JP2021184694A - 電圧調整のための装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力負荷で動作させることができるスイッチトキャパシタDC−DC(SC−DCDC)コンバータを提供する。【解決手段】コンバータ300Aにおいて、SCーDCDCコンバータ310は、スイッチトキャパシタ回路を含む。スイッチトキャパシタ回路は、少なくとも1つのキャパシタCFLYと、スイッチトキャパシタ回路に印加される入力電圧に応じて出力電流を供給する複数のメインスイッチSW1〜SW4と、追加の出力電流を選択的に供給する1つ以上のバイパストランジスタスイッチBYP1〜BYP3と、複数のメインスイッチ及び1つ以上のバイパストランジスタスイッチを制御するコントローラ370を含む。【選択図】図3A
Description
種々の実施形態は、全体として、電圧コンバータに関する。
スイッチトキャパシタDC−DC(SC−DCDC)コンバータは、典型的には、厳格な出力電力制限のために、または言い換えれば最大電流能力のために、一定の出力電圧(Vout)で設計される。出力電流が最大電流能力を超過すると、出力電圧が降下し始め、いわゆるドロップアウト状態となる。これは、システム内での低電圧監視トリガにつながるであろう。このようなSC−DCDCは、全てのピーク電流を完全な効率で供給するように設計する必要がある。一方、古典的なSC−DCDCは、LC−DCDCコンバータのようなより高い負荷に対して低下した効率を有する状態を有さない。
出力電流能力は、プロセス、電圧および温度の変動に大きく依存する場合があるため、SC−DCDCは、速度、温度、最小電圧および最大パルス出力電流に関して、最悪の境界条件または最悪のケースシナリオで設計する必要がある。結果として、典型的には、他の動作点の90%について多くの過大設計が存在し、例えば集積化された解決法のために設計されたチップについて、通常、非常に面積が大きくなる。
図面において、同じ参照符号は、全体として、異なる図面を通じて同じ部分を指す。図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに全体として本発明の基本方式を示すことに重点が置かれている。下記の説明において、本発明の種々の実施形態を、下記の図面を参照しながら説明する。
下記の詳細な説明は、例示として、本発明を実施することができる特定の詳細および実施形態を示す添付の図面を参照する。
本明細書において、「例示的」なる語は、「例、事例または例示として役立つこと」を意味するのに使用される。「例示的」と本明細書に記載された任意の実施形態または設計は、必ずしも、他の実施形態または設計より好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。
側面または表面の「上に」形成される堆積材料に関して使用される「上に」なる語は、本明細書において、堆積材料を暗示的な側面または表面の「上に直接に」形成することができ、例えば、これらと直接に接触可能であることを意味するのに使用することができる。側面または表面の「上に」形成される堆積材料に関して使用される「上に」なる語は、本明細書において、堆積材料を暗示的な側面または表面と堆積材料との間に配置される1つ以上の追加の層を伴って、暗示的な側面または表面の「上に間接的に」形成可能であることを意味するのに使用することができる。
図1に、スイッチトキャパシタDC−DC(SC−DCDC)コンバータ110を含む既知の回路構成100を示す。図2に、出力抵抗150の簡略化された等価モデルを示す。SC−DCDCコンバータ110は、1/2動作モードで示されている。SC−DCDCコンバータ110の電流能力を向上させるために、SC−DCDCコンバータの等価出力抵抗を下げる必要がある。これは、3つの重要なパラメータ:フライングキャパシタ値、スイッチング周波数、または電流パスの抵抗、すなわちスイッチの直列接続部、ボンディング部、パッケージの抵抗のうちの1つを調整することにより行うことができる。
ただし、CFLY値の直接的な変更は、典型的には、好ましい解決法ではなく、他のパラメータの相互依存性のために、同等のアウトプット抵抗に対する影響は非常に限られている。スイッチング周波数に関しては、多くの用途で、EMIの考慮により、固定のスイッチング周波数を有するのが好ましい。さらに、スイッチング周波数の上昇は、スイッチング損失の増加に直接につながり、効率を著しく低下させるおそれがある。
典型的には、電流パスRs(スイッチ、ボンディング部、パッケージ、PCB、内部および外部のチップ接続部等)の抵抗は、SC−DCDCコンバータの電流能力についてのボトルネックであり、その最適化は最大の改善につながる。しかし、こうした最適化は限られており、非常に費用がかかる。例えば、パッケージの種類による抵抗および接続の抵抗、例えば、クワッドフラットパッケージ(QFP)における結合およびボールグリッドアレイ(BGA)におけるボールの結合は、非常に限られているかまたは非常に費用がかかる。
いくつかのSC−DCDCコンバータは、出力負荷が最大電流能力を増大させる場合、スイッチングを停止し、バイパスモードであるLDOモードとなるように設計されている。ただし、当該解決法は、高出力負荷の問題を解決することができるものの、効率を大幅かつ急激に低下させてしまうおそれがある。
この問題の別の解決法は、フライングキャパシタの数を増やし、複数のSC−DCDCコンバータを高負荷で並列に動作させることである。このような解決法についての効率は非常に良好であるが、並列段数による面積の増加、ピン数の増加およびコストの増加が欠点である。
図3Aに、本開示の1つ以上の例示的な実施形態に係るコンバータ300を示す。図3に示されているコンバータ300は、SC−DCDCコンバータ310を含む。SC−DCDCコンバータ310は、公知のSC−DCDCコンバータ、例えば、図1に示したものであってよい。SC−DCDCコンバータまたは回路310は、ハーフ(1/2)モード動作で動作するように構成可能である。SC−DCDC回路310は、1つのフライキャパシタ(CFLY)と4つのスイッチ(メインスイッチSW1,SW2,SW3およびSW4)とを備えて示されているが、これは単に例示であり、他の変形例を実現することができる。すなわち、SC−DCDC回路310は、複数のフライキャパシタと異なる数のスイッチとを有することができ、他のモード、例えば、1/N[ここで、Nは整数である]で動作させることができる。
コンバータ、例えば、コンバータ300は、SC−DCDC回路に加えて、1つ以上のバイパススイッチの構成を含む。図3の例では、コンバータ300は、3つのバイパストランジスタスイッチ(BYP1〜3)の配置構成350をさらに含む。一般的には、コンバータ、例えば、コンバータ300は、任意の適切な数(1つ以上)のバイパススイッチを含むことができる。
本開示の例示的な実施形態によれば、バイパススイッチBYP1〜BYP3は、例えば、低ドロップアウト(LDO)レギュレータ回路のトランジスタバイパススイッチとすることができる。すなわち、配置構成350は、LDOレギュレータ回路と考えることができ、またはLDOレギュレータ回路として実装することができる。1つ以上の例示的な実施形態では、バイパストランジスタスイッチは、MOSFETスイッチを含むことができ、または使用することができる。
図3における配置構成350またはLDO350のバイパススイッチは、SC−DCDCコンバータ310のメインスイッチSW1〜SW4の延長として動作するように使用することができ、または構成されていることができる。より具体的には、バイパススイッチBYP1〜BYP3は、例えば、LDOのような効率で、余分な電流のわずかな部分を出力負荷に送出するように構成されていることができる。換言すれば、バイパススイッチは、SC−DCDC310により生成される出力電流を加算または補足することができる。さらに、コンバータ300では、配置構成350は、バイパストランジスタスイッチBYP1〜BYP3が例えばSC−DCDCコンバータ310の入力側(VIN)と出力側(VOUT)との間に接続されうるように実現可能である。このようにして、バイパストランジスタスイッチBYP1〜BYP3は、SC−DCDC回路310に対して並列な装置、例えば並列LDOを形成する。
本開示の例示的な実施形態によれば、コンバータ300は、メインSC−DCDCスイッチからの高効率出力電流と、バイパススイッチ(例えば、並列デジタルLDO)を通る低効率電流と、の組み合わせである負荷(RL)への出力電流を生成することができる。したがって、SC−DCDC回路の能力範囲の通常の終端における出力電圧の急激な降下の代わりに、コンバータ300は、わずかな効率低下を受けるのみで、動作を継続する。
本開示の例示的な実施形態によれば、コンバータ300は、SC−DCDCコンバータ310およびバイパススイッチBYP1〜BYP3を制御するためのコントローラ370を含む。すなわち、コントローラ370は、SC−DCDC回路310およびバイパススイッチ配置構成350(LDO)の両方を制御する単一のコントローラまたは共通のコントローラで実装することができる。コントローラ370から他の構成要素(例えば、SC−DCDC回路310、バイパススイッチBYP1〜BYP3、インタフェース等)への物理的および論理的接続は、簡略化のために示されていない。
コントローラ370は、SC−DCDCコンバータ310およびバイパススイッチBYP1〜BYP3のスイッチの開閉を制御することができる。さらに、コントローラ370は、SC−DCDCコンバータ310のスイッチについてのスイッチング周波数およびバイパススイッチBYP1〜BYP3についてのスイッチング周波数を制御することができる。
1つ以上の実施形態では、コントローラ370は、SC−DCDCコンバータ310がその最大能力に達するまで、例えば、SC−DCDCコンバータ310がその最大出力電流を出力するまで正常にまたはいかなる支援も受けずに動作するように構成されている。SC−DCDC310は、一定の電圧において、ただし所定の動作範囲内でのみ、負荷RLに出力電流を供給することができる。当該動作範囲の上限または最大境界を超過すると、SC−DCDCコンバータ310の性能が劣化し始めるであろう。したがって、これを防止するために、コントローラは、SC−DCDC回路310がその限界に達したときに、バイパストランジスタスイッチBYP1〜BYP3を制御して、SC−DCDC回路310の出力電流に補助電流を供給するように構成されている。
したがって、コントローラ370は、SC−DCDC310の出力電流が最大電流能力に達するかまたはこれを超過するときにのみ、バイパストランジスタスイッチBYP1〜BYP3のうちの1つ以上を閉じる(またはオンにする)ように構成可能である。その結果、総出力電流は、SC−DCDCコンバータ310のメインスイッチを介した高効率電流とバイパススイッチBYP1〜BYP3を介した低効率電流との混合または組み合わせとなる。このようなハイブリッド動作の場合、出力電圧の微調整は、依然として所与であって、純粋にSC−DCDCコンバータのメインスイッチにより定義されるものとなる。
したがって、コンバータ300は、要求される負荷電流が時々、SC−DCDCコンバータの最大電流能力を超過する場合がある用途に使用することができる。コンバータ300は、SC−DCDCコンバータのトポロジ(余分なフライングキャパシタまたはインダクタベースのDCDCのような、より拡張的なコンバータ)の変更を必要としない。さらに、SC−DCDCの最大電流能力よりはるかに高い出力負荷については、SC−DCDCと1つ以上のバイパストランジスタスイッチとの組み合わされた効率は、LDOの効率より依然としてはるかに高い。
一例では、コンバータ、例えばコンバータ300またはコンバータ300に類似するコンバータは、200mAの最大出力(Iout_max)用に設計されたSC−DCDC回路/コンバータを含むことができるが、予測されるリークがより大きいため、高温、例えば170℃において、250mAの実際の最大出力電流(Iout_max)を有しうる。コンバータ、例えばコンバータ300は、出力電流ILOADが200mAに達してシステムのリセットを引き起こした後に出力電圧が降下する代わりに、コントローラ(例えば、コントローラ370)が1つ以上のバイパススイッチをターンオンさせて(例えば、切り替えて/閉じて)、負荷に追加の50mAの電流を供給するように設計されうる。これにより、組み合わされた効率は依然として非常に高くなりうる。組み合わされた効率は、
のように推定可能である。式中、
I_loadは、負荷RLに流れる電流であり、
I_bypassは、バイパススイッチに送出される電流であり、
I_switchesは、I_load−I_bypassであって、SC−DCDCコンバータのメインスイッチに流れる電流であり、
Eff_maxは、1/2モードの場合のSC−DCDCの最大理論効率、すなわち
であり、
V_dropは、VDDに接続されたボンディングワイヤでの低下であり、
Eff_dropは、Iq(静止電流、または正しい動作に必要なSC−DCDCの内部回路によりVinから消費される電流(例えば、ADC、バイアス、SC−DCDCの内部回路のドライバおよび他の微小損失))による推定効率低下である。
I_loadは、負荷RLに流れる電流であり、
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I_switchesは、I_load−I_bypassであって、SC−DCDCコンバータのメインスイッチに流れる電流であり、
Eff_maxは、1/2モードの場合のSC−DCDCの最大理論効率、すなわち
V_dropは、VDDに接続されたボンディングワイヤでの低下であり、
Eff_dropは、Iq(静止電流、または正しい動作に必要なSC−DCDCの内部回路によりVinから消費される電流(例えば、ADC、バイアス、SC−DCDCの内部回路のドライバおよび他の微小損失))による推定効率低下である。
本開示の例示的な実施形態によれば、コンバータ、例えばコンバータ300またはコンバータ300に類似するコンバータのバイパススイッチは、バイパススイッチの抵抗またはコンダクタンスに関して、等しい比率または異なる比率で実現可能である。例えば、スイッチBYP1〜BYP3は、抵抗(またはコンダクタンス)に関して互いに整数倍になるように重み付けされる。
一例では、バイパストランジスタスイッチの構成(例えば、配置構成350等)は、合計9個のバイパストランジスタスイッチを含むことができる。さらに、このようなスイッチは、抵抗Rを有するいくつかのベーススイッチと、抵抗2×Rを有する1つのスイッチ(ベーススイッチ抵抗の2倍の抵抗を有するスイッチ)と、抵抗4×Rを有する1つのスイッチ(ベーススイッチ抵抗の2倍の抵抗を有するスイッチ)とを有するように実現または実装することができる。他の変形例も可能である。
本明細書に記載されたように、最良の動的および静的性能(精度、リップル、オーバーシュート/アンダーシュート、効率)を達成するために、SC−DCDCコンバータのメインスイッチおよびバイパストランジスタスイッチは、例えば、単一のコントローラにより制御される。バイパストランジスタスイッチのサイジングは、メインスイッチの性能により決めることができる。
本開示の例示的な実施形態によれば、本明細書におけるバイパストランジスタスイッチの制御は、単純なものとして実現することができる。例えば、出力負荷が最大に近い(例えば、メインスイッチの出力電流が最大に近い)場合、コントローラはバイパススイッチをイネーブルすることができる。同様に、負荷が低い(例えば、メインスイッチの出力電流が最大未満である)場合、コントローラは1つ以上のバイパススイッチをディスエーブルする(例えば、スイッチを開く)ことができる。本明細書に記載されたコントローラは、バイパススイッチをいつイネーブルするかまたは作動させるかを決定するために、他の測定値または因子を使用することができる。
例示的な実施形態では、コントローラは、SC−DCDC回路およびバイパススイッチからの電流の出力を、メインスイッチ(SC−DCDCから)とバイパススイッチとの間の(例えば、供給される電流に関して)厳密な区別なしに生じさせることができる。そのようにして、滑らかな同時動作を、動的性能における欠点(例えば、負荷およびラインジャンプの間のオーバーシュート/アンダーシュート)なしに実現することができる。
1つ以上の実施形態では、コントローラは、バイパススイッチをデジタル制御するように構成可能である。例えば、コントローラ、例えば、コントローラ370は、1つ以上の制御信号、例えば、SC−DCDCコンバータ(例えば、コンバータ310)のための制御語を出力することができる。制御出力語により、現在の動作点において出力負荷を供給するために、特定のスイッチを閉じることができる。
図3Bに、本開示の1つ以上の例示的な実施形態に係るコンバータ300Bを示す。コンバータ300Bは、いくつかの態様では、コンバータ300Aと同一または類似のものとすることができ、このようなコンポーネントは、図3Aのコンバータ300Aと同じ参照符号で指定することができる。
コンバータ300Bは、コントローラ370の代わりに、PIコントローラまたはPIDコントローラ385と、アナログデジタルコンバータ(ADC)375と、を含むことができる。コントローラ385は、負荷RLに供給された電圧VOUTを表す値をADC375から受け取ることができる。ADC375から受け取った当該入力または信号に基づいて、PIコントローラ385は、SC−DCDC回路310およびバイパスコンバータBYP1〜BYP3により適切な電圧出力を行うように構成可能である。すなわち、PIコントローラ385は、SC−DCDC310およびバイパスコンバータBYP1〜BYP3の両方を制御して、負荷RLに対する電圧を維持するのに適した出力を供給することができる。PIコントローラ385は、バイパスコントローラBYP1〜BYP3とのインタフェースにより、そのスイッチングのオン/オフを制御する。同様に、PIコントローラ385は、メインスイッチ(例えば、図3Bの例ではスイッチSW1〜SW4)の開放を制御する発振器390とのインタフェースまたは発振器390の制御を行うことができる。PIコントローラ385は、発振器の周波数を変更することができ、これは、メインスイッチの開閉に影響を及ぼし、その結果、負荷RLに供給される電流および電圧を変化させる。
本開示の種々の実施形態では、本明細書に記載されたコントローラは、コンダクタンスを取得するかつ/または決定することができる。当該コンダクタンスは、このようなコントローラのための制御語として使用することができる。決定されたコンダクタンスは、出力電力(例えば、固定電圧での出力電流の量)を定義することができる。例えば、当該コンダクタンスは、ADCから受け取った入力から取得するまたは決定することができる。
種々の例では、本明細書に記載されたコントローラは、この制御語を、バイパススイッチのための特定の調整信号に転送するまたは翻訳することができる。さらに、制御語を使用して、メインスイッチのスイッチング(開閉率)の周波数を変化させる発振器を制御することができる。
本実現形態では、バイパススイッチは、制御語の変更により毎回更新され、したがって、メインスイッチのスイッチング周波数に等しい場合がある制御語の更新の頻度で切り替えることができる。
図4に、コンバータ、例えばコンバータ300についての効率対出力負荷を示す。一定の2.97ボルトおよび3.3ボルトを出力負荷(アンペア単位で測定)対効率の範囲にわたって供給するためのコンバータについてのプロットを示す。どちらのプロットも、出力負荷要求(例えば、必要な電流)が増加するのにつれて、効率の急激な低下ではなく、緩やかな低下を示している。
図5に、本開示の少なくとも1つの例示的な実施形態に係る例示的なフロー図を示す。当該フロー図は、コンバータ、例えばSC−DCDC回路と、SC−DCDC回路の入力側と出力側との間に接続させるまたは結合させることができる1つ以上のバイパススイッチと、を有するコンバータ300等のコンバータのコントローラにより実施することができる方法またはプロセス500である。コントローラは、方法500に従って、SC−DCDC回路および1つ以上のバイパススイッチを制御することができる。
505において、コンダクタンス値を、コントローラにより取得するまたは決定することができ、ここで、当該コンダクタンス値は、コンバータが一定またはほぼ一定の電圧を維持するために、負荷にどの程度の電流を供給する必要があるかを示すものである。当該コンダクタンス値を得た後、510において、コントローラにより、当該コンダクタンス値が所定の閾値より大きいかまたは小さいかを決定することができる。当該閾値は、SC−DCDCコンバータのための最大コンダクタンスであることができる。換言すれば、当該最大コンダクタンス値は、SC−DCDCコンバータのメインスイッチが例えば一定の電圧で負荷に供給することのできる最大電流に相当することができる。
得られたコンダクタンスが閾値未満である場合には、コントローラにより、負荷に電流が供給されないように、1つ以上のバイパストランジスタスイッチをオフに保つための制御(例えば、制御信号による制御)が行われる。
510において、得られたコンダクタンス値が最大コンダクタンスより大きくなければ、ついでプロセスは515へと続行し、ここで、コントローラが、メインスイッチ(SC−DCDCコンバータ)に使用されるコンダクタンス値が505から得られたコンダクタンス値であることを判別する。つまり、得られたコンダクタンス値は、SC−DCDC回路が供給可能な電流の量(例えば、電流値)に対応する。ついで、プロセスは、530に進むことができる。530において、コントローラは、メインスイッチ/SC−DCDCコンバータについてのコンダクタンス値に従って電流を供給するように、メインスイッチを制御することができる。
510において、505で得られたコンダクタンス値が最大コンダクタンスより大きい場合には、プロセスは520に続き、520において、1つ以上のバイパストランジスタスイッチについてのコンダクタンス値が決定される。当該決定されたコンダクタンス値は、1つ以上のバイパススイッチが供給可能な電流の量(電流値)を示すことができる。
525において、コントローラは、メインスイッチについてのコンダクタンス値を決定する。したがって、当該コンダクタンス値は、(505において)得られたコンダクタンス値と(520において)バイパススイッチについて決定されたコンダクタンス値との間の差として決定することができる。すなわち、520で得られたコンダクタンスは、次の関係、
Conductance_total=Conductance_main_switches+Conductance_bypass
を満たす総コンダクタンスとなりうる。
Conductance_total=Conductance_main_switches+Conductance_bypass
を満たす総コンダクタンスとなりうる。
したがって、520において、バイパススイッチについて決定されたコンダクタンス値(Conductance_bypass)は、バイパススイッチにより実現可能な値であって、残りのコンダクタンス値がSC−DCDC回路により実現可能なコンダクタンス値(Conductance_main_switches)(例えば、SC−DCDC回路についての最大閾値未満)となるように選択される。
525の後に、プロセスは、530および535に進むことができる。530において、コントローラは、メインスイッチについてのコンダクタンス値(Conductance_main_switches)に基づいて負荷に電流を供給するように、メインスイッチを制御することができる。535において、コントローラは、バイパススイッチについてのコンダクタンス値(Conductance_bypass)に基づいて負荷に電流が供給されるように、バイパススイッチを(例えば同時に)制御することもできる。したがって、この場合、コントローラは、組み合わされた電流が負荷に供給されるように、メインスイッチおよび1つ以上のバイパストランジスタスイッチを制御する。
図5のプロセス500は、コントローラが負荷についての新たなコンダクタンス値または必要なコンダクタンス値を得ようとするとき、繰り返し行うことができる。例えば、コントローラは、負荷における電圧またはコンダクタンスを常時または繰り返し監視するまたは検出することにより、コンダクタンス値を得ることができる。負荷の電圧は、アナログデジタルコンバータ(図示せず)を介して、コントローラにより処理される値に変換されて、負荷における電圧を一定に保つために供給されるのに必要なコンダクタンスまたは必要な電流を決定することができる。
図6に、SC−DCDC回路のメインスイッチおよび複数のバイパストランジスタスイッチをデジタル制御するための例示的なフローを示す。図6のフローに使用している値、パラメータ、他の設定は単に例示的なものであり、説明の目的で使用する。
図6に示されているように、コントローラは、600において、コンダクタンス値を得ることができる。いくつかの例では、このことは、605において、完全な解像度、例えば22ビットの解像度で、コンダクタンス値を受け取ることから成っていてよい。プロセスは、610において、コンダクタンスを、例えば処理上の理由から、11ビット値に短縮するまたは切断することをさらに含むことができる。ただし、このような605および610は、必須でなくてよい。
プロセスは、615において、当該コンダクタンス値が最大コンダクタンス値よりも大きいかどうかの検査に進むことができる。図6の例では、当該最大コンダクタンス値(SC−DCDCコンバータのメインスイッチについての最大出力電流能力に対応する最大コンダクタンス値)は508であり、これは、175mAの電流に対応しうる。
得られたコンダクタンスの値が615における最大コンダクタンス値より小さい場合には、プロセスは620に進むことができる。620において、メインスイッチについてのコンダクタンス値は、当該得られたコンダクタンス値に設定される。ついで、640において、コントローラは、設定されたコンダクタンス値を使用して、SC−DCDCコンバータの数および/またはどのスイッチを制御するかを計算するまたは決定することができる。他の要因、例えば、メインスイッチを制御するスイッチング周波数を決定することができる。当該決定により、SC−DCDCコンバータを制御することができる。例えば、コントローラは、決定されたまたは計算されたパラメータに基づいてSC−DCDC回路を動作させるために、入力信号または制御信号を送出することができる。
得られたコンダクタンス値が615における最大コンダクタンス値より大きい場合には、プロセスは625に進む。図6におけるこの例では、得られたコンダクタンス値は509となりうるが、これは、最大コンダクタンス値である508より大きい。したがって、コントローラは、625に進み、バイパススイッチについてのコンダクタンス値を決定する。当該コンダクタンス値は、メインスイッチにより供給される電流を補足するために、バイパススイッチにより供給される電流の量に対応する。前述したように、コンバータにより供給される総電流は、メインスイッチの出力電流と1つ以上のバイパストランジスタスイッチの出力電流との総和である。したがって、バイパススイッチの決定されたコンダクタンス値は、メインスイッチについての残りのコンダクタンスがメインスイッチについての最大コンダクタンスより小さくなるように、最小値を満たす必要がある。
この場合、決定されたコンダクタンスは32でありうるので、メインスイッチにより供給される残りのコンダクタンスは、509−32である。
別の例示的な状況では、決定された総コンダクタンス値は515となりうるが、これも最大閾値を上回る。したがって、この例におけるバイパススイッチについてのコンダクタンスまたはコンダクタンス値の決定は、まず、閾値−32を超過する量を計算することにより行うことができ、ここで、32とは、最小値、またはバイパススイッチにより充足するまたは供給することができる最小コンダクタンス値に対応する。この場合、計算は、
515−(509−32)=38
となる。
515−(509−32)=38
となる。
次に、38/32の整数除算により、1を得る。当該値は、この例では、最小のバイパススイッチに対応し、このスイッチの制御に使用することができる。例えば、当該計算から得られた値が異なる場合、例えば1より大きい場合、最小のバイパススイッチ以外のバイパススイッチを使用することができる。
さらに、モジュロ32演算を38に適用(38%32)すると、値6が返される。この値は、メインスイッチにより供給されるコンダクタンス値に加えられるまたは含まれる分数補正値であり、すなわち、
(509−32)+(38%32)=477+6=483
となる。
(509−32)+(38%32)=477+6=483
となる。
その結果、メインスイッチは、コンダクタンス値483に対応する出力を供給し、バイパススイッチは、コンダクタンス値32に対応する出力を供給する。
本開示の例示的な実施形態によれば、出力負荷に一定の電圧を供給するためにメインスイッチのみを使用することから、メインスイッチとバイパススイッチとの両方を使用することへの切り替えは、SC−DCDC回路の最大電流能力への到達前に行うことができる。すなわち、コントローラ、例えばPIコントローラは、SC−DCDC回路がその最大出力に達する前に、SC−DCDC回路に加えて、バイパストランジスタを使用して、出力電流を供給させることができる。これにより、電流においてより良好な分解能を有するSC−DCDCからの出力電流の小さなリップルのより良好な調整が可能となる。したがって、最大閾値(バイパストランジスタの使用をいつ開始するかの決定に使用することができる)を、SC−DCDC回路の最大能力より低くすることができることを除いて、上記の例に記載されたのと同じ計算または手法を使用することができる。
本開示の例示的な実施形態に係るコンバータの設計に基づいて、バイパストランジスタスイッチのコンダクタンス値は、2のべき乗とすることができる。さらに、複数のバイパストランジスタスイッチを設ける場合、ベーススイッチと、ベーススイッチの倍数であるコンダクタンス値を有する1つ以上の他のスイッチと、を設けることができる。例えば、図6における場合のように、3つのバイパススイッチが存在する場合、これらのバイパススイッチは、44mA(128コンダクタンスに等しい)を送出するように構成された第1の(ベース)スイッチと、ベーススイッチの2倍の抵抗を有する、22mA(64コンダクタンスに等しい)を送出するように構成された第2のスイッチと、ベーススイッチの4倍の抵抗を有する、11mA(32コンダクタンスに等しい)を送出するように構成された第3のスイッチと、を有するサイズとすることができる。
したがって、バイパストランジスタについてのコンダクタンスを決定した後、このプロセスは、635へと続行することができる。635は、バイパストランジスタについての制御信号を生成することを含むことができる。
種々の実施形態では、バイパススイッチの重みが2^nであるため、バイパスについてのコンダクタンス(Conductance_bypass)を、シフトレジスタ演算を使用して、スイッチのための直接制御信号に分割し、変換することができる。上記の例において与えられたサイズを有するバイパススイッチでは、バイパストランジスタのコンダクタンス値を32で除算することにより、適切な制御信号を生成することができる。当該除算は、シフトレジスタ機能により達成することができる。
この例では、信号が、32での除算の後、より小さな値を有することになるため、コントローラは、制御信号のためのより少ない桁またはビット、例えば、最上位5桁(MSB)のみを考慮する必要があると考えることができる。制御信号を、図6にブロック番号0〜4で表されているインタフェースに供給することができ、ついで、このインタフェースは、バイパストランジスタスイッチを制御するまたはターンオンすることができる。バイパススイッチについてのコンダクタンス値を生成することにより、前述のように、残りの部分として、メインスイッチについてのコンダクタンス値を生成することができる。
いくつかの実施形態によれば、サーモメータコーディングを、スイッチとのインタフェースに使用することができる。サーモメータコーディングにより、整数値Nを、ビット数Mを有するバイナリ値に変換することができる。ここで、N個の下位LSBは1であり、他の全てのMSBは0である。例えば、整数5は、7ビットのサーモメータコード=0011111に翻訳するまたは変換することができる。図6では、インタフェース「4 3 2」は、2進数で整数値を表すことができ(例えば、5は、101である)、その後、サーモメータコーディングにより、44mAの電流に関連する7つのバイパススイッチを直接に制御する7ビットサーモメータコード(0011111)に変換される。
したがって、図6の方法は、640に進んで、SC−DCDCコンバータに必要なコンダクタンス(出力電流)を生成するためにどのスイッチが必要かを決定することもできる。
例示的な実施形態によれば、図5および図6の例示的なプロセスフローを繰り返すことができる。すなわち、本明細書に記載されたコントローラは、SC−DCDC回路および1つ以上のバイパストランジスタを制御して、出力負荷に一定の電圧で電流を供給する方法を繰り返しかつ継続的に決定するように構成可能である。
図7は、図6の例について、メインスイッチ/SC−DCDCコンバータにより提供されるコンダクタンス(Conductance_main_SW)、バイパストランジスタスイッチ全体により提供されるコンダクタンス(Conductance_main_switches)および3つの個々のスイッチ(n11mA_sw,n22mA_sw,n44mA_sw)により提供されるコンダクタンスにおいて、時間に対する出力負荷の変化が、負荷についての総コンダクタンス(Conductance_total)の変化にどのように影響するかの比較を示す例示的なグラフである。図示しているように、メインスイッチによるコンダクタンスが最大(この例では、508)に達するまで、バイパストランジスタスイッチにより、コンダクタンス(または電流)は提供されない。出力負荷を減少させるためには、全てを単純に逆にする。
下記の例は、更なる例示的な実施に関する。
例1は、コンバータであって、1つ以上のキャパシタ、およびスイッチトキャパシタ回路に印加される入力電圧に応じて出力電流を供給する複数のメインスイッチを含む、スイッチトキャパシタ回路を含むことができ、このコンバータはさらに、追加の出力電流を選択的に供給するように接続されており、コンバータの総電流出力がスイッチトキャパシタ回路により供給される出力電流と1つ以上のバイパストランジスタスイッチにより供給される任意の追加の出力電流との総和である、1つ以上のバイパストランジスタスイッチと、スイッチトキャパシタ回路の複数のメインスイッチおよび1つ以上のバイパストランジスタスイッチを、負荷により必要とされる電流に基づいて制御する共通コントローラと、を含む。
例2は、共通コントローラが、1つ以上のバイパストランジスタスイッチを制御して追加の出力電流を選択的に供給させるように構成可能である、例1記載の主題である。
例3は、共通コントローラが、1つ以上のバイパストランジスタスイッチを制御して追加の出力電流を選択的に供給させるように構成可能であり、共通のコントローラは、スイッチトキャパシタ回路の出力電流がスイッチトキャパシタ回路の最大電流能力に達するかまたはこれを超過する場合に、1つ以上のバイパストランジスタスイッチに追加の出力電流を供給させる、例2記載の主題である。
例4は、共通コントローラが、1つ以上のバイパストランジスタスイッチを制御して追加の出力電流を選択的に供給させるように構成されており、共通コントローラが、負荷に実質的に一定の電圧を供給するために、1つ以上のバイパストランジスタスイッチに追加の出力電流を供給させるように構成されている、例2または3記載の主題である。
例5は、共通コントローラが、負荷における電圧を測定するように構成可能である、例4記載の主題である。
例6は、共通コントローラが、負荷における電圧を検出するように構成されており、さらに、負荷において検出された電圧に基づいて、1つ以上のバイパストランジスタスイッチにより供給される追加の電流の量を制御するように構成可能である、例5記載の主題である。
例7は、共通コントローラが、スイッチトキャパシタ回路により供給される電流の量および1つ以上のバイパストランジスタにより供給される追加の電流の量をデジタル制御するように構成可能である、例1から6までのいずれか1つ記載の主題である。
例8は、負荷における電圧に対応する値を共通コントローラに供給するように構成されたアナログデジタルコンバータ(ADC)をさらに含むことができ、共通コントローラが、ADCにより供給される値に基づいて、スイッチトキャパシタ回路および1つ以上のバイパススイッチを制御するように構成されている、例7記載の主題である。
例9は、共通コントローラが、ADCにより供給される電圧に対応する値が最大閾値を超過したことを判別したことに応じて、1つ以上のバイパストランジスタスイッチをデジタル制御して追加の出力電流を供給させるように構成されている、例8記載の主題である。
例10は、共通コントローラが、バイパストランジスタスイッチのうちの少なくとも1つを選択的に閉じるように構成されていることにより、1つ以上のバイパストランジスタスイッチに追加の出力電流を供給させるように構成されている、例1から9までのいずれか1つ記載の主題である。
例11は、電圧調整のための方法であって、この方法は、コントローラにより、スイッチトキャパシタ回路と1つ以上のバイパストランジスタスイッチとを備えるコンバータにより出力負荷に供給されるべき総電流値を決定することと、コントローラにより、コンバータのスイッチトキャパシタ回路により供給されるべき、最大電流値より小さい第1の電流値を決定することと、コントローラにより、コンバータの1つ以上のバイパストランジスタスイッチにより供給されるべき、総電流値と第1の電流値との差である第2の電流値を決定することと、第1の電流値を有するスイッチトキャパシタ回路から出力負荷に電流を供給することと、第2の電流値を有する1つ以上のバイパストランジスタスイッチから出力負荷に電流を供給することと、を含むことができる。
例12は、総電流値が、出力負荷において実質的に一定の電圧を維持するための電流値であることができる、例11記載の主題である。
例13は、最大電流値が、スイッチトキャパシタ回路の最大出力電流能力であることができる、例11または12記載の主題である。
例14は、スイッチトキャパシタ回路から出力負荷に電流を供給することが、コントローラがスイッチトキャパシタ回路に第1の電流値を有する電流を出力させることを含むことができ、1つ以上のバイパストランジスタスイッチから出力負荷に電流を供給することが、コントローラが、1つ以上のバイパストランジスタスイッチに第2の電流値を有する電流を出力させることを含む、例11から13までのいずれか1つ記載の主題である。
例15は、コンバータであって、スイッチトキャパシタDC−DC(SC−DCDC)コンバータ回路と、SC−DCDCコンバータ回路の入力側および出力側に跨って互いに並列に接続された1つ以上のバイパストランジスタを含む低ドロップアウト電圧レギュレータ(LDO)と、SC−DCDCおよびLDOに共通のコントローラであって、SC−DCDCコンバータ回路を制御してコンバータの出力負荷に電流を供給させるように構成されており、さらに、最大出力能力で動作するSC−DCDCコンバータ回路に応じて、LDOを制御してSC−DCDCコンバータ回路からの電流を補助するための補助電流を供給させるようにさらに構成されている、コントローラと、を含むことができる、コンバータである。
例16は、LDOが、第1の電流値を有する電流を出力するように構成されたベーストランジスタスイッチと、第1の電流値の倍数である第2の電流値を有する電流を出力するように構成された少なくとも1つの第2のトランジスタスイッチと、を含む複数のバイパストランジスタスイッチを含み、LDOにより供給される電流は、複数のバイパストランジスタスイッチの各電流の総和である、例15記載の主題である。
例17は、コントローラが、複数のバイパストランジスタスイッチのうちの1つ以上を各スイッチング周波数で選択的に閉じさせることにより、複数のバイパストランジスタスイッチのうちの1つ以上を選択的に制御するように構成されている、例16記載の主題である。
例18は、最大出力能力で動作するSC−DCDCコンバータ回路が、最大出力可能電流を出力するSC−DCDCコンバータ回路を含むことができる、例17記載の主題である。
例19は、コントローラがSC−DCDC回路およびLDOを制御するように構成可能であり、これにより、コンバータによって出力負荷において実質的に電圧が維持される、例15から18までのいずれか1つ記載の主題である。
本発明を、特定の実施形態を参照して特に図示し説明したが、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において種々の変更が可能であることが当業者に理解されるべきである。このように、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により示され、したがって、特許請求の範囲の等価物の意味および範囲に該当する全ての変更が包含されることが意図されている。
Claims (19)
- スイッチトキャパシタ回路と、
1つ以上のバイパストランジスタスイッチと、
共通コントローラと、
を備えるコンバータであって、
前記スイッチトキャパシタ回路は、
1つ以上のキャパシタと、
前記スイッチトキャパシタ回路に印加される入力電圧に応じて出力電流を供給する複数のメインスイッチと、
を含み、
前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチは、追加の出力電流を選択的に供給するように構成されており、コンバータの総電流出力は、前記スイッチトキャパシタ回路により供給される出力電流と1つ以上のバイパストランジスタスイッチにより供給される任意の追加の出力電流との総和であり、
前記共通コントローラは、前記スイッチトキャパシタ回路の前記複数のメインスイッチおよび前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチを、負荷により必要とされる電流に基づいて制御する、
コンバータ。 - 前記共通コントローラは、前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチを制御して前記追加の出力電流を選択的に供給させるように構成されている、
請求項1記載のコンバータ。 - 前記共通コントローラは、前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチを制御して前記追加の出力電流を選択的に供給させるように構成されており、前記前記共通コントローラは、前記スイッチトキャパシタ回路の出力電流が前記スイッチトキャパシタ回路の最大電流能力に達するかまたはこれを超過する場合に、前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチに前記追加の出力電流を供給させる、
請求項2記載のコンバータ。 - 前記共通コントローラは、前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチを制御して前記追加の出力電流を選択的に供給させるように構成されており、前記共通コントローラは、前記負荷に実質的に一定の電圧を供給するために、前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチに前記追加の出力電流を供給させるように構成されている、
請求項2または3記載のコンバータ。 - 前記共通コントローラは、前記負荷における電圧を測定するように構成されている、
請求項4記載のコンバータ。 - 前記共通コントローラは、前記負荷における電圧を検出するように構成されており、さらに、前記負荷において検出された前記電圧に基づいて、前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチにより供給される追加の電流の量を制御するように構成されている、
請求項5記載のコンバータ。 - 前記共通コントローラは、前記スイッチトキャパシタ回路により供給される電流の量および前記1つ以上のバイパストランジスタにより供給される追加の電流の量をデジタル制御するように構成されている、
請求項1から6までのいずれか1項記載のコンバータ。 - 前記コンバータは、前記負荷における前記電圧に対応する値を前記共通コントローラに供給するように構成されたアナログデジタルコンバータ(ADC)をさらに備え、
前記共通コントローラは、前記ADCにより供給される前記値に基づいて、前記スイッチトキャパシタ回路および前記1つ以上のバイパススイッチを制御するように構成されている、
請求項7記載のコンバータ。 - 前記共通コントローラは、前記ADCにより供給される電圧に対応する値が最大閾値を超過したことを判別したことにより、前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチをデジタル制御して前記追加の出力電流を供給させるように構成されている、
請求項8記載のコンバータ。 - 前記共通コントローラは、前記バイパストランジスタスイッチのうちの少なくとも1つを選択的に閉じるように構成されていることにより、前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチに前記追加の出力電流を供給させるように構成されている、
請求項1から9までのいずれか1項記載のコンバータ。 - 電圧調整のための方法であって、
コントローラにより、スイッチトキャパシタ回路と1つ以上のバイパストランジスタスイッチとを備えるコンバータにより出力負荷に供給されるべき総電流値を決定することと、
コントローラにより、前記コンバータの前記スイッチトキャパシタ回路により供給されるべき、最大電流値より小さい第1の電流値を決定することと、
コントローラにより、前記コンバータの前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチにより供給されるべき、総電流値と前記第1の電流値との差である第2の電流値を決定することと、
前記第1の電流値を有する前記スイッチトキャパシタ回路から前記出力負荷に電流を供給することと、
前記第2の電流値を有する前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチから前記出力負荷に電流を供給することと、
を含む方法。 - 前記総電流値は、前記出力負荷において実質的に一定の電圧を維持するための電流値である、
請求項11記載の方法。 - 前記最大電流値は、前記スイッチトキャパシタ回路の最大出力電流能力である、
請求項11または12記載の方法。 - 前記スイッチトキャパシタ回路から前記出力負荷に電流を供給することは、前記コントローラが前記スイッチトキャパシタ回路に前記第1の電流値を有する電流を出力させることを含み、
前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチから前記出力負荷に電流を供給することは、前記コントローラが前記1つ以上のバイパストランジスタスイッチに前記第2の電流値を有する電流を出力させることを含む、
請求項11から13までのいずれか1項記載の方法。 - スイッチトキャパシタDC−DC(SC−DCDC)コンバータ回路と、
前記SC−DCDCコンバータ回路の入力側および出力側に跨って互いに並列に接続された1つ以上のバイパストランジスタを含む低ドロップアウト電圧レギュレータ(LDO)と、
前記SC−DCDCおよび前記LDOに共通のコントローラと、
を備えるコンバータであって、
前記コントローラは、前記SC−DCDCコンバータ回路を制御して前記コンバータの出力負荷に電流を供給させるように構成されており、さらに、最大出力能力で動作する前記SC−DCDCコンバータ回路に応じて、前記LDOを制御して前記SC−DCDCコンバータ回路からの電流を補助するための補助電流を供給させるように構成されている、
コンバータ。 - 前記LDOは、第1の電流値を有する電流を出力するように構成されたベーストランジスタスイッチと、前記第1の電流値の倍数である第2の電流値を有する電流を出力するように構成された少なくとも1つの第2のトランジスタスイッチと、を含む複数のバイパストランジスタスイッチを含み、
前記LDOにより供給される電流は、前記複数のバイパストランジスタスイッチの各電流の総和である、
請求項15記載のコンバータ。 - 前記コントローラは、前記複数のバイパストランジスタスイッチのうちの1つ以上を各スイッチング周波数で選択的に閉じさせることにより、前記複数のバイパストランジスタスイッチのうちの1つ以上を選択的に制御するように構成されている、
請求項16記載のコンバータ。 - 最大出力能力で動作する前記SC−DCDCコンバータ回路は、最大出力可能電流を出力する前記SC−DCDCコンバータ回路を含む、
請求項17記載のコンバータ。 - 前記コントローラは、前記SC−DCDC回路および前記LDOを制御するように構成されており、これにより、前記コンバータによって前記出力負荷において実質的に電圧が維持される、
請求項15から18までのいずれか1項記載のコンバータ。
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