JP6272928B2 - 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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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。
、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 (27)
- 電圧変換システムであって、
複数の容量を有する容量回路と、
モード選択信号に応答して、少なくとも2つのモード構成のうちの1つにおいて、前記複数の容量を、正電位と出力ノードとの間で異なるように互いに接続するように構成されたスイッチマトリクスと、
前記出力ノードにおける出力電圧と参照電圧との比較を示す第1の信号に基づくとともに、前記少なくとも2つのモード構成の各々に関連する異なる電圧を含む比較を示す第2の信号に基づいて、前記モード選択信号を生成するように構成された制御ロジック回路を備え、
前記第1の信号は、前記出力ノードにおける出力電圧の大きさが参照電圧よりも大きいかどうかを示し、前記第2の信号は、前記少なくとも2つのモード構成のうちの第1に対応する第1の電圧レベルよりも、前記出力電圧が大きさにおいて大きいかどうかを示す、電圧変換システム。 - 前記少なくとも2つのモード構成の各々は、前記容量回路の放電に関連する第1のフェーズ構成と、前記容量回路の充電に関連する第2のフェーズ構成とを有する、請求項1に記載の電圧変換システム。
- 前記スイッチマトリクスは、前記少なくとも2つのモード構成のうちの前記第2のフェーズ構成において、前記正電位と前記出力ノードとの間で前記複数の容量を互いに接続するように構成される、請求項2に記載の電圧変換システム。
- 前記スイッチマトリクスは、前記少なくとも2つのモード構成のうちの各々の前記第1のフェーズ構成において、接地電位と前記出力ノードとの間で前記複数の容量を互いに接続するように構成される、請求項3に記載の電圧変換システム。
- 前記スイッチマトリクスは、前記少なくとも2つのモード構成のうちの異なるモード構成において、前記接地電位と前記出力ノードとの間で前記複数の容量を異なるように互いに接続するように構成される、請求項4に記載の電圧変換システム。
- 前記スイッチマトリクスは、クロック信号に応答して、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り替わるように構成される、請求項2に記載の電圧変換システム。
- 前記少なくとも2つのモード構成は、3つのモード構成を含む、請求項1に記載の電圧変換システム。
- 前記正電位は、バッテリによって与えられる、請求項1に記載の電圧変換システム。
- 前記制御ロジック回路に通信する比較回路をさらに備え、前記比較回路は、第1の信号および第2の信号を与えるように構成される、請求項1に記載の電圧変換システム。
- 前記比較回路は、前記少なくとも2つのモード構成のうちの2番目に対応する第2の電圧レベルよりも、前記出力電圧の大きさが大きいかどうかを示す第3の信号を与えるように構成され、前記制御ロジック回路は、前記第3の信号に基づいて、前記モード選択信号を生成するように構成される、請求項9に記載の電圧変換システム。
- 電圧変換システムであって、
複数の容量を有する容量回路と、
モード選択信号に応答して、少なくとも2つのモード構成のうちの1つにおいて、前記複数の容量を、正電位と出力ノードとの間で異なるように互いに接続するように構成され、正電位の異なる部分である電圧レベルに各々が対応する少なくとも2つのモード構成を有するスイッチマトリクスとを備え、前記少なくとも2つのモード構成の各々は、前記容量回路の放電に関連する第1のフェーズ構成と、前記容量回路の充電に関連する第2のフェーズ構成とを有し、前記スイッチマトリクスは、前記少なくとも2つのモード構成の各々の少なくとも前記第2のフェーズ構成において、前記複数の容量を、前記正電位と出力ノードとの間で異なるように互いに接続し、前記スイッチマトリクスは、さらに、モード選択信号に応答して、前記少なくとも2つのモード構成のうちの選択された1つにおいて動作するように構成され、
前記出力ノードにおける出力電圧と参照電圧との比較を示す第1の信号および前記少なくとも2つのモード構成の各々に関連する異なる電圧を含む比較を示す第2の信号に基づいて前記モード選択信号を生成するように構成された制御ロジック回路をさらに備え、前記第1の信号は、前記出力ノードにおける出力電圧の大きさが参照電圧よりも大きいかどうかを示し、前記第2の信号は、前記少なくとも2つのモード構成のうちの第1に対応する第1の電圧レベルよりも、出力電圧が大きさにおいて大きいかどうかを示す、電圧変換システム。 - 前記スイッチマトリクスは、前記少なくとも2つのモード構成のうちの各々の前記第1のフェーズ構成において、接地電位と前記出力ノードとの間で前記複数の容量を互いに接続するようにさらに構成される、請求項11に記載の電圧変換システム。
- 前記スイッチマトリクスは、前記少なくとも2つのモード構成のうちの異なるモード構成において、前記接地電位と前記出力ノードとの間で前記複数の容量を異なるように互いに接続するように構成される、請求項12に記載の電圧変換システム。
- 前記スイッチマトリクスは、クロック信号に応答して、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り替わるように構成される、請求項11に記載の電圧変換システム。
- 前記少なくとも2つのモード構成は、3つ以上のモード構成を含む、請求項11に記載の電圧変換システム。
- 前記正電位は、バッテリによって与えられる、請求項11に記載の電圧変換システム。
- 前記制御ロジック回路に通信する比較回路をさらに備え、前記比較回路は、前記第1の信号および前記第2の信号を与えるように構成される、請求項11に記載の電圧変換システム。
- 前記比較回路は、前記少なくとも2つのモード構成のうちの2番目に対応する第2の電圧レベルよりも、前記出力電圧の大きさが大きいかどうかを示す第3の信号を与えるように構成され、前記制御ロジック回路は、前記第3の信号に基づいて、前記モード選択信号を生成するように構成される、請求項17に記載の電圧変換システム。
- 電圧変換システムであって、
複数の容量を有する容量回路と、
前記複数のモード構成のうちの異なるモード構成において、前記複数の容量を、電位と出力ノードとの間で異なるように互いに接続するように構成されるとともに、モード選択信号に応答して、複数のモード構成のうちの選択された1つにおいて動作して、出力電圧を生成するように構成されたスイッチマトリクスと、
前記出力電圧と参照電圧との比較を示す第1の信号に基づくとともに、前記複数のモード構成の各々に関連する異なる電圧を含む比較を示す第2の信号に基づいて、前記モード選択信号を生成するように構成された制御ロジック回路とを備え、
前記第1の信号は、前記出力ノードにおける出力電圧の大きさが参照電圧よりも大きいかどうかを示し、前記第2の信号は、前記少なくとも2つのモード構成のうちの第1に対応する第1の電圧レベルよりも、前記出力電圧が大きさにおいて大きいかどうかを示す、電圧変換システム。 - 前記複数のモード構成の各々は、前記容量回路の放電に関連する第1のフェーズ構成と、前記容量回路の充電に関連する第2のフェーズ構成とを有する、請求項19に記載の電圧変換システム。
- 前記スイッチマトリクスは、前記第1のフェーズ構成において、前記複数の容量を、接地と前記出力ノードとの間で互いに接続し、前記第1のフェーズ構成において、前記複数の容量を、前記電位と前記出力ノードとの間で互いに接続するように構成される、請求項20に記載の電圧変換システム。
- 前記複数のモード構成は、3つ以上のモード構成を含む、請求項19に記載の電圧変換システム。
- 前記制御ロジック回路は、前記複数のモード構成のうちの3番目に関連する第3の電圧レベルよりも、前記出力電圧の大きさが大きいかどうかを示す第4の比較信号を受けて、前記第4の比較信号における少なくとも一部に基づいて、前記モード選択信号を生成するように構成される、請求項22に記載の電圧変換システム。
- 電圧変換システムであって、
複数の容量を有する容量回路と、
モード選択信号に応答して、複数のモード構成のうちの1つにおいて、前記複数の容量を、正電位と出力ノードとの間で異なるように互いに接続するように構成されたスイッチマトリクスと、
出力信号と参照信号との比較に基づいて、方向信号を生成するように構成された第1の比較器を含む比較器回路を備え、前記比較器回路はまた、複数の第2の比較器を含み、前記複数の第2の比較器の各々は、前記複数の第2の比較器の他と異なる信号を受けるように構成された入力を有し、
前記方向信号と前記複数の第2の比較器の1以上の出力とに基づいてモード選択信号を生成するように構成された制御ロジック回路をさらに備え、前記方向信号は前記出力ノードにおける出力電圧の大きさが前記参照信号よりも大きさにおいて大きいかどうかを示し、前記複数の第2の比較器の1つ以上の出力は、前記複数のモードのうちの第1に対応する第1の電圧レベルよりも大きさにおいて大きいかどうかを示し、前記モード選択信号は、前記スイッチマトリクスのモードを制御するように構成される、電圧変換システム。 - 前記複数の第2の比較器が3つの比較器を含む、請求項24に記載の電圧変換システム。
- 電圧変換システムであって、
複数の容量を有する容量回路と、
モード選択信号に応答して、複数のモード構成のうちの1つにおいて、前記複数の容量を、正電位と出力ノードとの間で異なるように互いに接続するように構成されたスイッチマトリクスと、
出力信号と参照信号との比較に基づいて、方向比較信号を生成するように構成された第1の比較器を含む比較器回路を備え、前記比較器回路はまた、1以上の追加の比較器を含み、前記1以上の追加の比較器の各々は、前記1以上の追加の比較器の互いの比較器とは異なる信号を受けるように構成された第1の入力を有し、第2の入力は前記出力信号を受けるように構成され、前記1以上の追加の比較器の各々は、前記出力信号に関連する電圧レベルが、前記第1の入力における前記異なる信号の電圧レベルを上回るかどうかを示す出力を生成するように構成され、
前記方向比較信号と前記追加の比較器の1以上の出力とに基づいてモード選択信号を生成し、前記モード選択信号に基づいてスイッチマトリクスのモードを制御するように構成された制御ロジック回路をさらに備え、前記スイッチマトリクスは、異なる電圧レベルに対応する前記複数のモードを有する、電圧変換システム。 - 前記比較器回路は、バッテリ電圧から異なる電圧を生成し、前記異なる電圧を前記追加の比較器のそれぞれの第1の入力に与えるように構成された電圧レベル生成器を含む、請求項26に記載の電圧変換システム。
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