特表2016-525872IP Force 特許公報全文掲載

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】特表2016-525872(P2016-525872A)
(43)【公表日】2016年8月25日
(54)【発明の名称】電圧コンバータ補償装置及び方法
(51)【国際特許分類】
   H02M 3/28 20060101AFI20160729BHJP
【ＦＩ】
   H02M3/28 P
   H02M3/28 L
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2016-531826(P2016-531826)
(86)(22)【出願日】2014年7月29日
(85)【翻訳文提出日】2016年3月29日
(86)【国際出願番号】US2014048661
(87)【国際公開番号】WO2015017433
(87)【国際公開日】20150205
(31)【優先権主張番号】61/859,589
(32)【優先日】2013年7月29日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】14/335,849
(32)【優先日】2014年7月18日
(33)【優先権主張国】US
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US
(71)【出願人】
【識別番号】390020248
【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】507107291
【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド
(74)【1名の代理人】
【識別番号】100098497
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
(72)【発明者】
【氏名】ビング ルー
(72)【発明者】
【氏名】ウーリッヒ ビー ゲールケ
【テーマコード（参考）】
5H730
【Ｆターム（参考）】
5H730AA04
5H730AS01
5H730BB43
5H730BB57
5H730CC01
5H730DD04
5H730EE02
5H730EE07
5H730FD01
5H730FD24
5H730FF01
5H730FF19
5H730FG05
5H730FG25
(57)【要約】
記載される例において、電圧コンバータ（２００）が出力電圧（Ｖ＿ＯＵＴ）を生成する。感知回路（２４３）が、出力電圧（Ｖ＿ＯＵＴ）に比例する感知信号（Ｖ＿ＳＥＮＳＥ）を生成する。レギュレーションフィードバックコントローラ（２５５）が、感知信号（Ｖ＿ＳＥＮＳＥ）と基準電圧（Ｖ＿ＲＥＦ）との間の差を判定し、パルス幅変調（ＰＷＭ）レギュレーションコントローラ（２１９）に、基準電圧（Ｖ＿ＲＥＦ）によって決められるセットポイントに一層近く出力電圧（Ｖ＿ＯＵＴ）を駆動させる、負のフィードバック制御信号を生成する。コンバータの出力における電流フローの大きさに比例して基準電圧（Ｖ＿ＲＥＦ）を増大させるよう及びコンバータとコンバータにより電力供給されるデバイスとの間の電圧降下を補償するためセットポイントを増大させるように、分圧器（２８０）がフライバック変圧器（２１６）の二次巻線（２２３）に結合される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
フライバック電圧コンバータにおける電圧レギュレーションに関連付けられる電圧降下補償装置であって、前記装置が、
前記電圧コンバータにより生成される出力電圧に比例する出力電圧感知信号を生成するように前記電圧コンバータの出力に結合するための出力電圧感知回路、
前記出力電圧感知信号と基準電圧との間の電圧差を判定するよう、及びパルス幅変調（ＰＷＭ）レギュレーションコントローラに送るため負のフィードバック制御信号を生成するように前記出力電圧感知回路に結合されるレギュレーションフィードバックコントローラであって、前記負のフィードバック制御信号が、前記ＰＷＭレギュレーションコントローラに、前記基準電圧によって決められるセットポイントに一層近く前記コンバータの出力電圧を駆動させる、前記レギュレーションフィードバックコントローラ、及び
前記コンバータの前記出力における電流フローの大きさに比例して前記基準電圧を増大させるよう、及び前記コンバータと前記コンバータにより電力供給されるデバイスとの間の電圧降下を補償するため前記コンバータ出力電圧セットポイントを増大させるように、前記電圧コンバータに関連付けられるフライバック変圧器の二次巻線に結合するための出力電流比例分圧器、
を含む、装置。
【請求項2】
請求項１に記載の装置であって、前記コンバータと前記前記コンバータにより電力供給されるデバイスとの間の前記電圧降下が、接続ケーブル電圧降下である、装置。
【請求項3】
請求項１に記載の装置であって、前記レギュレーションフィードバックコントローラが、
差動増幅器であって、前記出力電圧感知回路に結合される電圧感知入力端子と、前記ＰＷＭレギュレーションコントローラに結合するための出力端子とを備えた、前記差動増幅器、及び
前記基準電圧を供給するため前記出力電流比例分圧器と前記差動増幅器の基準電圧入力端子との間に結合される基準電圧源、
を含む、装置。
【請求項4】
請求項３に記載の装置であって、前記出力電圧感知回路が、
前記電圧コンバータの前記出力と前記差動増幅器の前記電圧感知入力端子との間に結合される第１の電圧感知レジスタ、及び
前記差動増幅器の前記電圧感知入力とコモン電圧レールとの間に結合される第２の電圧感知レジスタ、
を含む、装置。
【請求項5】
請求項４に記載の装置であって、前記コモン電圧レールが接地レールである、装置。
【請求項6】
請求項１に記載の装置であって、前記出力電流比例分圧器がコモン電圧レールに結合するためである、装置。
【請求項7】
請求項１に記載の装置であって、前記電圧コンバータの一次側を前記電圧コンバータの二次側からガルバニックに隔離するように前記負のフィードバック制御信号の導体に直列に結合されるオプトカプラを更に含む、装置。
【請求項8】
フライバック電圧コンバータにおける電圧レギュレーションに関連付けられる電圧降下補償装置であって、前記装置が、
前記電圧コンバータにより生成される出力電圧に比例する出力電圧感知信号を生成するように前記電圧コンバータの出力に結合するための出力電圧感知回路、
前記出力電圧感知信号と基準電圧との間の電圧差を判定するよう、及び前記電圧差に比例する負のフィードバック制御信号を生成するように前記出力電圧感知回路に結合されるレギュレーションデバイスであって、前記負のフィードバック制御信号が、パルス幅変調（ＰＷＭ）レギュレーションコントローラに、前記基準電圧によって決められるセットポイントに一層近く前記コンバータの出力電圧を駆動させる、前記レギュレーションデバイス、及び
前記コンバータ出力を前記コンバータにより電力供給されるデバイスに結合するためのケーブルにおける電圧降下を補償するよう前記コンバータ出力電圧セットポイントを増大させるために、前記電圧コンバータの前記出力における電流フローに比例して前記基準電圧を増大させるため前記電圧コンバータに関連付けられるフライバック変圧器の二次巻線に結合するための出力電流比例分圧器及び平均化回路、
を含む、装置。
【請求項9】
請求項８に記載の装置であって、前記レギュレーションデバイスがＴＬ４３１シャントレギュレータである、装置。
【請求項10】
請求項８に記載の装置であって、前記出力電流比例分圧器及び平均化回路の分圧器部分が、
電流フローを前記二次巻線から順方向に向けるように前記フライバック変圧器の前記二次巻線にアノード結合される補償ダイオード、
前記補償ダイオードのカソードに結合される第１の端子を備える第１の補償レジスタ、及び
前記第１の補償レジスタとコモン電圧ノードとの間に直列に結合される第２の補償レジスタ、
を含み、
前記第１及び第２の補償レジスタの接合における分圧ノードが、前記分圧ノードにおいて生成される連続的直流（ＤＣ）電圧の大きさだけ前記基準電圧を増大させるために、前記レギュレーションデバイスに関連付けられる基準電圧源の端子に結合される、
装置。
【請求項11】
請求項１０に記載の装置であって、前記出力電流比例分圧器及び平均化回路の平均化回路部分が、
レジスタキャパシタ（ＲＣ）ローパスフィルタをつくるように前記第２の補償レジスタと並列に結合される補償キャパシタを含み、
前記ローパスフィルタが、前記補償ダイオードの前記カソードと前記第１の補償レジスタの前記第１の端子との間のノードにおいて現れる一連の矩形電圧パルスの分圧されたバージョンを平均化するためのものであり、
各矩形電圧パルスの期間Ｔが、前記ＰＷＭレギュレーションコントローラによって決められるように前記二次巻線を流れる一連の電流パルスの各々の期間Ｔに等しく、
前記平均化回路が、前記分圧ノードにおいて前記連続的ＤＣ電圧を生成するようにＰＷＭサイクルピリオドＰにわたって各矩形電圧パルスの前記分圧されたバージョンを平均するためのものである、
装置。
【請求項12】
請求項８に記載の装置であって、
オプトカプラを更に含み、
前記オプトカプラの発光要素が、前記負のフィードバック制御信号のガルバニックに隔離されたバージョンを、前記ＰＷＭレギュレーションコントローラにおいて構成される前記オプトカプラの光学的レシーバ部分に光エネルギーとして結合するように、前記レギュレーションデバイスと前記電圧コンバータの前記出力との間に直列に通信可能に結合される、
装置。
【請求項13】
請求項８に記載の装置であって、前記出力電圧感知回路が、
前記電圧コンバータの前記出力と前記レギュレーションデバイスの基準入力端子との間に結合される第１の電圧感知レジスタ、及び
前記レギュレーションデバイスの前記基準入力端子とコモン電圧レールとの間に結合される第２の電圧感知レジスタ、
を含む、装置。
【請求項14】
フライバック電圧コンバータにおける電圧レギュレーションの方法であって、前記方法が、
負のフィードバックコンバータ出力電圧制御ループを実装するように、コンバータ出力電圧感知回路に及び前記電圧コンバータのパルス幅変調（ＰＷＭ）レギュレーションコントローラ部分に通信可能に結合されるレギュレーションデバイスにおいて、前記コンバータを前記コンバータにより電力供給されるデバイスに結合するために用いられるケーブルにおける電圧降下を補償するようにコンバータ出力電圧セットポイントを増大させるために、補償された基準電圧を生成するようコンバータ出力における電流フローの大きさに比例する可変補償オフセット電圧の大きさだけ基準電圧を増大させること、
を含む、方法。
【請求項15】
請求項１４に記載の方法であって、
前記フライバック電圧コンバータに関連付けられるフライバック変圧器の二次巻線において矩形電圧波形を感知すること、
を更に含み、
前記矩形電圧波形が、前記ＰＷＭレギュレーションコントローラによって決められるように前記二次巻線を介して流れる電流の波形のデューティサイクルに等しいデューティサイクルを有し、及び前記二次電流波形のピーク電流の大きさに比例するピーク電圧の大きさを有する、
方法。
【請求項16】
請求項１５に記載の方法であって、
直流（ＤＣ）オフセット電圧を生成するようにＰＷＭサイクルピリオドにわたって前記矩形電圧波形を平均化すること、及び
前記可変補償オフセット電圧を生成するように、選択された比で前記ＤＣオフセット電圧を分圧すること、
を更に含む、方法。
【請求項17】
請求項１４に記載の方法であって、
前記電圧コンバータにより生成される出力電圧に比例する出力電圧感知信号を生成することを更に含む、方法。
【請求項18】
請求項１７に記載の方法であって、
前記レギュレーションデバイスにおいて、前記出力電圧感知信号の大きさと前記補償された基準電圧との間の電圧差を判定すること、及び
前記電圧差に比例する負のフィードバック制御信号を生成すること、
を更に含む、方法。
【請求項19】
請求項１８に記載の方法であって、
前記ＰＷＭレギュレーションコントローラにおいて、前記負のフィードバック制御信号を受信すること、及び
前記電圧差の大きさを低減するように前記補償された基準電圧によって決められるセットポイントに一層近く前記コンバータの出力電圧を駆動すること、
を更に含む、方法。
【請求項20】
請求項１９に記載の方法であって、
前記フライバック電圧コンバータの一次側を前記コンバータの二次側からガルバニックに隔離するように、前記負のフィードバック制御信号を用いて前記レギュレーションデバイスと前記ＰＷＭレギュレーションコントローラとの間に構成されるオプトカプラの発光要素を駆動すること、
を更に含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、概して電子回路要素に関し、特に電圧コンバータ補償装置及び方法に関連する。
【背景技術】
【0002】
電源と電源により電力供給されるデバイスとは概してケーブルにより接続され、ケーブルは、電源と電力供給されるべきデバイスとの間の電流フローを提供する。最近の電子回路は通常、直流（「ＤＣ）電力供給され、ＤＣ電力供給はしばしば、安定した供給電圧レベルを提供するため電圧レギュレーション回路要素を含む。便宜上及び規制認可を容易にするため、電力コンセント（ウォールコンバータ）にある小さな交流（ＡＣ）・ＤＣ電源（コンバータ）が、ここ数十年にわたってますます普及してきている。用語「コンバータ」、「電圧コンバータ」、「電力コンバータ」、及び「アダプター」は、本明細書において用いられるように同義である。本明細書における例により例示される原理は、ＡＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータに等しく適用し得る。
【0003】
図１は、従来の電力コンバータ１１０及びコンバータ１１０により電力供給されるデバイス１１５のブロック図である。電力コンバータ１１０は、ウォールアダプターであってもよいが、そうでなくてもよい。電力コンバータ１１０及び電力供給されるデバイス１１５は、ケーブル１２０により接続される。ケーブル１２０は、二つ又はそれ以上の導体（例えば、導体１２５及び１３０）を含む。マルチ電圧電力コンバータの場合、二つ又はそれ以上の導体１２５が必要とされ得る。導体１２５は、電力供給されるデバイス１１５に電流１３５を搬送し、導体１３０はリターン電流１４０を搬送する。
【0004】
抵抗１４５が導体１２５に関連付けられ、抵抗１５０が導体１３０に関連付けられる。抵抗１４５及び１５０両方の値は、それぞれ、導体１２５及び１３０のゲージ、長さ、及び組成の関数である。それぞれ、抵抗１４５及び１５０を介して流れる電流１３５及び１４０は、ケーブル１２０の電圧降下を電流１３５及び１４０に比例させる。ケーブル電圧降下の結果、電力供給されるデバイス１１５への入力電圧Ｖ＿ＰＤ１６０が、コンバータ１１０のレギュレートされた出力電圧Ｖ＿ＯＵＴ１６５と等しくなくなる。ケーブル抵抗特性及び電力供給されるデバイスの動作電流がコンバータ１１０の設計者により既知である場合、ケーブル電圧降下が補償され得る。
【0005】
次第に一般的になってきているタイプのＡＣ／ＤＣコンバータは、携帯電話及び他のポータブル電子デバイスの充電のために５．０ｖｄｃのレギュレートされたユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）レベル電圧を供給する。電力供給されるデバイス１１５のこのような例は、ますます一層速く、一層パワフルなプロセッサ、及び一層大きな容量メモリデバイスを用いる結果、高電流の引き込みとなる。後者の高電流引き込みは、５．０ｖｄｃのＵＳＢレベルのＶ＿ＯＵＴ１６５に関連して著しいケーブル電圧降下となり得る。この状況は、コンバータ１１０のレギュレーション回路要素におけるケーブル電圧降下補償に対する課題となり得る。
【発明の概要】
【0006】
記載される例において、電圧コンバータが出力電圧を生成する。感知回路が、出力電圧に比例する感知信号を生成する。レギュレーションフィードバックコントローラが、感知信号と基準電圧との間の差を判定し、負のフィードバック制御信号を生成し、この負のフィードバック制御信号が、パルス幅変調（ＰＷＭ）レギュレーションコントローラに、基準電圧によって決められるセットポイントに一層近く出力電圧を駆動させる。コンバータの出力における電流フローの大きさに比例して基準電圧を増大させるように、及びコンバータとコンバータにより電力供給されるデバイスとの間の電圧降下を補償するためセットポイントを増大させるように、分圧器がフライバック変圧器の二次巻線に結合される。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】従来の電力コンバータと、このコンバータにより電力供給されるデバイスのブロック図である。
【0008】
【図2】例示の実施例の電圧降下補償装置を含む、例示の電圧コンバータの概略図である。
【0009】
【図3】例示の実施例の電圧降下補償装置を含む、例示の電圧コンバータの概略図である。
【0010】
【図4】例示の実施例の電圧降下補償装置の出力電流比例分圧器及び平均化回路部分に関連付けられる波形図である。
【0011】
【図5】例示の実施例の電圧降下補償装置を含むフライバック電圧コンバータにおける電圧レギュレーションの方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図２は、電圧降下補償装置２４０を含む、例示の電圧コンバータ２００の概略図である。電圧コンバータ２００はＡＣ／ＤＣコンバータの一例である。しかし、本明細書における実施例及び方法は、ＡＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータに等しく適用する。例示の電圧コンバータ２００は、ＤＣ電圧をフライバック変圧器２１６の一次巻線２１４に供給するよう、ブリッジ整流器２０５及び電圧リップルフィルタリング回路２１１を含む。パルス幅変調（ＰＷＭ）レギュレーションコントローラ２１９が、一次巻線電流制御スイッチ２２１の適切な導通デューティサイクルを判定する。可変幅の一次巻線電圧パルスが、フライバック変圧器２１６の二次巻線２２３における電圧を誘導する。二次巻線電圧はダイオード２２５により整流され、結果のＤＣ電圧はキャパシタ２２８によりフィルタリングされ、コンバータ２００の出力２３２における出力電圧Ｖ＿ＯＵＴとなる。
【0013】
電圧降下補償装置２４０は、電圧コンバータ２００の出力２３２に結合される出力電圧感知回路２４３を含む。出力電圧感知回路２４３は、電圧コンバータ２００により生成される出力電圧Ｖ＿ＯＵＴに比例する出力電圧感知信号を生成する。幾つかの実施例において、出力電圧感知回路２４３は、第１の電圧感知レジスタ２４５を含み得る。第１の電圧感知レジスタ２４５は、差動増幅器２５８及び基準電圧源２６５など、電圧コンバータ２００の出力２３２とレギュレーションフィードバックコントローラ２５５の電圧感知入力端子２６０との間に結合され得る。出力電圧感知回路２４３はまた、差動増幅器２５８の電圧感知入力２６０とコモン電圧レールとの間のノード２４６において結合される第２の電圧感知レジスタ２４７を含み得る。コモン電圧レールは、概して接地レールであるが、幾つかの実施例において接地以外の電圧レールとし得る。
【0014】
電圧降下補償装置２４０はまた、レギュレーションフィードバックコントローラ２５５を含む。フィードバックコントローラ２５５は、出力電圧感知回路２４３に（例えば、ノード２４６において）結合される。フィードバックコントローラ２５５は、出力電圧感知信号と基準電圧との間の電圧差を判定する。フィードバックコントローラ２５５は、ＰＷＭレギュレーションコントローラ２１９に送るための負のフィードバック制御信号を生成する。この負のフィードバック制御信号は、ＰＷＭレギュレーションコントローラ２１９に、基準電圧によって決められるセットポイントに一層近くコンバータ出力電圧Ｖ＿ＯＵＴを駆動させる。
【0015】
幾つかの実施例において、レギュレーションフィードバックコントローラ２５５は、差動増幅器２５８を含み得る。このようなケースにおいて、差動増幅器２５８の電圧感知入力端子２６０が、出力電圧感知回路２４３に結合される。差動増幅器２５８の出力端子が、ＰＷＭレギュレーションコントローラ２１９に結合される。レギュレーションフィードバックコントローラ２５５はまた、基準電圧源２６５を含む。基準電圧源２６５は、出力電流比例分圧器２８０と差動増幅器２５８の基準電圧入力端子２６８との間に結合される。基準電圧源２６５は基準電圧を供給する。
【0016】
電圧降下補償装置２４０はまた、オプトカプラ（図２には示していない）を含み得る。オプトカプラは、電圧コンバータ２００の一次側を電圧コンバータ２００の二次側からガルバニックに隔離するように負のフィードバック制御信号の導体２７０と直列に接続される。
【0017】
電圧降下補償装置２４０はまた、出力電流比例分圧器２８０を含む。出力電流比例分圧器２８０は、フライバック変圧器２１６の二次巻線２２３に結合される。幾つかの実施例において、出力電流比例分圧器２８０はまた、接地レールを含むコモン電圧レールに結合され得る。分圧器２８０は、コンバータ２００の出力２３２における電流フローの大きさに比例して入力端子２６８における基準電圧を増大させる。これは、コンバータ２００とコンバータ２００により電力供給されるデバイス（例えば、図１の電力供給されるデバイス１１５）との間の電圧降下を補償するようにコンバータ２００の出力電圧セットポイントを増大させる。電圧降下は、コンバータ２００及び電力供給されるデバイス１１５を接続するケーブルにわたって起こり得る。
【0018】
図３は、電圧降下補償装置３４０を含む、例示のフライバック電圧コンバータ３００の概略図である。例示の電圧コンバータ３００は、全て図２の電圧コンバータ２００に関して説明したような、ブリッジ整流器２０５、電圧リップルフィルタリング回路２１１、フライバック変圧器２１６の一次巻線２１４、ＰＷＭレギュレーションコントローラ２１９、一次巻線電流制御スイッチ２２１、二次巻線２２３、ダイオード２２５、フィルタリングキャパシタ２２８、及び出力２３２を含む。
【0019】
電圧コンバータ３００はまた、電圧降下補償装置を含む。電圧降下補償装置は、図２の電圧コンバータ２００に関して上述したように出力電圧Ｖ＿ＯＵＴに比例する出力電圧感知信号を生成するよう出力電圧感知回路２４３を含む。電圧感知回路２４３の幾つかの実施例が、それぞれ、第１及び第２の電圧感知レジスタ２４５及び２４７を含む。第１及び第２の電圧感知レジスタ２４５及び２４７は、電圧コンバータ３００の出力２３２と接地レールなどのコモン電圧レールとの間に直列に結合される。第１及び第２の電圧感知レジスタ２４５及び２４７の接合ノード２４６が、レギュレーションデバイス３１０の基準入力端子３１５に結合される。幾つかの実施例において、レギュレーションデバイス３１０は、ＴＬ４３１などのシャントレギュレータとし得る。
【0020】
レギュレーションデバイス３１０は、出力電圧感知信号と内部基準電圧との間の電圧差を判定する。レギュレーションデバイス３１０は、この電圧差に比例する負のフィードバック制御信号を生成する。この負のフィードバック制御信号は、ＰＷＭレギュレーションコントローラ２１９に、基準電圧によって決められるセットポイントに一層近くコンバータ出力電圧ＶＯＵＴを駆動させる。幾つかの実施例において、電圧降下補償装置はまた、オプトカプラを含む。オプトカプラの発光要素３３０が、レギュレーションデバイス３１０と電圧コンバータ３００の出力２３２との間に通信可能に直列に結合される。オプトカプラは、負のフィードバック制御信号のガルバニックに隔離されたバージョンを光エネルギーとして、ＰＷＭレギュレーションコントローラ２１９において構成されるオプトカプラの光学的レシーバ部３３２に結合する。
【0021】
電圧降下補償装置はまた、出力電流比例分圧器及び平均化回路３４０を含む。回路３４０は、フライバック変圧器２１６の二次巻線２２３に結合される。回路３４０は、電圧コンバータ３００の出力２３２における電流フローに比例して基準電圧を増大させる。これは、コンバータ３００とコンバータ３００により電力供給されるデバイス（例えば、図１の電力供給されるデバイス１１５）との間の電圧降下を補償するようにコンバータ出力電圧セットポイントを増大させる。電圧降下は、コンバータ３００及び電力供給されるデバイス１１５を接続するケーブルにわたって起こり得る。
【0022】
図４は、回路３４０に関連付けられる波形図である。図３も参照すると、回路３４０の分圧器部分が補償ダイオード３４３を含む。補償ダイオード３４３は、フライバック変圧器２１６の二次巻線２２３にアノード結合される。補償ダイオード３４３は、電流フローを二次巻線２２３から順方向に向ける。
【0023】
図４の頂部の波形は、二次巻線２２３を横切る電流パルス４０５を図示する。ＰＷＭレギュレーションコントローラ２１９は、ピーク電流４１０を判定し、一次（及びそのため二次）巻線電流パルス４０５のデューティサイクルを調節する。デューティサイクルは、ＰＷＭサイクルピリオド４３５で割ったパルス長４１５として定義される。図４の中間の波形は、補償ダイオード３４３のカソードと第１の補償レジスタ３４５の端子とのノード接合３６５における電圧パルス４２０を図示する。カソード電圧パルス４２０のパルス長４１５は、二次電流パルス４０５のパルス長４１５に対応する。カソード電圧パルス４２０のピーク電圧４２５は、コンバータ３００の出力電圧Ｖ＿ＯＵＴに、整流ダイオード２２５の電圧降下を加え、補償ダイオード３４３の電圧降下を引いたものに等しい。ピーク電圧４２５はＶ＿ＯＵＴにほぼ等しい。これは、２つのダイオード２２５及び３４３の電圧降下が、（反対の極性であるが）ほぼ等しく、ピーク電圧４２５を判定する際に互いに効果的に相殺するためである。
【0024】
回路３４０の分圧器部分はまた、第１の補償レジスタ３４５を含む。第１の補償レジスタ３４５の第１の端子が、補償ダイオード３４３のカソードに結合される。回路３４０の分圧器部分は更に、第２の補償レジスタ３４８を含む。第２の補償レジスタ３４８は、第１の補償レジスタ３４５とコモン電圧ノード（例えば、接地端子）との間に直列に結合される。
【0025】
分圧ノード３７０が、それぞれ、第１及び第２の補償レジスタ３４５及び３４８の接合において配置される。分圧ノード３７０は、レギュレーションデバイス３１０に関連付けられる基準電圧源（図３には示していない）の端子に結合される。シャントレギュレーションデバイス（ＴＬ４３１など）の例示のケースにおいて、基準電圧源はレギュレーションデバイス３１０の内部に配置される。分圧ノード３７０において生成される電圧は、基準電圧源により生成される基準電圧に付加される。従って、回路３４０の分圧器部分は、レギュレーションデバイスの総基準電圧３１０を、分圧ノード３７０において生成される電圧の大きさだけ増大させる。
【0026】
回路３４０の平均化回路部分３５５が、補償キャパシタ３５８を含む。補償キャパシタ３５８は、レジスタキャパシタ（ＲＣ）ローパスフィルタをつくるように第２の補償レジスタ３４８と並列に結合される。平均化回路３５５は、ノード３６５において現れる図４の矩形電圧波形パルス４２０の分圧されたバージョンを平均化する。各電圧パルス４２０の分圧されたバージョンは、分圧ノードにおいて連続的ＤＣオフセット電圧４３０を生成するためＰＷＭサイクルピリオド４３５にわたって平均化される。
【0027】
図５は、例示の実施例の電圧降下補償装置を含むフライバック電圧コンバータにおける電圧レギュレーションの方法５００のフローチャートである。このような装置が、負のフィードバックコンバータ出力電圧制御ループを実装する。方法５００は、電圧コンバータのコンバータ出力電圧感知回路に及びＰＷＭレギュレーションコントローラ部分に通信可能に結合されるレギュレーションデバイスに関連付けられる。方法５００は、補償された基準電圧を生成するためコンバータ出力における電流フローの大きさに比例する可変補償オフセット電圧の大きさだけ基準電圧を増大させることを含む。説明されるように基準電圧を補償することは、コンバータ出力電圧セットポイントを増大させる。これは、コンバータをコンバータにより電力供給されるデバイスに結合するために用いられるケーブルにおける電圧降下を補償する。
【0028】
方法５００は、フライバック電圧コンバータに関連付けられるフライバック変圧器の二次巻線における矩形電圧波形を感知するブロック５０５において開始する。この矩形電圧波形は、ＰＷＭレギュレーションコントローラによって決められるように二次巻線を介して流れるパルスされる電流の波形のデューティサイクルに等しいデューティサイクルを有する。また、この矩形電圧波形は、コンバータ出力電圧に比例するピーク電圧の大きさを有する。
【0029】
ブロック５１０において、矩形電圧波形は、ＤＣオフセット電圧を生成するようＰＷＭサイクルピリオドにわたって平均化される。ブロック５１５において、ＤＣオフセット電圧は、可変補償オフセット電圧を生成するように、選択された比で分圧される。
【0030】
ブロック５２０において、電圧コンバータにより生成される出力電圧に比例する出力電圧感知信号が生成される。ブロック５２５において、出力電圧感知信号の大きさとレギュレーションデバイスにおける補償された基準電圧との間の差が判定される。ブロック５３０において、この電圧差に比例する負のフィードバック制御信号が生成される。
【0031】
ブロック５３５において、負のフィードバック制御信号は、ＰＷＭレギュレーションコントローラにおいて受信される。ブロック５４０において、方法５００の幾つかのバージョンが、負のフィードバック制御信号を用いてレギュレーションデバイスとＰＷＭレギュレーションコントローラとの間に構成されるオプトカプラに関連付けられる発光要素を駆動することを含む。これは、フライバック電圧コンバータの一次側をコンバータの二次側からガルバニックに隔離する。
【0032】
ブロック５４５において、コンバータ出力電圧は、電圧差の大きさを低減するため、補償された基準電圧によって決められるセットポイントに一層近く駆動される。方法５００は、ブロック５４５からブロック５０５までループすることにより無期限に継続する。
【0033】
本明細書に記載される装置及び方法は、電圧コンバータを電力供給されるべきデバイスに接続するケーブルの電圧降下のため電圧コンバータ出力電圧レベルを補償する以外の用途に有用であり得る。装置２００及び３００及び方法５００は、種々の実施例の種々の方法及び構造のシーケンスの一般的な理解を提供する。
【0034】
こういった種々の実施例は、レセプタクル電力コンバータ、コンピュータにおいて用いられる電子回路要素、通信及び信号処理回路要素、シングルプロセッサ又はマルチプロセッサモジュール、単一又は複数の埋め込みプロセッサ、マルチコアプロセッサ、データスイッチ、及び、特に、多層及びマルチチップのモジュールを含む特定用途向けモジュール、において用いるための半導体アナログ及びデジタル回路に組み込まれ得る。また、このような装置及びシステムは、ロボット工学、医療デバイス（例えば、心拍モニタ、血圧モニタ）、車両、テレビ、携帯電話、パーソナルコンピュータ（例えば、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、ハンドヘルドコンピュータ、タブレットコンピュータ）、ワークステーション、ラジオ、ビデオプレーヤ、オーディオプレーヤ（例えば、ＭＰ３（Motion Picture Experts Group, Audio Layer 3）プレーヤ）、セットトップボックス、家電などの、種々の電子的システム内のサブ構成要素として含まれ得る。
【0035】
従って、本明細書に開示する構造及び方法は、レギュレータ出力電流に比例する出力電流補償された基準電圧を生成するように、補償ダイオード、及び平均化回路を備えた分圧器を含む。電流補償基準電圧がレギュレーションフィードバックコントローラ基準電圧に付加され、これが、コンバータ出力電流の引き込みに比例してＰＷＭレギュレーションコントローラへの負のフィードバック信号を調節する。最終的な効果は、コンバータを電力供給されるデバイスに接続するケーブルにおける電圧降下に対する補償としてコンバータ出力電流の引き込みに比例してコンバータ出力電圧を増大させることである。一層正確にレギュレートされた電圧レベルが、電力供給されるデバイスの入力に搬送され得る。
【0036】
本明細書に開示する装置は、「フライバック」タイプのＰＷＭ ＡＣ／ＤＣ及びＤＣ／ＤＣスイッチング電圧コンバータにおける電圧レギュレーション回路に適用可能である。フライバックコンバータは、変圧器の一次巻線を介して可変デューティサイクル電流パルスを受け取るようにフライバック変圧器を含む。本明細書において用いられるように、「フライバックコンバータ」という用語は、二次側巻線における電圧波形のデューティサイクルがコンバータ出力電流に比例するように、二次巻線において生成される電圧波形を制御するため、変圧器の一次側巻線を介して導通されるパルスの幅及び／又はデューティサイクルを調節する電圧コンバータを含む。
【0037】
フライバック電圧コンバータは、一次側レギュレーション又は二次側レギュレーションを用い得る。本明細書において用いられるように、「一次側」は、変圧器一次巻線に、又は一次巻線に参照される補助巻線に、直接的又は間接的に接続される回路要素を含む。「二次側」は、変圧器二次巻線に直接的又は間接的に接続される回路要素を含む。一次側レギュレーションにおいて、二次電圧が、補助変圧器巻線で感知され、一次側基準電圧と比較される。結果の差信号が、電圧レギュレーションの目的のため一次巻線駆動パルス幅及び／又はデューティサイクルを調節するようにＰＷＭレギュレーションコントローラにフィードバックされる。二次側レギュレーションにおいて、整流されフィルタリングされたコンバータ出力電圧が、感知され、二次側基準電圧と比較される。結果の差信号が、一次巻線駆動パルスを調節するようにＰＷＭレギュレーションコントローラにフィードバックされる。
【0038】
本明細書に開示する装置は、二次側のレギュレートされたフライバック電圧コンバータに適用可能である。大抵、二次側レギュレーションは、実際のＤＣ出力電圧が電圧制御フィードバック信号をつくる際に用いられるため、一層正確である。しかし、レギュレータ出力電流の測定が、実際の相互接続ケーブル電圧降下及び対応するレギュレートされた出力電圧補償を判定するために有効である。出力電流は、レギュレータ出力に直列のレジスタの電圧降下を測定することにより測定され得る。しかし、このような直列レジスタは、外部構成要素としてコストを付加し、電力を消費し、熱を生成し、望ましくない。
【0039】
コンバータ出力電圧が、コンバータ出力と接地又はその他の感知回路との間に接続される分圧器において感知される。レギュレーションデバイス（ＴＬ４３１など）又は回路（レギュレーションフィードバックコントローラ）が、感知された出力電圧を基準電圧と比較する。レギュレーションフィードバックコントローラは、感知されたレギュレータ出力電圧と基準電圧との間の差を表す負のフィードバック制御信号を生成する。負のフィードバック制御信号は、一次電流パルス幅及び／又はデューティサイクルを調節するためＰＷＭレギュレーションコントローラに配路される。電流パルスは、感知された出力電圧の大きさを、基準電圧の大きさに向かって駆動されるようさせる方向に調節される。幾つかの実施例において、レギュレーションフィードバックコントローラは、一次及び二次側回路要素を電気的に隔離するようにオプトカプラを駆動し得る。
【0040】
補償ダイオード、及び平均化回路を備えた分圧器が、ＰＷＭサイクルにわたって平均化されたレギュレータ出力電流に比例する電流補償基準電圧を生成する。電流補償基準電圧は、レギュレーションフィードバックコントローラ基準電圧に付加され、これが、コンバータ出力電流の引き込みに比例してＰＷＭレギュレーションコントローラへの負のフィードバック信号を調節する。最終的な効果は、コンバータを電力供給されるデバイスに接続するケーブルにおける電圧降下に対する補償としてコンバータ出力電流の引き込みに比例してコンバータ出力電圧を増大させることである。
【0041】
本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得、多くの他の実施例が可能である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【国際調査報告】

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