JP5222725B2 - 集積された理想的なダイオード機能を有する二入力dc/dc変換器 - Google Patents

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Description

この開示は電力供給システムに関し、特に、電子装置へ電力を供給するための入力電源を選択するための回路構成および技法に関する。
大抵の携帯電子装置は、2つ以上の入力電源から動作する能力を備える。一次(非充電式)電池または二次(充電式)電池に加え、携帯電子装置はウォールアダプタ、スーパーキャパシタ、バックアップ電池またはユニバーサル・シリアル・バス(USB)ポートなどの補助電源を使用することがある。
入力電源からの電力は携帯電子装置内に設けられた1つ以上のDC/DC変換器へ供給され、入力電圧をマイクロプロセッサ、小型ハードディスクドライブ、デジタル回路構成、入力/出力レール、無線周波数および音声回路構成、ならびに他の回路に必要とされる正確なバイアスレベルへ調整する。これらのDC/DC変換器には、自身の効率を最大化し、電池寿命を延ばし、および/または発熱を最小限に抑えるために、最も適切な入力電源を選択する能力が必要とされる。
大抵の場合、ウォールアダプタまたは他の電池でない電源は充電式電池によって電力が供給される携帯装置にプラグ接続されると、電池に代わって電力を供給するので、電池をできるだけ短時間で再充電することができる。非充電式電池によって電力が供給される携帯装置の場合は、補助電源は非充電式電池が交換されている間に電力を提供して揮発性メモリを保持することができる。補助電源が外されると、携帯装置は電池によって電力が供給される。
したがって携帯電子装置は、電池と補助電力供給とをシームレスに切換える何らかの入力電力選択手段に依拠しなければならない。切換回路構成は、入力電源が決して直接互いに接続されず、かつ1つの入力電源が選択されない場合に逆電流を阻止することを確実にする必要がある。また、理想的なダイオード機能を実現する切換回路構成を提供して、主な電力経路に追加抵抗またはダイオード順電圧降下を設置することによるシステム効率の低下を回避することが望ましいであろう。
したがって、電力効率を最大化し、発熱を最小限に抑えて携帯電子装置の電池寿命を延ばす入力電源を選択するための回路が必要とされる。さらに、最小限の数の構成要素を用いてこの回路を作製し、製造性およびコストを向上させることが望ましいであろう。
開示の要約
本開示は、複数の電源からパワーデバイスへ電力を供給するための新規のシステムおよび技法を提供する。開示の1つの局面によると、電力供給システムは、第1の電源からの電力を負荷へ提供するための第1の入力と、第2の電源からの電力を負荷へ提供するための第2の入力と、第1の入力および第2の入力に結合されて第1の入力または第2の入力を選択する入力セレクタと、入力信号を負荷へ供給される調整された出力信号へ変換するための第1のトランジスタデバイスを有するレギュレータとを備える。入力セレクタは、第1の入力が選択された場合に第1のトランジスタデバイスを制御して活性化させ、第2の入力が選択された場合に活性化されるよう制御される第2のトランジスタデバイスを有
する。
本開示の実施例によると、第1および第2のトランジスタデバイスは並列接続された電界効果トランジスタであり得る。第2の入力が選択された場合に第1のトランジスタデバイスが不活性化されるのに対し、第1の入力が選択された場合に第2のトランジスタデバイスが不活性化され得る。
入力セレクタ回路は、第1および第2の入力に応答して第1および第2のトランジスタデバイスを制御するためのセンシング回路を備え得る。また入力セレクタ回路は、センシング回路によって活性化されて第1および第2のトランジスタデバイスをそれぞれ制御するための第1および第2のドライバ回路を備え得る。
電力レギュレータは、入力信号から出力信号への変換を制御するためのパルス変調制御回路を備え得る。第1および第2のドライバ回路はパルス変調制御回路によって制御されて第1および第2のトランジスタデバイスを駆動し得る。
開示の他の局面によると、電力レギュレータは、第1の電源からの電力を供給するための第1の電力供給入力と、第2の電源からの電力を供給するための第2の電力供給入力とを有する。電力レギュレータは、第1の電力供給入力か第2の電力供給入力かを選択して入力信号を生成する入力選択回路と、入力信号を調整された出力信号へ変換する電力変換回路とを備える。電力変換回路は、入力信号から出力信号への変換を制御するためのパルスモジュレータ回路と、第1の電力供給入力が選択された場合の入力信号から出力信号への変換をサポートするようにパルスモジュレータ回路によって制御可能である第1のトランジスタデバイスと、第2の電力供給入力が選択された場合の入力信号から出力信号への変換をサポートするようにパルスモジュレータ回路によって制御可能である第2のトランジスタデバイスとを備える。
本開示の方法によると、電力レギュレータを介して第1の電源または第2の電源からパワーデバイスへ電力を選択的に供給するために以下のステップが実行される:すなわち第1の電源か第2の電源かを選択して、入力電力供給信号をパワーデバイスへ供給される調整された出力電力供給信号へ変換するための第1のトランジスタスイッチを有する電力レギュレータへ入力電力供給信号を与えるステップと、第1の電源が選択された場合に第1のトランジスタスイッチを活性化して入力電力供給信号を供給するステップと、第2の電源が選択された場合に第1のトランジスタスイッチに並列に配置された第2のトランジスタスイッチを活性化して入力電力供給信号を供給するステップと、である。
この方法はさらに、第1および第2の電源からの電力供給を検知して第1の電源か第2の電源かを選択するステップをさらに備え得る。
本開示を実行するために企図されるベストモードの例示としてのみ本開示の実施例が図示および説明される以下の詳細な説明から、開示の付加的な利点および局面が当業者に容易に明らかになるであろう。以下に記載されるように、本開示は本開示の思想から逸脱することなく、他の異なる実施例が可能であり、かついくつかの詳細な点はさまざまな自明の点において修正され得る。したがって、図面および説明は限定的ではなく本質的に例示として認識されるべきである。
本開示の実施例の以下の詳細な説明は、以下の図面と関連して読まれると一番よく理解することができ、以下の図面においては、特徴は必ずしも同じ割合で描かれていないが、関連する特徴を最もよく図示するように描かれている。
実施例の詳細な開示
本開示は、電池かウォールアダプタかを選択するための回路構成の例を用いてなされる。しかし、ここに記載の概念はいかなる電源の選択にも適用できることが明らかになるであろう。
図1は、さまざまな入力電源間の選択の概念を図示する入力選択回路10を示す。回路10は、論理OR構成で接続されて電池12かウォールアダプタ14かの選択を提供する直列ダイオードD1およびD2を備える。一方の入力電源によって生成される電圧が他方の電源によって生成される電圧よりも一方のダイオードの電圧降下分だけ高い場合、電圧が高い方の電源から電力が取られることになる。入力電力はDC/DC変換器16へ供給され、これは、調整されたDC信号をその出力18で生成する。
この技術の不利な点は、入力電力経路が直接直列ダイオードを介して設けられていることである。典型的なシリコンダイオードの0.6Vの降下は、入力電力に正比例した電力損失に貢献することになる。この損失は、入力電圧が減少するにつれてより大きくなる。シリコンダイオードを、シリコンダイオードよりも電圧降下が実質的に小さいショットキー整流器に交換すれば、電力損失を減少させることができる。
図2は、図1に示されるダイオード回路10に関して改良された入力電力選択回路20を図示している。入力電力選択回路20は、入力電源12、14とDC/DC変換器16との間に接続されるPチャネルMOSFETトランジスタQ1およびQ2を含む。MOSFET選択チャネルを有する入力電力選択回路の例として、本主題の譲受人であるリニアー テクノロジー コーポレイションによって開発されたLTC(登録商標)4411およびLTC(登録商標)4413モノリシック理想ダイオードがある。
MOSFETトランジスタは、ダイオードよりも小さい電圧降下を提供するために線形領域で動作する。それぞれの入力電源をDC/DC変換器16に接続するMOSFETの両端の電圧降下は、100mΩよりも低くなり得るMOSFETトランジスタのドレイン−ソースオン状態抵抗Rds(on)に比例する。通常の順方向動作の間、各MOSFETチャネルは電流に比例した順電圧降下を提供し得る。
センシング回路22は両方の入力電圧源を検知し、高い方の電圧を有する入力電源に接続されたMOSFETをオンする。同時に、他方のMOSFETはオフ状態に駆動されて逆導通を防止する。MOSFETに基づいた回路20はダイオードに基づいた回路10に対して改良されているが、依然として電力経路に追加抵抗を設置するため、電流の二乗で増加する電力損失をもたらす。その結果、システムの効率が低下して電池寿命が短くなる。さらに、入力電圧を検知および比較し、外部MOSFETを適切な状態へ駆動するために追加回路が必要となる。
図3は、効率をさらに向上させて電池寿命を延ばす二入力調整システム30を図示している。調整システム30は、電池12およびウォールアダプタ14などのそれぞれの入力電源に接続された2つの入力42および44と、調整されたDC出力電圧を生成するための出力46とを有するDC/DC変換器40を備える。本開示はバック−ブーストレギュレータとして動作するDC/DC変換器40の例を用いてなされるが、当業者であればここに記載の概念はバックレギュレータにも適用できることを認識するであろう。
DC/DC変換器40はスイッチングレギュレータ集積回路(IC)内に配置され得る。DC/DC変換器40の外側に外部入力電力選択回路構成は設けられない。さらに、後でより詳細に述べるように、入力電源12か入力電源14かを選択するための回路構成は
、電力調整機能を実行するためにDC/DC変換器40内に存在する構成要素のいくつかを利用する。これにより効率が著しく向上する。同時に、発熱が減少して効率および信頼性がさらに向上する。
図4は例示的なDC/DC変換器40の簡略化された配置を示しており、これは、パルス幅変調(PWM)制御回路50によって制御される単一のインダクタL、ならびにMOSFETスイッチSWA、SWB、SWCおよびSWDを備えており、入力電圧Vinに応答して、調整されたDC電圧Voutを出力46で生成する。インダクタLは端子52と54との間に接続され得る。出力コンデンサCは出力端子Voutに結合される。このような配置がバック−ブースト電力調整をサポートし、入力電圧VinがVoutよりも高いまたは低い場合に調整された出力電圧Voutを発生させる。
特に、入力電圧Vinが出力電圧Voutよりも高い場合、DC/DC変換器40はバックモードで動作する。このモードにおいて、単一の入力電圧源からの入力電圧Vin1のみが存在すると仮定すると、MOSFETスイッチSWAおよびSWBは、出力電圧Voutをバックモードで調整するのに必要なデューティサイクルDbuckでPWM制御回路50によって交互に切換えられる。スイッチSWAがオンのときはスイッチSWBはオフである。同様に、スイッチSWAがオフのときはスイッチSWBはオンである。バックモードでは、スイッチSWCは常にオフであり、スイッチSWDは常にオンである。
入力電圧VinがVoutよりも小さい場合、DC/DC変換器40はブーストモードで動作する。このモードにおいて、単一の入力電圧源からの入力電圧Vin1のみが存在すると仮定すると、スイッチSWAは常にオンであり、スイッチSWBは常にオフであり、スイッチSWCおよびSWDは、出力電圧Voutをブーストモードで調整するために選択されるデューティサイクルDboostでPWM制御回路50によって交互に切換えられる。
入力電圧Vinが出力電圧Voutに近い場合、DC/DC変換器40はバック−ブーストモードで動作し、バックモードとブーストモードとの間のスムーズな移行を達成する。バック−ブーストモードでは、スイッチSWAおよびSWBはデューティサイクルDbuckでPWM制御回路50によって交互に切換えられ、スイッチSWCおよびSWDはデューティサイクルDboostでPWM制御回路によって交互に切換えられる。デューティサイクルDbuckおよびDboostは、入力電圧Vinが減少するにつれ徐々に段階的にバックモードでなくなって段階的にブーストモードに入ることができるよう、または入力電圧Vinが増加するにつれブーストモードからバックモードへの漸進的な移行を達成するよう制御される。
代替的に、本開示のDC/DC変換器40は同期バックレギュレータとして実現され得る。この場合、DC/DC変換器40はMOSFETスイッチSWAおよびSWBのみを含む。
上述の電力調整機能に加え、本開示のDC/DC変換器40は、電池12およびウォールアダプタ14などの複数の入力電源の間の選択を提供する。特に、DC/DC変換器40は第2の電源からの電力供給をサポートするための追加MOSFETスイッチSWA′を含む。たとえば、電力調整を行なうための通常のDC/DC変換器内に典型的に設けられたMOSFETスイッチSWAの1つの電極はインダクタLに接続され、他の電極はウォールアダプタ14からの入力電圧Vin1を供給する入力44に接続され得る。追加MOSFETスイッチSWA′は、スイッチSWAに並列に接続され得る。MOSFETスイッチSWA′の1つの電極はインダクタLに接続され、他の電極は電池12からの入力電圧Vin2を供給する入力42に接続され得る。
またDC/DC変換器40は、大多数の実現例において電力供給入力42および44に接続され、電力供給入力42および44のどちらがより高い入力電圧を提供するかを決定するためのセンシング回路56を備える。代替的に、一方の入力に優先権を与え、この入力に印加される電圧がプログラムされたレベルを超えた場合に常に活性化されるようにしてもよい。センシング回路56の出力信号は、MOSFETスイッチSWAおよびSWA′のゲートをそれぞれ駆動するようPWM制御回路50によって制御されるドライバ58および60へ供給される。
ウォールアダプタ14からの入力電圧Vin1が電池12からの入力電圧Vin2よりも低い場合、センシング回路56はドライバ58を制御してSWAのスイッチングを不活性化し、ドライバ60を制御して、スイッチSWAの代わりに動作する追加MOSFETスイッチSWA′のスイッチングを活性化する。しかし、電池12からの入力電圧Vin2がウォールアダプタ14からの入力電圧Vin1よりも低い場合は、センシング回路56はドライバ60を制御して追加MOSFETスイッチSWA′のスイッチングを活性化し、ドライバ58を制御してMOSFETスイッチSWAのスイッチングを活性化する。したがってセンシング回路56は、それぞれの入力電圧が他方の入力電圧よりも低い場合に、MOSFETスイッチSWAおよびSWA′の一方を不活性化し、他方のMOSFETスイッチを活性化する。
したがって、入力電圧Vin2が入力電圧Vin1よりも低い場合、MOSFETスイッチSWAはPWM制御回路50によって制御されて上述の態様で電力調整手続に加わり、入力電圧Vin1に応答して、調整された出力電圧Voutを生成する。しかし入力電圧Vin1が入力電圧Vin2よりも低い場合は、スイッチSWAの代わりに追加MOSFETスイッチSWA′が活性化されて電力調整手続に加わり、入力電圧Vin2に応答して、調整された出力電圧Voutを発生する。
電力調整機能を実行するためのDC/DCコントローラ内にMOSFETスイッチSWAが既に存在しているため、本開示の入力電力選択機能に必要なのは1つの追加MOSFETトランジスタのみである。さらに、追加MOSFETトランジスタSWA′はトランジスタSWAに並列に接続され、このトランジスタと交互に動作する。したがって、電力経路に追加抵抗は導入されない。その結果、入力電力選択回路構成の電力効率が向上して電池寿命が延びる。同時に、発熱が減少して効率および信頼性がさらに向上する。
追加MOSFETトランジスタSWA′、センシング回路56、ならびにドライバ58および60は、MOSFETスイッチSWA、SWB、SWCおよびSWDとともにスイッチングレギュレータ集積回路内に集積され得る。したがって、外部回路構成が完全に無くなり、回路の複雑度が大幅に低下する。
スイッチSWAおよびSWA′はPチャネルMOSFETトランジスタを用いて実現され得る。代替的に、NチャネルMOSFETスイッチまたはバイポーラトランジスタスイッチを利用してもよい。
上記の説明は本発明の局面を図示および説明している。また、本開示は好ましい実施例のみを図示および説明しているが、上述のように、本発明はここに記載された発明概念の範囲内で、上記の教示内容、および/または関連技術の技能もしくは知識に対応して、さまざまな他の組合せ、修正、および環境において使用可能であり、変更または修正が可能である。
上述の実施例はさらに、本発明を実行する、知られるベストモードを説明し、かつ当業
者が本発明をそのような、または他の実施例において、本発明の特定的な応用または使用によって必要とされるさまざまな修正を加えて利用できるよう意図されている。
したがって、本説明は本発明をここに開示された形態に限定することを意図するものではない。また、添付の請求項は他の実施例を含んで解釈されるよう意図されている。
入力電源を選択するためのダイオード回路を示す図である。 入力電源を選択するためのMOSFET回路を示す図である。 二入力DC/DC変換器を示す図である。 図3に示される変換器の簡略化された配置を示す図である。

Claims (14)

  1. 電力供給システムであって、
    第1の電源からの電力を負荷へ提供するための第1の入力と、
    第2の電源からの電力を前記負荷へ提供するための第2の入力と、
    前記第1の入力および前記第2の入力に結合されて前記第1の入力と前記第2の入力との間を選択する入力セレクタと、
    バック−ブーストモードで動作するように構成されるとともに、単一のインダクタと、前記第1の入力と前記インダクタとの間に結合される第1のトランジスタデバイスと、前記インダクタに結合される第2,第3および第4のトランジスタデバイスと、前記第1、第2、第3および第4のトランジスタデバイスの制御電極に供給される制御信号を生成するための制御回路とを有し、入力信号が出力信号よりも低い場合または前記入力信号が前記出力信号よりも高い場合に、前記第1、第2、第3および第4のトランジスタデバイスのスイッチングを制御して前記入力信号を前記負荷へ供給される調整された前記出力信号へ変換するための電力レギュレータとを備え、
    前記入力セレクタは、前記第2の入力と前記インダクタとの間に結合された追加のトランジスタデバイスと、前記第1の入力における第1の入力電圧および前記第2の入力における第2の入力電圧を検出するためのセンシング回路と、前記制御回路から制御信号を受信し、前記第1のトランジスタデバイスおよび前記追加のトランジスタデバイスをそれぞれ制御するための第1および第2のドライバ回路とを含み、
    前記センシング回路は、前記第1の入力電圧が前記第2の入力電圧よりも低い場合には、前記第1のドライバ回路を制御して前記第1のトランジスタデバイスのスイッチングを非活性化するとともに、前記第2のドライバ回路を制御して前記追加のトランジスタデバイスのスイッチングを活性化し、
    前記センシング回路は、前記第2の入力電圧が前記第1の入力電圧よりも低い場合には、前記第1のドライバ回路を制御して前記第1のトランジスタデバイスのスイッチングを活性化するとともに、前記第2のドライバ回路を制御して前記追加のトランジスタデバイスのスイッチングを非活性化させ、
    前記第1の入力は、前記第1のトランジスタデバイスに電気的に直接接続され、
    前記第2の入力は、前記追加のトランジスタデバイスに電気的に直接接続され、
    前記第1および追加のトランジスタデバイスは、前記単一のインダクタに電気的に接続される、システム。
  2. 前記追加のトランジスタデバイスは前記第1のトランジスタデバイスに並列に接続される、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記制御回路は、前記入力信号から前記出力信号への変換を制御するためのパルス幅または周波数変調制御回路である、請求項1に記載のシステム。
  4. 前記第1および第2のドライバ回路は前記第1および追加のトランジスタデバイスを駆動するように前記パルス幅または周波数変調制御回路によって制御可能である、請求項3に記載のシステム。
  5. 前記第1および追加のトランジスタデバイスは電界効果またはバイポーラトランジスタである、請求項1に記載のシステム。
  6. 前記電力レギュレータはDC/DC変換を提供するよう構成される、請求項1に記載のシステム。
  7. 前記入力セレクタは電池からの電力の供給か補助電源からの電力の供給かを選択するよう構成される、請求項1に記載のシステム。
  8. 電力レギュレータであって、
    第1の電源からの電力を供給するための第1の電力供給入力と、
    第2の電源からの電力を供給するための第2の電力供給入力と、
    バック−ブーストモードで動作するように構成され、入力信号を調整された出力信号へ変換するための電力変換回路と、
    前記第1の電力供給入力か前記第2の電力供給入力かを選択して前記入力信号を生成するための入力選択回路とを備え、
    前記電力変換回路は、
    前記入力信号から前記出力信号への変換を制御するためのパルスモジュレータ回路と、
    前記入力信号が前記出力信号よりも低い場合または前記入力信号が前記出力信号よりも高い場合に、前記入力信号から前記出力信号への変換をサポートするように前記パルスモジュレータ回路によって制御可能である第1、第2、第3および第4のトランジスタデバイスと、
    前記第1、第2、第3および第4のトランジスタデバイスに電気的に接続された単一のインダクタとを備え、
    前記入力選択回路は、前記インダクタに電気的に接続された追加のトランジスタデバイスと、前記第1の電力供給入力における第1の入力電圧および前記第2の電力供給入力における第2の入力電圧を検出するためのセンシング回路と、前記パルスモジュレータ回路から制御信号を受信し、前記第1のトランジスタデバイスおよび前記追加のトランジスタデバイスをそれぞれ制御するための第1および第2のドライバ回路とを含み、
    前記センシング回路は、前記第1の入力電圧が前記第2の入力電圧よりも低い場合には、前記第1のドライバ回路を制御して前記第1のトランジスタデバイスのスイッチングを非活性化するとともに、前記第2のドライバ回路を制御して前記追加のトランジスタデバイスのスイッチングを活性化し、
    前記センシング回路は、前記第2の入力電圧が前記第1の入力電圧よりも低い場合には、前記第1のドライバ回路を制御して前記第1のトランジスタデバイスのスイッチングを活性化するとともに、前記第2のドライバ回路を制御して前記追加のトランジスタデバイスのスイッチングを非活性化させ、
    前記第1の電力供給入力は、前記第1のトランジスタデバイスに電気的に直接接続され、
    前記第2の電力供給入力は、前記追加のトランジスタデバイスに電気的に直接接続される、電力レギュレータ。
  9. 前記追加のトランジスタデバイスは前記第1のトランジスタデバイスに並列に接続される、請求項8に記載の電力レギュレータ。
  10. 前記第1のトランジスタデバイスは第1のMOSFETトランジスタを備え、前記追加のトランジスタデバイスは追加のMOSFETトランジスタを備える、請求項8に記載の電力レギュレータ。
  11. 前記パルスモジュレータ回路はパルス幅またはパルス周波数モジュレータを備える、請求項8に記載の電力レギュレータ。
  12. 前記電力変換回路はDC/DC変換を提供するよう構成される、請求項8に記載の電力レギュレータ。
  13. 前記入力選択回路は、前記電力変換回路とともに集積回路内に配置される、請求項8に記載の電力レギュレータ。
  14. 電力レギュレータを介して第1の電源または第2の電源からパワーデバイスへ電力を選択的に供給する方法であって、
    前記電力レギュレータは、バック−ブーストモードで動作するように構成されるとともに、単一のインダクタ、第1、第2、第3および第4のトランジスタスイッチを有し、
    前記方法は、
    前記第1の電源か前記第2の電源かを選択して、入力電力供給信号を前記パワーデバイスへ供給される調整された出力電力供給信号へ変換するために前記電力レギュレータへ前記入力電力供給信号を与えるステップと、
    前記第1の電源からの第1の入力における第1の入力電圧と、前記第2の電源からの第2の入力における第2の入力電圧とを検出するステップと、
    前記第1の入力電圧が前記第2の入力電圧よりも高い場合に、前記第1のトランジスタスイッチを活性化するとともに前記第1のトランジスタスイッチに並列に配置された追加のトランジスタスイッチを非活性化して前記入力電力供給信号を供給するステップと、
    前記第1の入力電圧が前記第2の入力電圧よりも低い場合に、前記第1のトランジスタスイッチを非活性化するとともに前記追加のトランジスタスイッチを活性化して前記入力電力供給信号を供給するステップとを備え、
    前記第1、第2、第3および第4のトランジスタスイッチならびに前記追加のトランジスタスイッチは、前記単一のインダクタに電気的に接続され、
    前記第1および第2の電源からの前記入力電力供給信号は、前記第1および追加のトランジスタスイッチに、それぞれ直接供給される、方法。
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