JP2003527062A - 低電力モード中の多相スイッチング電源の向上した効率 - Google Patents

低電力モード中の多相スイッチング電源の向上した効率

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Abstract

(57)【要約】 低電力モード中の損失を最小限に抑える多相電源である。特定の一実施例では、多相電源は、互いに対して平行に結合された複数のスイッチングレギュレータを含み得る。多相電源は、スイッチングレギュレータの各々に結合された位相制御回路をさらに含む。位相制御回路は、スイッチングレギュレータが互いに対して位相がずれるようにスイッチングレギュレータのスイッチングを制御するための複数の制御信号を生成するよう構成されている。マイクロプロセッサの低電力動作モード中、位相制御回路は、スイッチングレギュレータのサブセットの各々への複数の制御信号のうちの少なくとも１つを取除く、またはディスエーブルにすることによって、スイッチングレギュレータのサブセットの動作を選択的に停止させるよう構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
１．技術分野 この発明は電源の分野に関し、より特定的には多相スイッチング電源に関する
。
【０００２】 ２．背景技術 電源はさまざまな種類の装置に用いられている。さまざまな利点および欠点を
持つ数多くの特化された種類の電源がある。コンピュータ内のマイクロプロセッ
サは、高レベルの効率を維持しつつ高レベルの電流を調整する電源回路を必要と
する場合がある。
【０００３】 そのような種類の特化された電源回路の１つが、スイッチングレギュレータで
ある。スイッチングレギュレータは通常、調整されていない入力よりも低い電圧
を有する出力を提供し、同時に、調整されていない電源から引かれた電流よりも
高い電流を有する出力を提供する。これは、飽和モードと非導通モードとの間を
絶えず切替わっている受動トランジスタによって達成される。受動トランジスタ
は飽和しているか非導通であるかのどちらかなので、電力損失は非常に低い。し
たがって、スイッチングレギュレータは、大量の電流を高い効率で調整可能であ
る。
【０００４】 スイッチングレギュレータの欠点の１つは、「リップル効果」として公知であ
る。リップル効果とは、真のＤＣ電流を生成するために平滑化しなければならな
い、出力電圧における周期的な変動であるリップルのことを指す。リップル効果
問題は、多数のスイッチングレギュレータを並行に結合し、それらが互いに対し
て位相がずれるように動作させることによって、減少する、または除去される場
合がある。この構成は、多相スイッチングレギュレータとして公知である。多相
スイッチングレギュレータは通常、高い効率で高い電流出力を作り出し、それと
同時にリップルも減少させる。したがって、多相スイッチングレギュレータは、
高レベルの電流と効率とが望まれる電源回路において使用されるものとして一般
的な選択となっている。
【０００５】 多くのマイクロプロセッサは、低電力動作モードにおいて選択的に動作するよ
う構成されている。低電力モード中、マイクロプロセッサは、ある機能ブロック
（たとえば不活性なもの）の電源を下げるよう、および／またはその内部クロッ
クの周波数を減少させるよう構成される場合がある。マイクロプロセッサのある
部分の電源を下げ、および／またはクロック周波数を減少させることは、電力消
費を有利に削減し得る。マイクロプロセッサが通常の動作モードに戻ると、マイ
クロプロセッサは比較的より大量の電流を引込む。
【０００６】 残念ながら、マイクロプロセッサが低電力モードで動作している場合、生成さ
れる総電流の割合としては、多相スイッチングレギュレータはより効率が悪くな
る。これは、スイッチングレギュレータ内のトランジスタが通常の動作モード中
と同じ周波数で引続きスイッチングしているからである。トランジスタが同じ周
波数でスイッチングしているため、スイッチングに伴う容量損失は、低電力動作
モード中と通常動作モード中とで同じである。しかし、低電力動作モード中には
引込まれる電流はより少ないため、生成される総電流の割合としてはスイッチン
グはより効率が悪くなる。したがって、低電力動作モード中のスイッチングに関
連する電力損失を低下させる、改良された多相電源回路が望まれている。
【０００７】
【発明の開示】
上述の問題は、低電力動作モード中の電力損失を低下させる電源によって、大
部分が解決されるかも知れない。一実施例では、多相電源は、互いに対して平行
に結合された複数のスイッチングレギュレータを含む。各スイッチングレギュレ
ータは並行して動作してもよく、各々は互いに対して位相がずれるように制御さ
れていてもよい。特定の一実施例では、各スイッチングレギュレータは同期式ス
イッチングレギュレータであってもよい。多相電源は、複数のスイッチングレギ
ュレータに結合された位相制御回路をさらに含む。位相制御回路は、低電力動作
モード中、スイッチングレギュレータのうちの少なくとも１つの動作を選択的に
停止させるよう構成されている。位相制御回路は、スイッチングレギュレータの
スイッチングを、それらが互いに対して位相がずれるように制御するよう、さら
に構成されていてもよい。
【０００８】 多相電源のさまざまな実施例は、通常の動作モード中の比較的高い電流能力を
有利に可能にし、一方、低電力動作モード中の損失を最小限に抑えるかも知れな
い。低電力動作モード中にスイッチングレギュレータのサブセットの動作を停止
させることによって、停止させられたスイッチングレギュレータのトランジスタ
に関連する容量スイッチング損失がなくなり得る。したがって、電源の全体とし
ての効率が向上し得る。
【０００９】 以下の好ましい実施例の詳細な説明を以下の図面と共に検討すると、この発明
のよりよい理解が得られる。
【００１０】 この発明にはさまざまな変更および代替的な形状の余地がある一方、その特定
の実施例が例として図面に示されており、以下により詳細に説明される。しかし
、図面およびその詳細な説明は、この発明を開示された特定の形状に限定する意
図はなく、むしろ逆に、この発明は特許請求の範囲に規定されるようなこの発明
の精神および範囲内に入るすべての変更、均等物、および代替物を網羅するもの
であるということが、理解されるべきである。
【００１１】
【発明を実行するための形態】
図１は、多相電源１００の特定の一実施例を示している。多相電源１００は、
１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、および１１０Ｄとして示される複数の同期式ス
イッチングレギュレータを含む。同期式スイッチングレギュレータ１１０Ａ〜Ｄ
は、個々にまたは一括して、スイッチングレギュレータ１１０と言及される場合
がある。スイッチングレギュレータ１１０は、ノード１７０でマイクロプロセッ
サ１６０へ電力を提供するよう結合されている。多相電源１００は、スイッチン
グレギュレータ１１０の各々に結合された位相制御回路１５０をさらに含む。異
なる実施例では、スイッチングレギュレータは４つよりも多い、または少なくて
もよい、ということに注意することが重要である。
【００１２】 図示された実施例では、各スイッチングレギュレータ１１０は、電源端子Ｖｃ
ｃと接地との間に結合された１対のトランジスタ（たとえばトランジスタ１０１
および１０２、トランジスタ１１１および１１２など）を含む。各スイッチング
レギュレータ１１０は、ダイオード（たとえばダイオード１０３、１１３など）
、インダクタ（たとえばインダクタ１０４、１１４など）、およびキャパシタ（
たとえばキャパシタ１０５、１１５など）をさらに含む。なお、各スイッチング
レギュレータ１１０を実現するために、他の特定の回路構成を採用してもよい。
【００１３】 位相制御回路１５０は、スイッチングレギュレータ１１０が互いに対して位相
がずれて動作するように、スイッチングレギュレータ１１０内のトランジスタの
状態を制御するための複数の制御信号を生成するよう構成されている。特定の一
実施例では、位相制御回路１５０は、セムテック（Semtech）ＳＣ１１４４集積
回路を含んでいてもよい。以下にさらに詳細に説明されるように、位相制御回路
１５０はまた、低電力動作モード中にスイッチングレギュレータ１１０のサブセ
ットの動作を選択的に停止させるさらなる回路も含み、それによって効率を向上
させることができる。
【００１４】 図２‐４は、多相電源１００の動作の局面を示している。図２および３は、通
常の動作モード中のトランジスタ１０１、１１１、１２１、および１３１に関連
する例示的なデューティサイクルを示すタイミング図である。図４は、低電力動
作モード中のトランジスタ１０１、１１１、１２１、および１３１に関連する例
示的なデューティサイクルを示すタイミング図である。
【００１５】 図１および２を一括して参照すると、位相制御回路１５０は、動作の異なる位
相中に、トランジスタ１０１、１１１、１２１、および１３１をそれぞれ活性化
する（つまりオンにする）。第１の位相（位相１）動作の間、トランジスタ１０
１はオンとなり、一方、トランジスタ１１１、１２１、および１３１はオフとな
る。各スイッチングレギュレータ１１０は同期式レギュレータとして具体化され
ているため、トランジスタ１０１がオンになると、トランジスタ１０２は（位相
制御回路１５０からの対応する制御信号に応答して）オフとなる。このため、位
相１の間、電流はＶｃｃからトランジスタ１０１とインダクタ１０４とを通って
流れ、キャパシタ１０５を充電する。位相１の間ではまた、トランジスタ１１１
、１２１、および１３１はオフとなり、トランジスタ１１２、１２２、および１
３２はオンとなる。
【００１６】 次の位相（位相２）動作の間、位相制御回路１５０は、トランジスタ１０１を
オフにし、トランジスタ１０２をオンにする。トランジスタ１０２がオンでトラ
ンジスタ１０１がオフとなる場合、インダクタ１０４を通る電流の流れは瞬時に
は変更できないため、電流は引続きインダクタ１０４を通って一時的に流れ、キ
ャパシタ１０５を充電するかも知れない。トランジスタ１０２は、この電流用の
帰路を提供する。
【００１７】 位相２の間ではまた、スイッチングレギュレータ１１０Ｂのトランジスタ１１
１がオンになり、トランジスタ１１２がオフとなる。したがって、前の説明と同
様、キャパシタ１１５は、Ｖｃｃからトランジスタ１１１を通る電流の流れによ
って充電される。位相３および４の間にスイッチングレギュレータ５１０Ｃおよ
び５１０Ｄに引き続いて起こる動作も同様である。
【００１８】 位相制御回路１５０は、出力電圧であるＶｏｕｔをノード１７０でフィードバ
ック制御信号を介してモニタし、それに従ってトランジスタ１０１、１１１、１
２１、および１３１のデューティサイクルを調整して一定の電圧レベルを維持す
るよう、さらに構成されていてもよい。図３は、図１のトランジスタ１０１、１
１１、１２１、および１３１のデューティサイクルが、たとえば、マイクロプロ
セッサ１６０による電流引込みが減少するために小さくなる例示的な状態を示し
ている。ノード１７０で出力電圧が減少する場合、つまり、マイクロプロセッサ
１６０による電流引込みが増加するため、トランジスタ１０１、１１１、１２１
、および１３１のデューティサイクルは、図２の例に比べて増加する。
【００１９】 前述のように、マイクロプロセッサ１６０は、低電力動作モードで動作するよ
う構成されている。そのような動作モード中、マイクロプロセッサ１６０が必要
とする電流はより少ない。低電力動作モードは、たとえば、あるシステム不活性
を望む通りに検出する電力管理ユニット（図示せず）によって制御されてもよい
。位相制御回路１５０は、マイクロプロセッサ１６０が目下低電力モードで動作
していることを示す低電力モード制御信号がアサートされると、スイッチングレ
ギュレータ１１０のサブセット（たとえばスイッチングレギュレータ１１０Ｂ、
１１０Ｃ、および１１０Ｄ）の動作を選択的に停止させるよう構成されている。
低電力モード制御信号は、電力管理ユニットから受けてもよい。図４に示すよう
に、この実施例では、位相制御回路１５０は、低電力モード中のスイッチングレ
ギュレータ回路１１０Ｂ、１１０Ｃ、および１１０Ｄの動作を、関連するスイッ
チングトランジスタ１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、および１３２に
提供される制御信号を、トランジスタがオフの状態に保持されるように取除く（
またはさもなければドライブする、もしくはディスエーブルにする）ことにより
停止させる。このモード中、スイッチングレギュレータ１１０Ａは、前述のよう
にその通常な態様で動作する。
【００２０】 図５は、多相電源５００の別の実施例を示している。図５の多相電源５００は
、トランジスタ１０２、１１２、１２２、および１３２が省かれているという点
で、図１の多相電源１００とは異なる。このため、図５の、たとえば５１０Ａ、
５１０Ｂ、５１０Ｃおよび５１０Ｄといったスイッチングレギュレータは、同期
式レギュレータではない。各スイッチングレギュレータ５１０のそれぞれのダイ
オード、つまりダイオード５０３、５１３、５２３、または５３３は、関連する
トランジスタ、つまりトランジスタ５０１、５１１、５２１、または５３１がオ
フの場合に、流れる電流に帰路を提供する。
【００２１】 多相電源のさまざまな実施例は、通常の動作モード中の比較的高い電流能力を
有利に可能にし、一方、低電力動作モード中の損失を最小限に抑え得る。低電力
動作モード中にスイッチングレギュレータのサブセットの動作を停止させること
によって、停止させられたスイッチングレギュレータのトランジスタに関連する
容量スイッチング損失がなくなり得る。したがって、電源の全体としての効率が
向上し得る。
【００２２】 なお、上述の実施例では、全部で４つのスイッチングレギュレータが電源の各
々に示されているが、その他の数のスイッチングレギュレータが提供されている
他の実施例も可能である。同様に、上述の実施例では、低電力動作モード中、ス
イッチングレギュレータの１つを除くすべては動作が停止するが、任意の数のス
イッチングレギュレータが停止される他の実施例も可能である。
【００２３】 上述の開示を一旦十分に理解すれば、さまざまな変形および修正が当業者には
明らかとなるであろう。特許請求の範囲はそのような変形および修正をすべて含
むと解釈されることが意図されている。
【００２４】
【産業上の利用可能性】
この発明は電源に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 多相電源の特定の一実施例を示す図である。
【図２】 通常の動作モード中の図１の選択されたトランジスタのデューテ
ィサイクルを示すタイミング図である。
【図３】 通常の動作モード中の図１の選択されたトランジスタの減少した
デューティサイクルを示すタイミング図である。
【図４】 低電力動作モード中の図１の選択されたトランジスタのデューテ
ィサイクルを示すタイミング図である。
【図５】 多相電源の別の実施例を示す図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年２月２２日（２００２．２．２２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルナンデス，カール アメリカ合衆国、78729 テキサス州、オ ースティン、ラッケンバハ・レーン、6508 (72)発明者 チェン，メアリー アメリカ合衆国、78759 テキサス州、オ ースティン、ノルマンディ・リッジ・レー ン、3606 Ｆターム(参考） 5H730 AA14 AS01 AS19 BB03 BB13 DD04 DD12 EE75 FG16 FG23

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１のスイッチングレギュレータ回路（１１０Ａ）と、 第２のスイッチングレギュレータ回路（１１０Ｂ）と、 前記第１のスイッチングレギュレータ回路および前記第２のスイッチングレギ
    ュレータ回路に結合された位相制御回路（１５０）とを含む電源であって、前記
    位相制御回路は、前記第１および第２のスイッチングレギュレータ回路のスイッ
    チングを制御するための複数のスイッチング制御信号を生成するよう構成されて
    おり、 前記電源は、 前記位相制御回路が、低電力動作モードを示す信号を受けるのに応答して、前
    記第２のスイッチングレギュレータの動作を選択的に停止させるよう構成されて
    いることを特徴とする、電源。
  2. 【請求項２】 第１のスイッチングレギュレータ回路（１１０Ａ）と、 第２のスイッチングレギュレータ回路（１１０Ｂ）と、 第３のスイッチングレギュレータ回路（１１０Ｃ）と、 第４のスイッチングレギュレータ回路（１１０Ｄ）と、 前記第１のスイッチングレギュレータ回路、前記第２のスイッチングレギュレ
    ータ回路、前記第３のスイッチングレギュレータ回路、および前記第４のスイッ
    チングレギュレータ回路に結合された位相制御回路（１５０）とを含む電源であ
    って、前記位相制御回路は、前記第１、第２、第３、および第４のスイッチング
    レギュレータ回路のスイッチングを制御するための複数のスイッチング制御信号
    を生成するよう構成されており、 前記電源は、 前記位相制御回路が、低電力動作モードを示す信号を受けるのに応答して、前
    記第２、第３、および第４のスイッチングレギュレータ回路の動作を選択的に停
    止させるよう構成されていることを特徴とする、電源。
  3. 【請求項３】 前記位相制御回路（１５０）は、前記低電力動作モード中、
    前記第２のスイッチングレギュレータ（１１０Ｂ）回路の動作を、前記第２のス
    イッチングレギュレータ回路への前記複数の制御信号のうちの少なくとも１つを
    ディスエーブルにすることによって選択的に停止させる、請求項１または２に記
    載の電源。
  4. 【請求項４】 前記第１および第２のスイッチングレギュレータ回路の各々
    は、第１のトランジスタ（１０１、１１１）と第２のトランジスタ（１０２、１
    １２）とを含み、前記位相制御回路は、前記制御信号を用いて前記第１および第
    ２のトランジスタを選択的に活性化、および非活性化する、先行する請求項のい
    ずれかに記載の電源。
  5. 【請求項５】 前記位相制御回路（１５０）は、前記第１および第２のスイ
    ッチングレギュレータ回路が互いに対して位相がずれるように、前記第１および
    第２のスイッチングレギュレータ回路を選択的に活性化、および非活性化する、
    先行する請求項のいずれかに記載の電源。
  6. 【請求項６】 前記第１および第２のスイッチングレギュレータ回路の各々
    は、 前記第１のトランジスタが活性化されることに応答して、前記第１のトランジ
    スタから電荷を受けるように結合されたキャパシタ（１０５、１１５）と、 前記第１のトランジスタが非活性化されることに応答して、前記キャパシタへ
    電流を提供するよう前記キャパシタに結合されたインダクタ（１０４、１１４）
    とをさらに含む、先行する請求項のいずれかに記載の電源。
  7. 【請求項７】 前記第１および第２のスイッチングレギュレータ回路（５１
    ０Ａ、５１０Ｂ）の各々は、第１のトランジスタ（５０１、５１１）を含み、前
    記位相制御回路は前記第１のトランジスタを選択的に活性化、および非活性化す
    る、請求項１または２に記載の電源。
  8. 【請求項８】 前記位相制御回路（１５０）は、前記第１および第２のスイ
    ッチングレギュレータ回路が互いに対して位相がずれるように、前記第１および
    第２のスイッチングレギュレータ回路（５１０Ａ、５１０Ｂ）を選択的に活性化
    、および非活性化する、請求項７に記載の電源。
  9. 【請求項９】 前記第１および第２のスイッチングレギュレータ回路の各々
    は、 前記第１のトランジスタが活性化されることに応答して、前記第１のトランジ
    スタから電荷を受けるように結合されたキャパシタと、 前記第１のトランジスタが非活性化されることに応答して、前記キャパシタへ
    電流を提供するよう前記キャパシタに結合されたインダクタとをさらに含む、請
    求項８に記載の電源。
  10. 【請求項１０】 マイクロプロセッサと、 前記マイクロプロセッサに結合された、請求項１から９のいずれかに記載の電
    源とを含む、コンピュータシステム。
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