JP2016154439A - 連続的に可変なスイッチドキャパシタdc−dc電圧コンバータ - Google Patents
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Abstract
Description
あるDC電圧レベルを別のレベルに変換する一種の装置は、DC−DCコンバータとしてよく知られている。DC−DCコンバータは、携帯電話、ラップトップコンピュータなど、装置のさまざまなサブシステムが複数の別々の電圧レベルを要求する、電池で動作する装置に一般的に含まれている。多数の異なるモードで動作する、携帯電話のようなある種の装置において、動作モードに対して最も効率的なレベルの電源電圧を、パワーアンプのような特定の素子に供給することが特に望ましいが、そうでなければ電力を浪費して電池をより速く消耗させる。そのような装置において、より多くの数の異なる電圧レベルを生成することが可能なDC−DCコンバータを用いることが望ましい。
発明の実施形態は、各々が異なる複数の電圧レベルの1つに対応する2以上の選択可能なモードを切換えることによって、多数の別々の電圧レベルのうちのいずれかだけではなく、それらの別々の電圧レベルの間の中間の値の出力信号を生成可能なスイッチング電圧コンバータに関する。例示的な実施の形態において、電圧コンバータは、複数のモード構成を有するスイッチマトリクスと、比較器ロジック回路と、制御ロジック回路とを含み得
る。各々のモード構成は、複数の出力信号電圧のうちの1つに対応する。モード構成は、モード制御信号に応答して選択可能である。比較器ロジック回路は、出力信号を参照信号と比較して方向比較信号を生成するように実現される。制御ロジック回路は、方向比較信号に応答してモード制御信号を生成するように実現される。例示的な実施の形態において、電圧変換方法は、複数のモード構成を有するスイッチマトリクスを用いて、モード制御信号に応答してモード構成を選択するステップを含み得る。各々のモード構成は、複数の出力信号電圧のうちの1つに対応する。出力信号は参照信号と比較されて方向比較信号を生成する。方向比較信号は、モード制御信号を生成するために用いられる。
電圧のうちの1つに対応する。各々の比較器の第2の入力は、出力信号に結合されて、各々の比較器は対応する比較信号を与える。
図1に示されるように、発明の例証的な、または例示的な実施の形態において、電圧コンバータ10は、2つの容量12および14と、スイッチマトリクス16と、比較器回路18と、制御ロジック回路20とを含む。参照電圧信号(V_REF)が制御入力として電圧コンバータ10に与えられる。以下に説明する方式において、電圧コンバータ10は、参照電圧信号に対応する、または追随する出力電圧信号(V_OUT)を生成する。電圧コンバータ10は、さらに、クロック信号発生回路22と、イネーブル(ENABLE)信号によって活性化され得る、関連する発振器24とを含む。イネーブル信号は、以下に説明する動作の間有効に保たれる。
容量回路が充電する第1のフェーズ構成、または、相互接続された容量12および14によって定義される容量回路が放電する第2のフェーズ構成を担うことができる。スイッチマトリクス16は、出力ノード26において容量回路の出力を与える。動作において、スイッチマトリクス16は、クロック信号に応答して第1のフェーズ構成および第2のフェーズ構成の間で交互に切換わる。容量28のようなフィルタ回路は、出力ノード26に接続されて出力電圧信号にフィルタをかけることができる。
,44,46,50,52,56は開いており、スイッチ40,48,54は閉じている。スイッチ40,48,54の閉状態の組合せは、容量12および14を、バッテリによって与えられる基準参照電圧(V_BATT)のような正の電位と、出力ノード26との間に直列に接続させる。すなわち、1/3モードの第2のフェーズ構成において、互いに直列な容量12および14によって定義される容量回路は、出力ノード26に対して充電する。
ち、1/2Bモードの第2のフェーズ構成において、互いに並列な容量12および14によって定義される容量回路は、出力ノード26に対して放電する。
2は、比較器58−64の出力を含む比較信号30を受ける。比較信号30は、組合せロジック回路に対する入力として与えられ得る。組合せロジック回路は、ロジックゲートの回路網(図示せず)のような任意の適切な形態で与えられ得る。明確さの目的のため、組合せのロジック回路は、本明細書において、図7に示されるテーブル80の形態で表現される。しかしながら、当業者は、テーブル80の論理をロジックゲートの回路網、または他の適切な形態で直ちに提供することができる。モード選択ロジック回路32は、比較信号30と組合せのロジックとに応答してモード選択信号36(図1)を出力する。
けられたクロック信号をフリップフロップ82−88のクロック入力へと与える。
れていない。
、クロック信号に応答して行なわれ、第1のフェーズ構成は、各々のクロックサイクルの一方の1/2の間に生じ、第2のフェーズ構成は、各々のクロックサイクルの他の1/2の間に生じる。このフェーズ切換は、モード切換と並行して行なわれる。ブロック114および116によって示されるように、比較器回路18(図1)は、出力電圧信号(V_OUT)を、参照信号(V_REF)と比較して比較信号30を生成する。比較信号は、出力電圧信号と参照電圧信号とのうちのどちらが他よりも強度において大きいかを示す方向比較信号を含む。制御ロジック回路20は、そのモードを、ブロック118によって示されるように、V_OUTがV_REF未満である場合には、より高い出力電圧に対応するモードへと切換える。制御ロジック回路20は、そのモードを、ブロック120によって示されるように、V_OUTがV_REFより大きい場合には、より低い出力電圧に対応するモードへと切換える。例示的な実施の形態において、バッテリ電圧に対して相対的に固定されたレベルを有する3つのモードが本質的に必要である。3つのモードとは、すなわち、V_OUTがバッテリ電圧の1/3である電圧レベルへと駆動される1/3モード、V_OUTがバッテリ電圧の1/2である電圧レベルへと駆動される1/2モード、およびV_OUTがバッテリ電圧の2/3である電圧レベルへと駆動される2/3モードである。これらのモードのうちの2つの間で切換わることにより、制御ロジック回路20は、V_REFが2つのモードに対応する電圧の間にあるときに、V_OUTの平均値をV_REFにほぼ等しくさせる。例示的な実施の形態において3つのモードが存在するが、他の実施の形態において、より多い、あるいはより少ないモードがあってもよい。同様に、例示的な実施の形態において、V_OUTがバッテリ電圧へと駆動されるモードおよびV_OUTが接地へと駆動されるモードは存在しないが、他の実施の形態ではそのようなモードも含まれ得る。
Claims (15)
- 電圧コンバータであって、
複数のモード構成を有するスイッチマトリクスを備え、各々のモード構成は、複数の出力信号電圧のうちの1つに対応し、前記モード構成は、モード制御信号に応答して選択可能であり、
前記出力信号を参照信号と比較して、方向比較信号を生成するように実現された比較器ロジック回路と、
前記方向比較信号に応答して前記モード制御信号を生成するように実現された制御ロジック回路とをさらに備える、電圧コンバータ。 - 各々のモード構成は、電位と出力ノードとの間に互いに接続された複数の容量を有する容量回路によって定義され、
各々のモード構成は、前記容量回路が充電される第1のフェーズ構成と、前記容量回路が放電される第2のフェーズ構成とを有し、
前記スイッチマトリクスは、クロック信号に応答して、選択されたモード構成の前記第1のフェーズ構成と前記第2のフェーズ構成との間で切換わり、前記選択されたモード構成に対応する出力信号電圧を有する出力ノードにおいて出力信号を生成する、請求項1に記載の電圧コンバータ。 - 前記方向比較信号は、前記出力信号と前記参照信号とのうちのどちらが大きいかを示し、
前記制御ロジック回路は、前記参照信号が前記出力信号よりも大きいことを示す前記方向比較信号に応答して、前記参照信号よりも大きい出力信号電圧に対応するモード構成を選択するためにモード制御信号を生成し、
前記制御ロジック回路は、前記出力信号が前記参照信号よりも大きいことを示す前記方向比較信号に応答して、前記参照信号よりも小さい出力信号電圧に対応するモード構成を選択するために前記モード制御信号を生成する、請求項1に記載の電圧コンバータ。 - 前記スイッチマトリクスは、3つのモード構成を有し、
前記3つのモード構成は、
基本参照電圧の1/3の出力信号電圧に対応する第1のモード構成と、
前記基本参照電圧の1/2の出力信号電圧に対応する第2のモード構成と、
前記基本参照電圧の2/3の出力信号電圧に対応する第3のモード構成とを含む、請求項1に記載の電圧コンバータ。 - 前記比較器ロジック回路は、
複数の比較器と、
複数の参照電圧レベルを生成して、選択された参照電圧レベルを、各々の比較器の第1の入力に与える電圧レベル発生器とを含み、
各々の電圧レベルは、前記複数の出力信号電圧のうちの1つに対応し、
各々の比較器の第2の入力は、前記出力信号に結合され、
各々の比較器は、対応する比較信号を出力する、請求項4に記載の電圧コンバータ。 - 前記複数の比較器は、3つの比較器を含み、
第1の比較器は、前記出力信号を、基準参照電圧の第1の割合の電圧を有する第1の参照電圧信号と比較して第1の比較信号を生成し、前記第1の比較信号は、前記出力信号電圧が前記基準参照電圧の前記第1の割合を上回るかどうかを示し、
第2の比較器は、前記出力信号を、基準参照電圧の前記第1の割合よりも大きい、前記基準参照電圧の第2の割合の電圧を有する第2の参照電圧信号と比較して第2の比較信号
を生成し、前記第2の比較信号は、前記出力信号電圧が前記基準参照電圧の前記第2の割合を上回るかどうかを示し、
第3の比較器は、前記出力信号を、基準参照電圧の前記第2の割合よりも大きい、前記基準参照電圧の第3の割合の電圧を有する第3の参照電圧と比較して第3の比較信号を生成し、
前記第3の比較信号は、前記出力信号電圧が前記基準参照電圧の前記第3の割合を上回るかどうかを示す、請求項5に記載の電圧コンバータ。 - 前記3つのモード構成は、
前記基本参照電圧の前記第1の割合の出力信号電圧に対応する第1のモード構成と、
前記参照電圧の前記第2の割合の出力信号電圧に対応する第2のモード構成と、
前記参照電圧の前記第3の割合の出力信号電圧に対応する第3のモード構成とを含む、請求項6に記載の電圧コンバータ。 - 前記第1の割合は、1/3であり、
前記第2の割合は、1/2であり、
前記第3の割合は、2/3である、請求項7に記載の電圧コンバータ。 - 前記組合わせのロジック回路は、前記第1の比較信号が、前記出力信号電圧が前記基本参照電圧の前記第1の割合を上回らないことを示し、かつ、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも大きいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の前記第1の割合の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記組合わせのロジック回路は、前記第1の比較信号が、前記出力信号電圧が前記基本参照電圧の前記第1の割合を上回ることを示し、前記第2の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の前記第2の割合を上回らないことを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも小さいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の前記第1の割合の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記組合わせのロジック回路は、前記第1の比較信号が、前記出力信号電圧が前記基本参照電圧の前記第1の割合を上回ることを示し、前記第2の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の前記第2の割合を上回らないことを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも大きいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の前記第2の割合の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記組合わせのロジック回路は、前記第2の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の前記第2の割合を上回ることを示し、前記第3の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の前記第3の割合を上回らないことを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも小さいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の前記第2の割合の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記組合わせのロジック回路は、前記第2の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の前記第2の割合を上回ることを示し、前記第3の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の前記第3の割合を上回らないことを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも大きいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の前記第3の割合の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記組合わせのロジック回路は、前記第3の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の前記第3の割合を上回ることを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも小さいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の前記第3の割合の出力信号電圧に対応するモード構成を選択する、請求項7に記載の電圧コンバータ。 - 電圧コンバータにおける電圧変換の方法であって、
複数のモード構成を有するスイッチマトリクスを用いて、モード制御信号に応答してモ
ード構成を選択するステップを備え、各々のモード構成は、複数の出力信号電圧のうちの1つに対応し、
前記出力信号を参照信号と比較して、方向比較信号を生成するステップと、
前記方向比較信号に応答して前記モード制御信号を生成するステップとをさらに備える、方法。 - 各々のモード構成は、電位と出力ノードとの間に互いに接続された複数の容量を有する容量回路によって定義され、
モード構成を選択するステップは、前記容量回路における前記複数の容量を構成するステップを含み、
各々のモード構成は、前記容量回路が充電される第1のフェーズ構成と、前記前記容量回路が放電される第2のフェーズ構成とを有し、
モード構成を選択するステップは、クロック信号に応答して、選択されたモード構成の前記第1のフェーズ構成と前記第2のフェーズ構成との間で切換わり、前記選択されたモード構成に対応する出力信号電圧を有する出力ノードにおいて出力信号を生成するステップを含む、請求項10に記載の方法。 - 前記方向比較信号は、前記出力信号と前記参照信号とのうちのどちらが、強度において大きいかを示し、
前記モード制御信号を生成するステップは、
前記参照信号が前記出力信号よりも大きいことを示す前記方向比較信号に応答して、前記参照信号よりも大きい出力信号電圧に対応するモード構成を選択するステップと、
前記出力信号が前記参照信号よりも大きいことを示す前記方向比較信号に応答して、前記参照信号よりも小さい出力信号電圧に対応するモード構成を選択するステップとを含む、請求項10に記載の方法。 - 前記スイッチマトリクスは、3つのモード構成を有する、請求項10に記載の方法。
- 前記3つのモード構成は、
基本参照電圧の1/3の出力信号電圧に対応する第1のモード構成と、
前記参照電圧の1/2の出力信号電圧に対応する第2のモード構成と、
前記参照電圧の2/3の出力信号電圧に対応する第3のモード構成とを含み、
前記出力信号を参照信号と比較するステップは、さらに、前記出力信号を、前記基本参照電圧の1/3の電圧を有する第1の参照電圧信号と比較して、前記出力信号電圧が前記基本参照電圧の1/3を上回るかどうかを示す第1の比較信号を生成するステップを含み、
前記出力信号を参照信号と比較するステップは、さらに、前記出力信号を、前記基本参照電圧の1/2の電圧を有する第2の参照電圧信号と比較して、前記出力信号電圧が前記基本参照電圧の1/2を上回るかどうかを示す第2の比較信号を生成するステップを含み、
前記出力信号を参照信号と比較するステップは、さらに、前記出力信号を、前記基本参照電圧の2/3の電圧を有する第3の参照電圧信号と比較して、前記出力信号電圧が前記基本参照電圧の2/3を上回るかどうかを示す第3の比較信号を生成するステップを含む、請求項13に記載の方法。 - 前記制御ロジック回路は、前記第1の比較信号が、前記出力信号電圧が前記基本参照電圧の1/3を上回らないことを示し、かつ、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも大きいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の1/3の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記制御ロジック回路は、前記第1の比較信号が、前記出力信号電圧が前記基本参照電
圧の1/3を上回ることを示し、前記第2の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の1/2を上回らないことを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも小さいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の1/3の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記制御ロジック回路は、前記第1の比較信号が、前記出力信号電圧が前記基本参照電圧の1/3を上回ることを示し、前記第2の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の1/2を上回らないことを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも大きいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の1/2の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記制御ロジック回路は、前記第2の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の1/2を上回ることを示し、前記第3の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の2/3を上回らないことを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも小さいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の1/2の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記制御ロジック回路は、前記第2の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の1/2を上回ることを示し、前記第3の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の2/3を上回らないことを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも大きいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の2/3の出力信号電圧に対応するモード構成を選択し、
前記制御ロジック回路は、前記第3の比較信号が、前記出力電圧が前記基本参照電圧の2/3を上回ることを示し、前記方向比較信号が、前記参照信号が前記出力信号よりも小さいことを示す場合に、前記モード制御信号を生成して、前記基本参照電圧の2/3の出力信号電圧に対応するモード構成を選択する、請求項14に記載の方法。
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