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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-22
(45)【発行日】2022-08-30
(54)【発明の名称】多相変換器システムおよび制御方法
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20220823BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 W
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2020534799
(86)(22)【出願日】2018-08-30
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-11-12
(86)【国際出願番号】 US2018048679
(87)【国際公開番号】W WO2019046507
(87)【国際公開日】2019-03-07
【審査請求日】2021-08-23
(31)【優先権主張番号】62/552,459
(32)【優先日】2017-08-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/117,014
(32)【優先日】2018-08-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】520069903
【氏名又は名称】アクティブ－セミ（ビーブイアイ）・インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100120112
【氏名又は名称】中西 基晴
(74)【代理人】
【識別番号】100162846
【弁理士】
【氏名又は名称】大牧 綾子
(72)【発明者】
【氏名】トリッチー，ナラシンハン
(72)【発明者】
【氏名】ノガワ，マサシ
【審査官】柳下 勝幸
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００７／０１３２５０８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２８０５５６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－１４７２６９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ３／００ － ３／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の電力相を備える電力変換器を提供することであって、各電力相が、電力段および対応する制御回路を備え、
前記複数の電力相の出力が、互いに接続され、
各電力段は、トリガー信号に応答して前記対応する制御回路によって生成されるパルス幅変調信号を使用して、一定のオン時間および最小オフ時間の制御方式によって制御される、提供することと、
トークンを前記複数の電力相の間で順次通過させることによって、前記複数の電力相をインターリーブ手法で動作させるように構成することであって、前記トークンが、前記トークンを所有する電力相のハイサイドスイッチをオンにできるようにするイネーブル機能を表し、前記ハイサイドスイッチの最小オフ時間の後、前記トークンは次の電力相に通過される、構成することと、を含む方法。
【請求項2】
前記複数の電力相が、第１のコントローラおよび第２のコントローラによって制御され、前記第１のコントローラが、マスターとして構成され、前記第２のコントローラが、スレーブとして構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記マスターによって制御される前記電力相が、前記スレーブによって制御される前記電力相よりも早くオンになる、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記マスターによって制御される前記電力相が、順次オンになり、前記スレーブによって制御される前記電力相が、順次オンになる、請求項２に記載の方法。
【請求項5】
前記トークンが、所定の手法で前記マスターによって制御される異なる相の間で移転され、前記トークンが、所定の手法で前記スレーブによって制御される異なる相の間で移転される、請求項２に記載の方法。
【請求項6】
前記マスターが制御する最後の電力相が終了するときに、前記トークンが、前記マスターから前記スレーブにリリースされる、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
各電力相が、ステップダウン電力変換器を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記複数の電力相が、単一のコントローラによって制御され、前記トークンが、カウンタによって異なる相の間で移転される、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記カウンタが、第１の電力相から最後の電力相までラウンドロビン流儀で前記トークンを手渡すように構成され、前記最後の電力相が終了した後に、このプロセスを繰り返す、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
トークンを複数の電力相の間で順次通過させることによって、電力変換器の前記複数の電力相をインターリーブ手法で動作させるように構成することと、第１の電力相が、前記トークンを所有し、前記第１の電力相の制御回路からトリガー信号を受け取った後に、前記第１の電力相をオンにするために、第１のパルス幅変調信号を生成することと、
前記第１の電力相の所定の最小オフ時間の後に、前記トークンを第２の電力相に通過させて、前記第２の電力相を有効にすることと、
前記第２の電力相の所定の最小オフ時間の後に、前記複数の電力相の最後の電力相が前記トークンを所有するまで、前記トークンを順次通過させることと、
前記最後の電力相が終了した後に、前記トークンを前記第１の電力相に転送することと、を含む方法。
【請求項11】
各電力相が、電力段および対応する制御回路を含み、前記複数の電力相の出力が、互いに接続される、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記トークンが、前記トークンを所有する電力相のハイサイドスイッチをオンにできるようにするイネーブル機能を表す、請求項１０に記載の方法。
【請求項13】
各電力相が、一定のオン時間電力変換器を含み、前記一定のオン時間電力変換器が、入力電源とグランドとの間に直列に接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチと、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの共通ノードと、前記一定のオン時間電力変換器の出力との間に接続されたインダクタと、を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項14】
前記複数の電力相が、第１のコントローラおよび第２のコントローラによって制御され、前記第１のコントローラが、マスターとして構成され、前記第２のコントローラが、スレーブとして構成され、
前記マスターによって制御される前記電力相が、前記スレーブによって制御される前記電力相よりも早くオンになり、
前記マスターによって制御される最後の電力相が終了するときに、前記トークンが、前記マスターから前記スレーブにリリースされる、請求項１０に記載の方法。
【請求項15】
前記複数の電力相が、単一のコントローラによって制御され、前記トークンが、カウンタによって異なる相の間で移転され、
前記カウンタが、前記第１の電力相から前記最後の電力相までラウンドロビン流儀で前記トークンを手渡すように構成され、前記最後の電力相が終了した後に、このプロセスを繰り返す、請求項１０に記載の方法。
【請求項16】
入力電源と出力端子との間に接続された複数の電力相であって、各電力相が、一定のオン時間および最小オフ時間の電力変換器を含む、複数の電力相と、トリガー信号に応答して前記複数の電力相の一定のオン時間および最小オフ時間のゲート駆動信号を生成するように構成されたコントローラであって、前記複数の電力相が、前記複数の電力相の間でトークンを順次通過させることによって、インターリーブ手法で動作するように構成され、
前記トークンが、前記コントローラによって生成され、前記トークンは前記複数の電力相の間で通過され、
前記トークンが、前記トークンを所有する電力相をオンにすることを許可するためのイネーブル機能を表し、
前記トークンを所有する前記電力相の所定の最小オフ時間の後に、前記トークンは次の電力相に通過される、コントローラと、を備えるシステム。
【請求項17】
前記コントローラが、第１の制御ユニットおよび第２の制御ユニットを備え、複数の第１の電力相が、前記第１の制御ユニットによって制御され、複数の第２の電力相が、前記第２の制御ユニットによって制御され、
前記第１の制御ユニットが、マスターとして構成され、前記第２の制御ユニットが、スレーブとして構成される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項18】
前記第１の電力相が、前記第２の電力相よりも早くオンになる、請求項１７に記載のシステム。
【請求項19】
前記コントローラが、カウンタを備え、前記カウンタが、第１の電力相から最後の電力相までラウンドロビン流儀で前記トークンを手渡すように構成され、前記最後の電力相が終了した後に、このプロセスを繰り返す、請求項１６に記載のシステム。
【請求項20】
前記一定のオン時間および最小オフ時間の電力変換器が、入力電源とグランドとの間に直列に接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチと、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの共通ノードと、出力コンデンサとの間に接続されたインダクタと、を備える、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１８年８月３０日に出願された「Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国非仮出願第１６／１１７，０１４号、および２０１７年８月３１日に出願された「Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国仮出願第６２／５５２，４５９号に関連し、それらに対する優先権を主張し、該出願は参照により本明細書に組み込まれる。
この出願は、２０１８年８月３０日に出願された「Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国非仮出願第１６／１１７，０１４号、および２０１７年８月３１日に出願された「Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の米国仮出願第６２／５５２，４５９号に関連し、それらに対する優先権を主張し、該出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、多相変換器の制御方式に関し、特定の実施形態では、多相変換器のインターリーブ動作制御方式に関する。
【背景技術】
【0003】
技術がさらに進歩するにつれて、携帯電話、タブレットＰＣ、デジタルカメラ、ＭＰ３プレーヤーなどの様々な電子デバイスが普及してきている。各電子デバイスは、電子デバイスによって引き出される電流が広範囲にわたって変化する場合でも、指定された許容範囲内で調整され得る、実質的に一定の電圧の直流電力を必要とする。指定された許容範囲内に電圧を維持するために、電子デバイスに結合された電力変換器（例えば、スイッチングＤＣ／ＤＣ変換器）は、様々な負荷過渡下で安定した出力電圧を維持しながら、非常に高速な過渡応答を提供する。
【0004】
一定のオン時間方式などのヒステリシスベースの電力変換器制御方式により、電力変換器は高速過渡応答を提供できる。一定のオン時間制御方式を採用する降圧変換器は、エラーアンプを必要としない。実際、単純な一定のオン時間回路は、フィードバック比較器とオンタイマーのみで構成され得る。動作中、電力変換器（例えば、降圧変換器）のフィードバック回路は、ｄｃ電圧とリップル電圧の両方を含むフィードバック信号を内部基準と直接比較する。フィードバック信号が内部基準を下回ると、電力変換器のハイサイドスイッチがオンになり、オンタイマーの期間、オンのままになる。ハイサイドスイッチをオンにした結果、電力変換器のインダクタ電流が増加する。電力変換器のハイサイドスイッチは、オンタイマーが切れるとオフになり、フィードバック信号が再び内部基準を下回るまでオンにならない。要するに、一定のオン時間制御方式が電力変換器で採用される場合、電力変換器のハイサイドスイッチのオン時間はオンタイマーによって終了する。電力変換器のハイサイドスイッチのオフ時間は、フィードバック比較器によって終了する。
【0005】
一定のオン時間制御方式を採用している電力変換器は、設計が簡単である。ただし、一定のオン時間制御方式には望ましくない反応がある。例えば、従来の多相変換器のインターリーブ動作は、クロック信号を相シフトすることで簡単に実現できる。一定のオン時間制御方式を採用した多相変換器は、クロック信号に同期していない。そのため、一定のオン時間ベースの多相変換器をインターリーブ手法で動作するように構成することは困難である。
【0006】
インターリーブ手法で動作するように一定のオン時間多相変換器を構成するための制御方法を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【0007】
特定の実施形態では、制御方式は、一定のオン時間制御方式を採用する多相変換器を構成して、インターリーブ手法で動作させることができる。
【0008】
実施形態によれば、方法は、複数の電力相を備える電力変換器を提供することであって、各電力相が、電力段および対応する制御回路を備え、複数の電力相の出力が、互いに接続され、少なくとも１つの電力段が、一定のオン時間制御方式によって制御される、提供することと、トークンを複数の電力相の間で順次通過させることによって、複数の電力相をインターリーブ手法で動作させるように構成することであって、トークンが、トークンを所有する電力相のハイサイドスイッチをオンにできるようにするイネーブル機能を表す、構成することと、を含む。
【0009】
別の実施形態によれば、方法は、トークンを複数の電力相の間で順次通過させることによって、電力変換器の複数の電力相をインターリーブ手法で動作させるように構成することと、第１の電力相が、トークンを所有し、第１の電力相の制御回路からトリガー信号を受け取った後に、第１の電力相をオンにすることと、第１の電力相が終了した後に、トークンを第２の電力相に通過させることと、複数の電力相の最後の電力相がトークンを所有するまで、トークンを順次通過させることと、最後の電力相が終了した後に、トークンを第１の電力相に転送することと、を含む。
【0010】
さらに別の実施形態によれば、システムは、入力電源と出力端子との間に接続された複数の電力相であって、各電力相が、一定のオン時間電力変換器を含む、複数の電力相と、複数の電力相のゲート駆動信号を生成するように構成されたコントローラであって、複数の電力相が、複数の電力相の間でトークンを順次通過させることによって、インターリーブ手法で動作するように構成され、トークンが、コントローラによって生成され、トークンが、トークンを所有する電源相をオンにすることを許可するためのイネーブル機能を表す、コントローラとを備える。
【0011】
本開示の好ましい実施形態の利点は、インターリーブ手法で動作するように一定のオン時間多相変換器を構成することにより、一定のオン時間電力変換器の性能を改善することである。
【0012】
上記は、次の本発明の詳細な記述がよりよく理解され得るように、本発明の特徴および技術的利点をかなり広く概説した。本発明の追加の特徴および利点は、以下に記載され、本発明の特許請求の範囲の主題を形成する。開示された概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を成し遂げるための他の構造またはプロセスを改変または設計するための基礎として容易に利用できることを当業者は理解すべきである。また、そのような同等の構造は、添付の特許請求の範囲に述べた本発明の趣旨および範囲から逸脱しないことも当業者によって認識されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【0013】
本発明およびその利点をより完全に理解するために、添付の図面と併せて次の記述を参照する。
【0014】
【図1A】本開示の様々な実施形態による、一定のオン時間制御方式を採用する４相変換器の第１の実装形態の概略図を示す。
【図1B】本開示の様々な実施形態による、一定のオン時間制御方式を採用する４相変換器の第１の実装形態の概略図を示す。
【図5A】本開示の様々な実施形態による、一定のオン時間制御方式を採用する４相変換器の第２の実装形態の概略図を示す。
【図5B】本開示の様々な実施形態による、一定のオン時間制御方式を採用する４相変換器の第２の実装形態の概略図を示す。
【0015】
異なる図中の対応する数字および記号は、特に明記しない限り、一般に対応する部分を指す。図は、様々な実施形態の関連する態様を明確に示すために描かれており、必ずしも縮尺通りに描かれていない。
【発明を実施するための形態】
【0016】
現在好ましい実施形態の作成および使用は、以下で詳細に論じられる。しかし、本発明は、多種多様な特有の状況で具体化できる多くの適用可能な発明概念を提供することを理解されたい。論じられた特有の実施形態は、本発明を作成および使用する特有の方法の単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【0017】
本発明は、特有の状況における好ましい実施形態、すなわち、一定のオン時間制御方式を採用する多相変換器のインターリーブ動作を達成するための制御方法に関して説明される。しかしながら、本発明は、様々な電力変換器にも適用され得る。以下、添付図面を参照して、様々な実施形態を詳細に説明する。
【0018】
図１は、本開示の様々な実施形態による、一定のオン時間制御方式を採用する４相変換器の第１の実装形態の概略図を示す。図１には、図１Ａと図１Ｂが含まれている。記述全体を通じて、図１Ａと図１Ｂをまとめて図１と呼ぶ。４相変換器１００は、入力電源ＶＩＮと出力ＶＯＵＴとの間に結合された４つの相を含む。各相は、電力段とその対応する制御回路で構成されている。
【0019】
入力電源ＶＩＮと電力段との間を低抵抗で接続するために、入力電源ＶＩＮの出力は、図１に示すように、４つの接続端子ＶＩＮ＿ＰＨ１、ＶＩＮ＿ＰＨ２、ＶＩＮ＿ＰＨ３、およびＶＩＮ＿ＰＨ４に分割されている。これらの４つの接続端子は、それぞれ４つの相の入力に接続されている。
【0020】
図１に示すように、４つの電力段、すなわち、第１の電力段１１０、第２の電力段１２０、第３の電力段１３０、および第４の電力段１４０があり得る。図１に示すように、４つの電力段は、入力電源ＶＩＮと出力ＶＯＵＴとの間に並列に接続されている。特に、４つの電力段の入力は接続端子を介して互いに接続され、さらに入力電源ＶＩＮに接続される。４つの電力段の出力は、一緒に接続され、さらに負荷および／または下流の電力変換器に接続される。
【0021】
いくつかの実施形態では、各電力段はステップダウン電力変換器（降圧変換器としても知られている）である。図１に示すように、４つの電力段１１０、１２０、１３０、および１４０は、同じ電力トポロジーを有する。不必要な繰り返しを回避するために、第１の電力段１１０の電力トポロジーのみを以下で詳細に論じる。
【0022】
第１の電力段１１０は、第１のスイッチＱ１、第２のスイッチＱ２、インダクタＬｏおよび出力コンデンサＣｏを含む。図１に示すように、第１のスイッチＱ１と第２のスイッチＱ２は、接続端子ＶＩＮ＿ＰＨ１とグランドＰＧＮＤ１との間に直列に接続されている。インダクタＬｏは、第１のスイッチＱ１および第２のスイッチＱ２の共通ノードと出力コンデンサＣｏとの間に接続されている。記述全体を通じて、第１のスイッチＱ１および第２のスイッチＱ２の共通ノードは、代替的にスイッチングノードＳＷ１と呼ばれる。第１の電力段１１０は、図１に示すように、スイッチングノードＳＷ１とブートストラップノードＶＢＳＴ＿ＰＨ１との間に接続されたブートストラップコンデンサをさらに含む。ブートストラップコンデンサの機能はよく知られているため、本明細書では論じない。
【0023】
いくつかの実施形態では、第１のスイッチＱ１および第２のスイッチＱ２は、図１に示すようにｎ型トランジスタとして実装される。第１のスイッチＱ１のゲートおよび第２のスイッチＱ２のゲートは、バッファおよびインバータを介して互いに接続され、さらに制御回路の出力に結合されている。
【0024】
異なる用途および設計ニーズに依存して、電流感知回路を採用し、４相変換器１００の性能をさらに改善することができる。図１に示すように、第１の電力段１１０の電流感知回路は、インダクタＬｏと並列に接続されている。図１に示すように、第１の電流感知回路ＩＳＮＳ１は、スイッチングノードＳＷ１と出力端子ＶＯＵＴとの間に直列に接続された抵抗器およびコンデンサを含む。第１の電流感知回路は、直流抵抗（ＤＣＲ）感知回路としても知られ、インダクタ巻線の寄生抵抗を使用して、インダクタを流れる電流を測定する。図１に示すように、電流感知信号はコンデンサの両端で検出される。ＤＣＲ感知回路の動作原理は周知であり、したがって、繰り返しを避けるために本明細書では論じない。
【0025】
４相変換器１００は、２つのコントローラ、すなわち第１のコントローラＩＣ１および第２のコントローラＩＣ２をさらに備える。図１に示すように、４つの電力段は、コントローラＩＣ１およびＩＣ２によって生成されたＰＷＭ信号によって制御される。特に、第１のコントローラＩＣ１からの第１のＰＷＭ信号ＰＷＭ１は、第１の電力段１１０の動作を制御するために採用される。第１のコントローラＩＣ１からの第２のＰＷＭ信号ＰＷＭ２は、第２の電力段１２０の動作を制御するために採用される。同様に、第２のコントローラＩＣ２からの第１のＰＷＭ信号ＰＷＭ１は、第３の電力段１３０の動作を制御するために採用される。第２のコントローラＩＣ２からの第２のＰＷＭ信号ＰＷＭ２は、４つの電力段１４０の動作を制御するために採用される。
【0026】
図１は、コントローラによって制御される２つの電力段を示していることに留意されたい。この図は単なる例であり、特許請求の範囲を過度に制限するものではない。当業者は、多くの変形、代替、および改変を認識するであろう。例えば、コントローラは、様々な用途および設計ニーズに依存して、任意の数の電力段を制御できる。
【0027】
第１のコントローラＩＣ１および第２のコントローラＩＣ２は、同じ機能ユニットを含む。簡単にするために、本明細書では第１のコントローラＩＣ１の構造のみを詳細に論じる。図１に示すように、第１のコントローラＩＣ１は、第１のフィードバックループユニット１１２、第２のフィードバックループユニット１２２、第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４、第２のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１２４、ならびに多相論理ユニット１１５を含む。
【0028】
いくつかの実施形態では、第２のフィードバックループユニット１２２は、第１のフィードバックループユニット１１２と同じ構造を有する。第２のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１２４は、第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４と同じ構造を有する。簡単にするために、第１のフィードバックループユニット１１２および第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４の構造のみが本明細書で詳細に論じられる。
【0029】
第１のフィードバックループユニット１１２および第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４は、図１に示すようにカスケード接続されている。第１のフィードバックループユニット１１２は、スイッチングノード電圧ＳＷ１Ｋ、出力電圧ＶＯＵＴ１Ｋ、第１のグランド電圧ＧＮＤ１Ｋ、フィードバックループ出力信号ＶＣＯＭＰＩＮおよび電流感知信号ＩＳＮＳ１を含む複数の制御信号を受け取るように構成される。
【0030】
いくつかの実施形態では、ＳＷ１Ｋは、第１の電力段１１０のＱ１およびＱ２の共通ノードから測定される。ＶＯＵＴ１Ｋは、第１の電力段１１０の出力コンデンサにかかる電圧である。ＧＮＤ１Ｋは、第１の電力段１１０の電力グランド面から測定される。フィードバックループ出力信号ＶＣＯＭＰＩＮは、第１フィードバックループユニット１１２の比較器の出力信号である。電流感知信号ＩＳＮＳ１は、第１の電力段１１０の第１の電流感知回路のコンデンサにかかる電圧である。
【0031】
第１のフィードバックループユニット１１２はまた、多相論理ユニット１１５から多相動作制御信号ＭＬ１を受け取る。多相論理ユニット１１５はまた、図１に示すように、第２のフィードバックループユニット１２２のための多相動作制御信号ＭＬ２を生成する。
【0032】
第１のフィードバックループユニット１１２は、出力電圧を監視し、検出された出力電圧が所定の基準を下回るときにハイサイドスイッチＱ１をオンにするために使用される。特に、第１のフィードバックループユニット１１２は、トリガー信号Ｔｒｉｇ１を生成し、このトリガー信号を第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４に供給する。第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４は、トリガー信号Ｔｒｉｇ１および多相論理ユニット１１５からのトークンに基づいてＰＷＭ信号ＰＷＭ１を生成する。第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４は、第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４がトリガー信号Ｔｒｉｇ１を受け取り、トークンを所有しない限り、ハイサイドスイッチＱ１をオンにするＰＷＭ信号を生成しない。異なるフェーズ間でのトークン移転制御方式については、多相論理ユニット１１５に関して詳細に記載する。
【0033】
第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４がトークンを所有し、トリガー信号Ｔｒｉｇ１を受け取った後、第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４は、ハイサイドスイッチＱ１をオンにするためにターンオン信号を生成する。ハイサイドスイッチＱ１がオンにされた後、ハイサイドスイッチＱ１のターンオン時間は、第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４のオンタイマーによって決定される。
【0034】
いくつかの実施形態では、第１のフィードバックループユニット１１２は、出力電圧ＶＯＵＴに結合された分圧器、誤差増幅器、補償ネットワーク、所定の基準、および比較器を含む。代替実施形態では、第１のフィードバックループユニット１１２は、性能をさらに改善するためのランプ発生器を備えてもよい。さらに、制御回路のコストを低減するために、第１のフィードバックループユニット１１２は、誤差増幅器および関連する補償ネットワークを含まなくてもよい。一定のオン時間制御方式を採用する変換器のフィードバックループユニットの動作原理はよく知られているため、本明細書では詳細には論じない。
【0035】
第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４は、オン時間制御装置および最小オフ時間制御装置を含む。オン時間制御装置は、電流源、コンデンサ、スイッチ、所定の基準、および比較器を備えてもよい。電流源はコンデンサの充電に使用される。比較器は、電流源の電圧を所定の基準と比較する。比較器の出力は、ハイサイドスイッチＱ１のターンオフをトリガーするために使用される。オン時間は、電流源からの電流を調整するか、所定の基準を調整することによって調整できる。一定のオン時間制御方式を採用する変換器のオン時間制御装置の動作原理は周知であるため、本明細書では詳細に論じない。
【0036】
最小オフ時間制御装置は、ハイサイドスイッチＱ１のオフ時間を制御するために採用される。ハイサイドスイッチＱ１の最小オフ時間は、入力電圧、出力電圧、相数などの様々な要因によって決定される。最小オフ時間制御により、負荷の高速過渡中にインダクタが飽和するのを防ぐことができる。加えて、最小オフ時間制御は、多相電力変換器の出力電圧／電流リップルの低減に役立つ場合がある。
【0037】
動作中、多相動作制御信号は、他の電力段に適用される他の多相動作制御信号と調整され、インターリーブ動作を達成するために、４つの電力段のハイサイドスイッチに適用されるＰＷＭ信号のリーディングエッジが互い違いの間隔で発生するようにする。このようなインターリーブ動作は、最小化された電磁干渉（ＥＭＩ）で高出力電力を達成するのに役立つ。
【0038】
第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４は、第１のフィードバックループユニット１１２から出力信号Ｔｒｉｇ１を受け取るように構成される。加えて、第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４はまた、多相論理ユニット１１５から２つの信号ＰＨ１ＯＮおよびＰＨ１２ＬＡＴＣＨを受け取る。受け取った信号に基づいて、第１のオン時間および最小オフ時間制御ユニット１１４は、第１のＰＷＭ信号ＰＷＭ１を生成する。
【0039】
４相変換器１００のインターリーブ動作を達成するために、図１に示す４つの電力段がラウンドロビン流儀でオンにされる。言い換えると、一度にオンにできるのは１つの相のみである。このようなラウンドロビン流儀では、インターリーブ動作が結果として生じる。第１のコントローラＩＣ１の多相論理ユニット１１５および第２のコントローラＩＣ２の多相論理ユニット１３５は、インターリーブ動作を達成するために４つの相を制御するために使用される。
【0040】
相の間の通信に使用される信号は、ＭＡＳＴＥＲ、ＥＮＰＨ１２、ＥＮＰＨ３４、およびＶＣＯＭＰ１ＯＵＴである。ＭＡＳＴＥＲ信号は、各コントローラＩＣをマスターまたはスレーブとして構成するために使用される。コントローラＩＣのマスターピンがグランドに固定されている場合、このコントローラＩＣはスレーブとしてふるまう。一方、コントローラＩＣのＭＡＳＴＥＲ信号が浮動のままか、ハイに固定されている場合、このコントローラＩＣはマスターのようにふるまう。
【0041】
図１に示すように、第１のコントローラＩＣ１のＭＡＳＴＥＲピンは浮動のままである。第２のコントローラＩＣ２のＭＡＳＴＥＲピンは、抵抗器を通じてグランドに接続されている。その結果、第１のコントローラＩＣ１はマスターとして機能する。第２のコントローラＩＣ２はスレーブとして機能する。動作中、マスターによって制御される相（例えば、ＩＣ１）は、スレーブによって制御される相（例えば、ＩＣ２）よりも早くオンになる。
【0042】
図１に示されたマスター／スレーブの設定方法は単なる例であり、特許請求の範囲を過度に制限するものではないことに留意されたい。当業者は、多くの変形、代替、および改変を認識するであろう。例えば、第１のコントローラＩＣ１および第２のコントローラＩＣ２のマスター／スレーブ設定は、好適な内部構成を通じて取得することができる。
【0043】
各コントローラＩＣにおいて、第１の相（例えば、ＩＣ１により制御される電力段１１０またはＩＣ２により制御される電力段１３０）は、マスター相である。第２の相（例えば、ＩＣ１により制御される電力段１２０またはＩＣ２により制御される電力段１４０）は、スレーブ相である。動作中、各コントローラＩＣのマスター相（例えば、電力段１１０）は、対応するスレーブ相（例えば、電力段１２０）の前にオンにされる。図１に示されたシステム構成によれば、第１の電力段１１０が第１にオンにされる。第１の電力段１１０のターンオンが終了した後、第２の電力段１２０、第３の電力段１３０、および第４の電力段１４０は、それぞれの制御回路によって順次オンにされる。第４の電力段１４０のターンオンが終了した後、コントローラＩＣ１およびＩＣ２は上記のプロセスを繰り返す（電力段１１０～１４０を順次オンにする）。
【0044】
各コントローラＩＣは、ＩＣ内の相ターンオンシーケンスを決定するイネーブル信号を提供するＥＮＰＨ１２ピンを有する。例えば、ＥＮＰＨ１２入力の立ち上がりエッジを使用してＰＨ１２ＬＡＴＣＨ信号を設定し、ＥＮＰＨ３４出力を強制的にローにする。ＰＨ１２ＬＡＴＣＨ信号により、コントローラＩＣによって制御される第１の相を第１にオンにすることができる。第１の相がオフになった後、ＰＨ１２ＬＡＴＣＨ信号により、コントローラＩＣによって制御される第２の相をオンにすることができる。第２の相のターンオンの終了時に、ＰＨ１２ＬＡＴＣＨはリセットされる。
【0045】
要するに、ＰＨ１２ＬＡＴＣＨ信号は、ＥＮＰＨ１２信号がローからハイに遷移するときに設定される。ＰＨ１２ＬＡＴＣＨ信号は、第２の相が終了するまでハイのままである。このような制御方式は、コントローラＩＣでトークンをキャプチャし、このコントローラＩＣ内の２つの相またはすべての相が一度連続してトリガーされるまでトークンを維持することと同等である。
【0046】
さらに、コントローラＩＣがトークンをキャプチャした後、トークンは、所定の手法でコントローラＩＣにより制御される異なる相の間で移転される。例えば、各コントローラＩＣ内の第１の相が、第１にトークンをキャプチャする。キャプチャされたトークンに応答して、図１に示されたＰＨ１ＯＮ信号が設定され、それに応じて第１の相がオンになる。第１の相のターンオンが終了した後、トークンは、第１の所定の最小オフ時間（ＴＯＦＦＭＩＮ１）の後に第２の相にリリースされる。第１の相から第２の相に移転されたトークンに応答して、ＰＨ１ＯＮがリセットされ、ＰＨ２ＯＮが設定され、第１コントローラＩＣ１は第２の相をオンにできる。
【0047】
第２の相の終了後、第２の所定の最小オフ時間（ＴＯＦＦＭＩＮ２）を待って、トークンは次のＩＣ（例えば、第２のコントローラＩＣ２）にリリースされる。このトークンのリリースに応答して、ＥＮＰＨ３４出力はハイに設定され、ＰＨ１２ＬＡＴＣＨおよびＰＨ２ＯＮ信号は両方とも第２の相の終了時にリセットされる。
【0048】
ＥＮＰＨ１２信号の立ち上がりエッジは、第１のコントローラＩＣ１によってトークンをキャプチャするために使用される。このＩＣ内のすべての相は、所定の手法で順番にオンにすることができる。いくつかの実施形態では、トークンをキャプチャした後、第１のコントローラＩＣ１は第１の相をオンにし、次に第２の相をオンにする。第１のコントローラＩＣ１内ですべての相がトリガーされた後、トークンは、第２コントローラＩＣ２のＥＮＰＨ１２入力ピンに接続される、第１のコントローラＩＣ１のＥＮＰＨ３４出力をハイに設定することにより、第２のコントローラＩＣ２に通される。第２のコントローラＩＣ２がＥＮＰＨ１２ピンがハイになることを検出すると、内部信号ＰＨ１２ＬＯＣＫをロックし、ＥＮＰＨ３４出力を強制的にローにし、これは、第１のコントローラＩＣ１によって検出され、この時点で第２のコントローラＩＣ２は、第１のコントローラＩＣ１によってリリースされていたトークンをキャプチャする。
【0049】
第２のコントローラＩＣ２におけるトークンの移転は、第１のコントローラＩＣ１におけるトークンの移転と同様であり、したがって、本明細書では論じない。上記のトークン移転制御方式により、４つの相を順次起動できる。４つの相のターンオン時間は、ラウンドロビン流儀で発生する。その結果、４相変換器１００は、インターリーブ動作を達成することができる。
【0050】
【0051】
第１の縦軸Ｙ１は、ＥＮＩＮＰＨ１２信号（第１のコントローラＩＣ１のイネーブル信号）を表す。第２の縦軸Ｙ２は、ＰＨ４ＯＮ信号（第４の相のイネーブル信号）を表す。第３の縦軸Ｙ３はＰＨ３ＯＮ信号（第３の相のイネーブル信号）を表す。第４の縦軸Ｙ４は、ＥＮ３４ＬＡＴＣＨ信号（第３の相と第４の相のイネーブル信号）を表す。第５の縦軸Ｙ５は、ＥＮＩＮＰＨ３４信号（第２のコントローラＩＣ２のイネーブル信号）を表す。第６の縦軸Ｙ６は、ＰＨ２ＯＮ信号（第２の相のイネーブル信号）を表す。第７の縦軸Ｙ７は、ＰＨ１ＯＮ信号（第１の相のイネーブル信号）を表す。第８の縦軸Ｙ８は、ＥＮ１２ＬＡＴＣＨ信号（第１の相と第２の相のイネーブル信号）を表す。第９の縦軸Ｙ９は、４つの相のスイッチングノード電圧を表す。
【0052】
ｔ１で、ＥＮＩＮＰＨ１２信号は論理ローから論理ハイに遷移する。ＥＮＩＮＰＨ１２信号の立ち上がりエッジに応答して、第１のコントローラＩＣ１はトークンを受け取り、ＥＮ１２ＬＡＴＣＨ信号が図２に示すように設定される。
【0053】
トークンが第１の相に通され、その制御回路によって第１の相をオンにできる。ｔ２で、第１の相の制御回路はトリガーイベントを生成する。第１の電力段（第１の相の電力段）のハイサイドスイッチは、トリガーイベント（例えば、図１に示すＴｒｉｇ１）に応答して、ｔ２でオンになる。第１の相のスイッチングノード電圧は、第１の電力段のハイサイドスイッチがｔ２からｔ３までオンのままであることを示している。第１の電力段のハイサイドスイッチは、ｔ３でオフになる。ｔ３で、トークンが第１の相から第２の相に通される。ｔ３で、第２の相はその制御回路によってオンにできる。
【0054】
ｔ４で、第２の相の制御回路はトリガーイベントを生成する。第２の電力段（第２の相の電力段）のハイサイドスイッチは、トリガーイベントに応答してｔ４でオンになる。第２の相のスイッチングノード電圧は、第２の電力段のハイサイドスイッチがｔ４からｔ５までオンのままであることを示している。第２の電力段のハイサイドスイッチは、ｔ５でオフになる。第１のコントローラによって制御される両方の相がオフにされた後、トークンは、ｔ５で第１のコントローラＩＣ１から第２のコントローラＩＣ２に通される。
【0055】
ｔ５で、第２のコントローラＩＣ２は、第１のコントローラＩＣ１からトークンを受け取る。ＥＮＩＮＰＨ３４信号は論理ローから論理ハイに遷移する。ＥＮＩＮＰＨ３４信号の立ち上がりエッジに応答して、ＥＮ３４ＬＡＴＣＨ信号が図２に示すように設定される。ｔ５で、第３の相はその制御回路によってオンにできる。
【0056】
ｔ６で、第３の相の制御回路はトリガーイベントを生成する。第３の電力段（第３の相の電力段）のハイサイドスイッチは、トリガーイベントに応答してｔ６でオンになる。第３の相のスイッチングノード電圧は、第３の電力段のハイサイドスイッチがｔ６からｔ７までオンのままであることを示している。第３の電力段のハイサイドスイッチは、ｔ７でオフになる。ｔ７で、トークンは第３の相から第４の相に通され、その制御回路によって第４の相をオンにすることができる。
【0057】
ｔ８で、第２の相の制御回路がトリガーイベントを生成する。第４の電力段（第４の相の電力段）のハイサイドスイッチは、トリガーイベントに応答してｔ８でオンになる。第４の相のスイッチングノード電圧は、第４の電力段のハイサイドスイッチがｔ８からｔ９までオンのままであることを示している。第４の電力段のハイサイドスイッチは、ｔ９でオフになる。第２のコントローラによって制御される両方の相がオフにされた後、トークンは、ｔ９で第２のコントローラＩＣ２から第１のコントローラＩＣ１に返される。
【0058】
図２に示すように、トリガーイベントの後、相のハイサイドスイッチは、オンになり、相の制御ループ（オンタイマーなど）がハイサイドスイッチをオフにするまでオンのままになる。ハイサイドスイッチがオフになった後、トークンはリリースされ、所定の最小オフ時間ＴＯＦＦＭＩＮ後に次の相に手渡される。いくつかの実施形態では、所定の最小オフ時間ＴＯＦＦＭＩＮはゼロであり得る。次の相はトークンを受け取り、次に、そのハイサイドスイッチをオンにすることができる。
【0059】
トークンをキャプチャした後、相が有効になる（ＰＨｘＯＮ／ＰＨｘＥＮ＝１）。相を有効にしてから、トリガリングイベントが発生した後（ＴＲＩＧｘ＝１）、相のハイサイドスイッチがオンになる。いくつかの実施形態では、トリガーイベントは、相の比較器によって設定される。特に、比較器は、出力電圧またはフィードバック信号を所定の基準と比較する。代替実施形態では、スイッチングノード信号をフィルタ処理して等価の擬似インダクタ電流情報を導出することにより、トリガリングイベントが設定される。次に、フィルタ処理された信号は、ＡＣ結合またはハイパスフィルタ処理され、フィードバック信号に加算されて基準電圧と比較され、各相のトリガー時間を設定する。
【0060】
いくつかの実施形態では、各相は、その相電流を検出するか、ノード情報を切り替えてこれをフィードバック／出力電圧に追加し、それをマスター相からの固定誤差電圧と比較することにより、独立したトリガーイベントを有することができる。代替的に、相電流とフィードバック電圧との組み合わせが、固定されているが共通の基準電圧と比較される。マスター相からの単一誤差または基準電圧と比較すると、出力電圧調整、ならびにすべての相の間の相電流バランスのためのより良い精度を確実にする。
【0061】
図１に戻ると、すべての相に共通の誤差電圧は、マスター相からの出力信号であり、図１でＶＣＯＭＰ１ＯＵＴと名付けられている。第１の相の制御ループは、アナログ制御ループで誤差電圧を生成し、この出力をＶＣＯＭＰ１ＯＵＴピンを介して他の相に送信する。言い換えると、ＶＣＯＭＰ１ＯＵＴ信号は、図１に示されている多相電力変換器の一部として構成されている他のすべての相で共有される。
【0062】
図２に示されている波形から、４つの相の連続したラウンドロビン動作が達成されている。図２に示されたトークン通過制御方式を有する利点の１つは、多相電力変換器を有する利点を完全に実現するのに役立つ４つの相のインターリーブ動作である。利点には、より低いスイッチング損失、より高い効率、より低い出力リップル電圧、より良い過渡性能、および入力コンデンサのより低いリップル電流定格要件などが含まれる。
【0063】
図３は、本開示の様々な実施形態による、図１に示された４相変換器の波形を示す。図３の横軸は時間間隔を表している。横軸の単位はミリ秒である。２つの縦軸があり得る。第１の縦軸Ｙ１は、４つの相のインダクタを通じて流れる電流を表す。第２の縦軸Ｙ２は、４相変換器の出力電圧を表す。
【0064】
図３は、４相変換器の負荷電流が４つの相に均等に分割されることを示している。加えて、インターリーブ動作により、出力リップル電流が減少することになる。特に、図２に示された４つの相のターンオン時間インスタンスを相シフトすることにより、電力段のインダクタリップル電流は互いに相殺し合う傾向がある。インダクタのリップル電流を相殺すると、出力コンデンサに流れるリップル電流が小さくなることになる。これは、多相変換器のインターリーブ動作により、単相変換器と比較して出力コンデンサのリップル電圧が減少することになる。
【0065】
【0066】
３つの縦軸があり得る。第１の縦軸Ｙ１は、４相変換器の負荷電流を表し、その電流は４つの相のインダクタを通じて流れる。第２の縦軸Ｙ２は、４つの相のハイサイドスイッチを通じて流れる電流を表す。第３の縦軸Ｙ３は、４相変換器の出力電圧を表す。
【0067】
ｔ１からｔ２まで、４相変換器の負荷電流は約１Ａから約１０Ａにジャンプする。図４に示すように、負荷過渡に応答して、４相変換器の出力電圧は約７ｍＶ低下する。電流波形は、４つの電力段が順番にオンになることを示している。言い換えると、４つの相はインターリーブ手法で動作するため、リップルを低減し、４相電力変換器の過渡応答性能を改善する。
【0068】
図５は、本開示の様々な実施形態による、一定のオン時間制御方式を採用する４相変換器の第２の実装形態の概略図を示す。図５には、図５Ａと図５Ｂが含まれている。記述全体を通じて、図５Ａと図５Ｂをまとめて図５と呼ぶ。
【0069】
図５に示す４相変換器は、４つの相の制御回路が単一のコントローラＩＣ１に実装されていることを除いて、図１に示されたものと類似している。さらに、図５に示す制御回路には、２つのＩＣ間で移転されるトークンがない。図１～２に関して上述したトークン移転制御方式を満たすために、単純なカウンタが使用される。
【0070】
図５は、トークン通過カウンタと４つのオン時間および最小オフ時間制御ユニットとを備えたコントローラＩＣ１を示している。トークン通過カウンタは、４つの相のＰＷＭ信号（ＰＷＭ１、ＰＷＭ２、ＰＷＭ３、およびＰＷＭ４）を受け取り、それぞれ４つの相のトークン（ＰＨ１ＯＮ、ＰＨ２ＯＮ、ＰＨ３ＯＮ、およびＰＨ４ＯＮ）を生成する。
【0071】
４つのオン時間および最小オフ時間制御ユニットを採用して、それぞれ４相のＰＷＭ信号（ＰＷＭ１、ＰＷＭ２、ＰＷＭ３およびＰＷＭ４）を生成する。４つのオン時間および最小オフ時間制御ユニットの動作原理は、図１に示したものと同様であるため、ここでは詳細には論じない。
【0072】
図５に示す各相には、フィードバック制御ユニットが含まれている。簡潔にするため、第１の相（電力段１）のフィードバック制御ユニットのみを以下で詳細に記載する。図５に示すように、第１の相のフィードバック制御ユニットは、電流検出信号Ｉｓｎｓ１を生成する電流検出アンプを備えている。電流検出信号Ｉｓｎｓ１は、第１の相のインダクタを流れる電流に比例する。図５に示すように、電流検出アンプの入力は、それぞれスイッチングノードＳＷ１Ｋと出力電圧ＶＯＵＴ１Ｋに接続されている。
【0073】
フィードバック制御ユニットは、３つの比較器をさらに備える。第１の比較器を使用して、ＶＯＵＴ１Ｋとグランド信号ＧＮＤ１Ｋを比較する。第２の比較器は、第１の比較器の出力信号と基準信号を比較するために使用される。第２の比較器は、制御信号ＶＣＯＭＰ１を生成する。図５に示すように、ＶＣＯＭＰ１は４つの相で共有される。第３の比較器を使用して、ＶＣＯＭＰ１を、電流検出信号Ｉｓｎｓ１と出力電圧ＶＯＵＴ１Ｋを組み合わせた信号と比較する。第３の比較器の出力は、トリガー信号Ｔｒｉｇ１として機能する。トリガー信号Ｔｒｉｇ１は、トークンが第１の相に与えられた後、第１の相のハイサイドスイッチをオンにするために使用される。
【0074】
いくつかの実施形態では、カウンタが開始した後、カウンタはトークンを第１の相（電力段１）に与える。第１の相がトークンを受け取った後、その制御回路によって生成されたトリガーイベントは、第１の相のハイサイドスイッチをオンにする。第１の相のハイサイドスイッチがオフになった後、カウンタはトークンを第１の相から第２の相（電力段２）へ処理する。
【0075】
要するに、カウンタはトークンを第１の相から第４の相までラウンドロビン流儀で手渡す。第４の相の終了時に、カウンタはこのプロセスを繰り返す。
【0076】
相がトークンを受け取ると、その相のトリガーイベントが許可され、トリガーイベントに応答してこの相のハイサイドスイッチがオンになることに留意されたい。一方、トークンが所有されていないときに発生するトリガリングイベントは無視される。
【0077】
一定のオン時間または（オン時間がＶｏｕｔ／Ｖｉｎに比例する）アクティブなオン時間アーキテクチャでは、トリガリングイベントが発生し、トークンがこの相に所有されるたびに、固定オン時間の間、相がオンになる。図５のトリガリングイベントは、誤差電圧ＶＣＯＭＰ／ＶＥＲＲを、各相でスイッチングノード信号をフィルタ処理し、これをフィードバック信号（または分圧せずに直接に出力電圧）に加算して取得されるフィルタ処理されたリップル信号の合計と比較する比較器によって設定することもできる。
【0078】
本発明の実施形態およびその利点を詳細に記載したが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において様々な変更、置換および改造を行うことができることを理解されたい。
【0079】
さらに、本出願の範囲は、本明細書に記載のプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図していない。当業者が本発明の開示から容易に理解するように、現在存在するかまたは今後開発される、本明細書に記載の対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行する、または実質的に同じ結果を達成する、プロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップが本発明に従って利用され得る。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップをその範囲内に含むことを意図している。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】