。例えば、
図7に示すように、制御回路708は、コンデンサC3、C4および抵抗R2、R8を有する任意選択のローパスフィルタリング回路を含む。抵抗R2およびコンデンサC3は高周波フィルタリングの第1段を提供し、抵抗R8およびコンデンサC4は追加のフィルタリングを提供する。
【0052】
いくつかの例では、基準電圧VREFを調整することが望ましい場合がある。一例として、基準電圧VREFの調整は、出力電圧較正、電流共有、遠隔検知、出力電圧トリミングなどに必要とされ得る。例えば、
図8は、
図4、
図5、および
図7の基準電圧VREFを調整するための回路830を示す。
【0053】
図8に示すように、回路830は、抵抗R11、R12、R13、R16、コンデンサC5、C8、C9、ツェナーダイオードD3、および入力VREF_ADJを含む。
図8の例では、入力VREF_ADJはマイクロコントローラ(例えば、マイクロコントローラのPWM出力)に結合されてもよい。マイクロコントローラは、入力VREF_ADJにおける信号のデューティサイクルを変更することができる。この信号は、基準電圧VREFの設定に用いられる規定された電圧VCCを調整してもよい。
【0054】
本明細書に開示される制御回路は、2つの相補的な制御信号(例えば、駆動信号)に依存する任意の適切な変換器トポロジと共に使用されてもよい。このように、本明細書で開示される電力回路は、例えば、インタリーブされた2トランジスタフォワード(ITTF)トポロジ、ハーフブリッジトポロジ、フルブリッジトポロジ、プッシュプルトポロジなどを含む様々な異なる変換器トポロジを含むことができる。例えば、制御回路によって生成されたPWM制御信号は、電力スイッチング装置が互いに対して180度位相がずれて動作するときに、電力回路のフォワード部分の電力スイッチング装置を駆動するために使用され得る。これは、インタリーブされたトポロジにおいて特に有用であり得る。さらに、制御回路は、絶縁または非絶縁の電力変換器を用いて実装されてもよい。例えば、生成された制御信号は、それらの対応する電力回路(複数可)から電気的に絶縁されてもよい。
【0055】
例えば、
図9は、ITTFトポロジを有する電力回路902と、
図5の制御回路508とを含むスイッチング電力変換器900を示す。
図9に示すように、電力回路902は、電力スイッチング装置SW3、SW4と、電力スイッチング装置SW3、SW4に結合されたダイオードD1、D2とを有するサブ回路904(例えば、1つの位相)と、電力スイッチング装置SW5、SW6と、電力スイッチング装置SW5、SW6に結合されたダイオードD3、D4とを有するサブ回路906(例えば、別の位相)とを含む。
図9の例では、サブ回路904の電力スイッチング装置SW3、SW4は、制御回路508によって生成されるPWM制御信号DRIVE_Aによって制御され、サブ回路906の電力スイッチング装置SW5、SW6は、制御回路508によって生成されるPWM制御信号DRIVE_Bによって制御される。他の例では、電力スイッチング装置SW3~SW6は、本明細書に開示される他の制御回路のいずれか1つによって生成されるPWM制御信号によって制御されてもよい。
【0056】
図9に示すように、電力回路902は、整流回路908と、整流回路908とサブ回路904、906との間に結合された変圧器T1とをさらに含む。整流回路908は、サブ回路904に関連付けられたダイオードD5と、サブ回路906に関連付けられたダイオードD6と、還流ダイオードD7とを含む。
【0057】
本明細書で開示される制御回路は、アナログ制御回路、デジタル制御回路、またはハイブリッド制御回路(例えば、デジタル制御回路およびアナログ回路)を含んでもよい。デジタル制御回路は、1つ以上の種類のデジタル制御回路で実装されてもよい。例えば、デジタル制御回路はそれぞれ、デジタル信号コントローラ(DSC)、デジタル信号プロセッサ(DSP)、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、特定用途向けIC(ASIC)などのデジタルコントローラを含むことができる。したがって、本明細書に開示される制御方法のいずれか1つは、デジタルコントローラによって少なくとも部分的に実行されてもよい。
【0058】
例えば、本明細書に開示される制御回路のいずれか1つは、マイクロコントローラおよびアナログ制御部品を含むことができる。そのような例では、マイクロコントローラを使用して、上述のようにクロック信号、基準電圧VREFなどを生成および/または制御することができ、アナログ制御部品(例えば、比較器など)を使用して、クロック信号に基づいて制御信号を生成することができる。アナログ制御部品は、以下でさらに説明するように、制御回路に優れた過渡応答およびループ安定性特性を提供することができる。マイクロコントローラは、上述したように様々な動作条件に対してクロック信号の周波数および/またはデューティサイクルを調整することによって、動作周波数の正確な制御を提供することができる。さらに、マイクロコントローラは、障害保護を提供し、電力回路のソフト始動および出力立ち上がり時間制御を支援し、電力変換器の動作が変化した場合に柔軟性を提供することなどができる。
【0059】
本明細書に開示される教示は、様々な電源用途に使用することができる。例えば、制御回路は、AC/DC電源、DC/DC電源などの電力回路(例えば、ITTFトポロジを有する電力回路)を制御するために使用されてもよい。電源は、例えば、2400W電源などを含んでもよい。いくつかの例では、制御回路は、サーバ電源用途の電力回路を制御するために使用されてもよい。
【0060】
本明細書で開示される制御方法を使用することにより、電力変換器が厳しい負荷プロファイルに準拠することを保証するために、ランプ信号およびクロック信号に基づいてPWM制御が達成される。このように、制御回路の設計は、計算ストレスを軽減し、それらのマイクロコントローラの電力要件を低減しながら簡略化することができる。したがって、速度が低下した低コストのマイクロコントローラを制御回路で実装することができる。
【0061】
さらに、制御方法は、サンプリングされた出力電圧の高速フィードバック経路を提供し、サンプリングされた出力電圧でPWM制御信号のパルス幅およびデューティサイクルを直接制御することによって、自己補償技術を使用することができる。したがって、所望の特性を達成するように制御ループを調整する制御ループ補償(例えば、PID型制御計算など)は必要とされない。
【0062】
サンプリングされた出力電圧の高速フィードバック経路、ならびにパルス幅およびデューティサイクルの直接制御は、優れた過渡応答を提供することができる。例えば、負荷が約10A/usのスルーレートで20Aから100Aに上昇すると、出力電圧は1または2サイクルにわたって低下する可能性がある。そのようなシナリオでは、PWM制御信号は、完全なデューティサイクルを有するように調整することができる。これにより、負荷の変化による電流の立ち上がりに伴って出力電圧が回復する。同様に、PWM制御信号は、負荷が低下したときに、より低いデューティサイクルを有するように調整することができる。
【0063】
さらに、過渡応答は、高い利得帯域幅および利得/位相マージンを維持しながら達成され得る。試験は、負荷が20Aから190Aに変化するとき、利得マージンが13~15dBの間にあり、位相マージンが46~59度の間にあり、利得帯域幅が8~12kHzの間にあることを示している。例えば、以下の表1に示すように、負荷が20Aの場合、利得マージンは15dB、位相マージンは59度、利得帯域幅は8.73 kHzである。利得帯域幅および利得/位相マージンは、負荷が変化したときに実質的に維持される。例えば、負荷が100Aに増加した場合、表1に示すように、利得マージンは14.2dB、位相マージンは45度、利得帯域幅は9.96である。50Aおよび190Aでの負荷の試験結果も表1に示す。
【0064】
また、電力回路内の出力コンデンサのESRに依存する場合であっても、制御回路の安定性を管理することができる。例えば、サーバ電源用途では、出力コンデンサESRは、制御回路の安定動作を維持するために十分に高くてもよい。例えば、約8mオームの典型的なESR値を有するポリマーアルミニウムコンデンサを使用することができる。このような例では、優れた過渡応答および安定したループ制御が達成され得る。
【0065】
実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提供されている。網羅的であること、または本開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、一般に、その特定の実施形態に限定されず、適用可能な場合には交換可能であり、具体的に図示または説明されていなくても、選択された実施形態で使用することができる。これはまた、多くの方法で変更されてもよい。そのような変形は、本開示からの逸脱と見なされるべきではなく、すべてのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。
【外国語明細書】