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JP2003528559A - 無発振器型ｄｃ−ｄｃ電力コンバータ - Google Patents

無発振器型ｄｃ−ｄｃ電力コンバータ

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JP2003528559A
JP2003528559A JP2001569956A JP2001569956A JP2003528559A JP 2003528559 A JP2003528559 A JP 2003528559A JP 2001569956 A JP2001569956 A JP 2001569956A JP 2001569956 A JP2001569956 A JP 2001569956A JP 2003528559 A JP2003528559 A JP 2003528559A
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voltage
controller
switch
input
power converter
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Application number
JP2001569956A
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ドラガン ダニロ ネブリジック
ミラン マーセル ジェヴティッチ
ヴラディミール ガートスタイン
ウィリアム トーマス ミラム
ジェイムス ヴィグ シェリル
ニコラス バスコ
ピーター ハンセン
Original Assignee
ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 エネルギー源を負荷デバイスへ接続するための電力コンバータが開示されており、前記電力コンバータは、エネルギーをエネルギー源から負荷デバイスへ送るために選択的に接続される出力ステージと、前記出力ステージに接続されているコントローラとを備えており、前記出力ステージは、出力端子と接続されている容量性要素と、整流要素と、前記コントローラからの制御信号に応答するスイッチとを備えている。前記整流要素とスイッチは、誘導性要素及び容量性要素と接続されている。前記コントローラは、入力信号に応答して制御信号を生成し、第１状態では前記スイッチを開き、第２状態では前記スイッチを閉じる。前記コントローラへの前記入力信号は、出力端子の電圧、入力端子の入力電圧、選択可能な基準電圧、及び、誘導性要素に関して測定されるフィードバック信号の内の１つ又はそれ以上を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （関連出願の説明） この出願は、一般に公開されている、Dragan・Ｄ・Nebrigic、Milan・Ｍ・Jev
titch、Vig Sherill、Nick・Busko、William・Millan及びPeter・Hansenによる
、１９９９年６月２５日出願の米国仮特許出願第６０／１４１，１１９号「組込
型動的スイッチ切替式容量性電力コンバータを有するバッテリー」の恩典を請求
し、その全体を参考文献としてここに援用する。
【０００２】 この出願は、更に、同時係属出願で、一般に公開されているDragan・Ｄ・Nebr
igic他による同日出願の米国特許出願番号第０９／５３２，９１８号「動的制御
型本来的調整式電荷ポンプ電力コンバータ」（Ｐ＆Ｇケース第７９９３号）の出
願に関係しており、その全体を参考文献としてここに援用する。
【０００３】 （発明の属する技術分野） 本発明は、ＤＣ／ＤＣ電力供給コントローラに関し、更に特定すると、統合電
力管理システム用の調整式誘電電力コンバータに関する。
【０００４】 （発明の背景） 電子技術の進歩によって、携帯式電子装置を設計し、優れた費用対効果で製作
できるようになった。このように、携帯式電子装置の利用は、製品の数と型式が
増えるにつれて増加し続けている。広い範囲の携帯式電子装置の例としては、ペ
ージャー、携帯電話、音楽プレーヤー、計算器、ラップトップコンピュータ及び
パーソナルデジタルアシスタントなどが挙げられる。
【０００５】 携帯式電子装置内の電子機器は、一般的に直流（ＤＣ）電力を必要とする。こ
のＤＣ電力を提供するために、通常、１つ又はそれ以上のバッテリーがエネルギ
ー源として用いられる。エネルギー源は、携帯式電子装置のエネルギー要件と完
全に合致するのが理想的である。しかし、バッテリーから送られる電圧及び電流
は、大抵の場合、携帯式電子装置の電子機器に直接電力供給するのには適してい
ない。例えば、バッテリーで決まる電圧レベルは、装置が電子的に必要とする電
圧レベルとは異なる。更に、電子機器の幾つかの部分は、他の部分とは異なる電
圧レベルで作動することもあり、異なるエネルギー源電圧レベルが必要となる。
更に、バッテリーは、装置が要求する電流の急速な変動に迅速に対応できないこ
とも多い。
【０００６】 図１に、１つ又はそれ以上のバッテリーのようなエネルギー源１２と、電力を
必要とする内部電子機器のような負荷デバイス１４を含む携帯式電子装置１０の
代表的な配置を示している。エネルギー源１２と負荷デバイス１４の間には、数
多くの機能を実行する電源１６が配置されている。例えば、電源１６と一体なも
のとして示されている電力コンバータ２０は、エネルギー源１２から送られてく
る電力に必要な変更を加えて、負荷デバイス１４に合うようにする。
【０００７】 電源１６は、更に、電力変換以外の機能も実行する。例えば、大電流が持続す
ることによる損傷からエネルギー源１２、負荷デバイス１４及び／又は電力コン
バータ２０を保護するには、エネルギー源１２を携帯式電子装置１０の残りの部
分から電気的に遮断することが必要かもしれない。別の例では、電力コンバータ
２０は、電源１６により提供されるスタートアップ中のアシスタントを必要とす
るかもしれない。
【０００８】 要求される電力変換のタイプに関して、電力コンバータ２０は、電圧を「ステ
ップアップする」（即ち、ブーストする）か又は「ステップダウンする」。つま
り、電力コンバータ２０は、一対の入力端子２４、２５を通してエネルギー源１
２から送られる入力電圧ＶSを上げるか又は下げて出力電圧ＶOとし、一対の出力
端子２６、２７を通して負荷デバイス１４に提供する。電力コンバータ２０は、
ある量のエネルギーを蓄積し、負荷デバイス１４の要求に応じて、エネルギー源
１２は提供できない短時間のスパイク即ち電圧上昇を行うこともできる。
【０００９】 更に、電力コンバータ２０は、出力電圧ＶOを調整して所望の電圧レベル近く
に保持し、負荷デバイス１４の有害なノイズ又は望ましくない作動を引き起こす
恐れのある急激な変動を低減することもできる。そのような変動は、負荷による
要求の変化、外部電磁気ソース（源）から誘起されるノイズ、エネルギー源１２
の特性及び／又は電源１６内の他の構成要素（素子）からのノイズによって起こ
る場合もある。
【００１０】 誘導型ＤＣ−ＤＣ電力コンバータは、中容量から中／高容量スイッチ切替電源
にしばしば用いられる。既知の誘導型ＤＣ−ＤＣ電力コンバータは、充電状態と
放電状態との間で、出力ステージ（段）をスイッチ切替（スイッチング）するこ
とに基づいている。出力ステージはスイッチを含んでおり、充電状態の間にはス
イッチが閉じられ、インダクタのような誘電性要素がエネルギー源から充電され
る（即ち、エネルギーを電界内に蓄える）ようになっている。ダイオードのよう
な整流要素は非導電性なので、出力端子を通して負荷キャパシタへ放電されるの
を防ぐ。放電状態の間は、スイッチは開かれており、整流要素は、インダクタが
負荷キャパシタへ放電できるようにする。
【００１１】 既知の誘導型ＤＣ−ＤＣ電力コンバータは、優れた容量、電圧範囲及び反転／
非反転出力を達成するため、様々な方法で構成されている。反転された出力は入
力とは逆の代数符号を有している。例えば、入力電圧は、正の入力端子２４で、
接地されている負の入力端子２５を基準に＋１．５ボルトで提供される。正の出
力端子２６は接地されており、負の出力端子２７は、−１．０ボルトである。既
知の構成の例としては、バック、ブースト、バックブースト、非反転バックブー
スト、ブリッジ、ワトキンズ−ジョンソン、電流給電ブリッジ、ｕｋ、シングル
エンデッド一次インダクタンスコンバータ（ＳＥＰＩＣ）、バックスクウェアと
呼ばれるコンバータが挙げられる。
【００１２】 誘導型ＤＣ−ＤＣ電力コンバータは、電力効率が入力電圧ＶSに対する出力電
圧ＶOの割合に関係する線形コンバータのような他のコンバータよりも、電力効
率が優れているために選択されることが多い。更に、一般的に知られている容量
性の電力コンバータとは異なり、誘導性コンバータの出力電圧ＶOは、通常、ス
イッチ切替の作動周波数ではなく、スイッチ切替のデューティサイクルに関係し
ている。
【００１３】 しかし、誘導型ＤＣ−ＤＣ電力コンバータ２０の既知の出力ステージは、コン
バータ内に用いられているキャパシタ、スイッチ及び整流要素に関係する欠点を
有している。特に、整流要素としてダイオードを当てにしていると、ダイオード
で電圧降下が起き、低入力電圧（例えば、１ボルト以下）が使い物にならなくな
る。更に、一般的に知られているスイッチも、同様に、低入力電圧には相応しく
ない強さの制御信号を必要とする。更に、実際のインダクタンンス及びキャパシ
タンス値の範囲は、コントローラの達成可能な作動周波数によって制約される。
従って、比較的高価で、ノイズが多く、比較的大型の別体インダクタが、誘電性
コンバータ内の電力出力ステージに必要とされている。
【００１４】 更に、既知の誘導型ＤＣ−ＤＣ電力コンバータ２０は、発振器ベースの制御を
基にしている。これらの既知の「発振器制御電力コンバータ」２０用に選択され
ているインダクタ−キャパシタの組み合わせは、一般的に、作動に好適な作動周
波数を指定する。発振器制御電力コンバータにより送られる電力の調整は、コン
トローラによるパルス幅変調（ＰＷＭ）又はパルス周波数変調（ＰＦＭ）によっ
て行われることが多い。ＰＷＭ及びＰＦＭ方式の問題点は、回路と製作が複雑な
ことである。そのような複雑さは、必要な別体の構成要素の数、及び／又は半導
体デバイス上に割り当てられる必要な面積のために、電力コンバータ２０を小さ
くするのを困難にする。
【００１５】 この複雑さに関連する欠点に加えて、発振器制御電力コンバータは、発振器を
連続的に作動させるため、軽負荷での効率が悪い。
【００１６】 先行技術の更なる欠点は、インダクタ電圧ＶL又はインダクタ電流ｉLの何れか
をフィードバックし、インダクタ内に蓄積されたエネルギーを感知し、同時に出
力電圧ＶOを感知する、ある種の誘導型ＤＣ−ＤＣ電力コンバータ２０に由来す
るものである。これらのフィードバック技法は、ＰＷＭ及びＰＦＭ制御の性質の
故に問題を引き起こす。例えば、インダクタ電圧ＶLのフィードバックは、イン
ダクタＬ内に蓄積されたエネルギーを感知するには間接的な方法であり、入力電
圧ＶS及び／又は負荷デバイス１４による要求が変動するために、フィードバッ
ク電圧ＶF（インダクタ電圧ＶLと同じか又はこれに直接関係している）にノイズ
を持ち込むことになる。電流フィードバックを使えば電圧ノイズ源を回避できる
が、既知の電流フィードバック電力コンバータ２０は、電流フィードバックｉF
（インダクタ電流ｉLと同じか又はこれに直接関係している）内のノイズ外乱に
対する不適切な粗さの点で問題があり、スイッチ切替が時期尚早となり、電力コ
ンバータの安定性が低下することになる。
【００１７】 （発明の概要） 本発明は、負荷デバイスに要求されると、エネルギー源から電力を効率的に移
送する動的制御誘導型ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの装置及び方法を提供すること
によって、先行技術の上記及び他の欠点を克服する。
【００１８】 特に、本発明による１つの態様では、動的コントローラは、誘導電力出力ステ
ージを作動させて、負荷キャパシタＣLに出力電圧ＶOを維持できる速度でエネル
ギーを移送する。更に具体的には、電力コンバータは、入力端子をエネルギー源
へ、出力端子を負荷デバイスへ電気的に接続するように作動可能な電力出力ステ
ージを有している。電力出力ステージは、充電状態の間はエネルギー源によって
供給されるインダクタ電流で充電される誘電性要素を含んでいる。電力出力ステ
ージは、更に、放電状態の間は誘導性要素によって充電される負荷キャパシタを
含んでいる。動的コントローラは、入力信号に反応して、制御信号Ｓ２を選択的
且つ非振動的に生成し、放電状態ではスイッチを開き、充電状態ではスイッチを
閉じる。コントローラへの入力信号は、出力端子に掛かる出力電圧と、入力端子
に掛かる入力電圧と、選択可能な基準電圧と、誘電性要素で測定されるフィード
バック電圧の１つ又はそれ以上を含んでいる。
【００１９】 本発明のこれら及びその他の目的及び利点は、添付図面とその説明から明らか
となるであろう。
【００２０】 （好適な実施例の詳細な説明） 本明細書に組み込まれ、その１部分を構成している添付図面は、本発明の実施
例を示しており、本発明に関する上記の全体的な説明、及び以下の実施例の詳細
な説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つであろう。
【００２１】 既知の誘導電力コンバータの説明は、本発明の理解に役立つであろう。図２Ａ
は、入力電圧ＶSより低い出力電圧Ｖ0を提供するダウンコンバータの例として、
電力コンバータ３１Ａの既知のバック電力出力ステージ３０ａのトップレベルの
線図を示している。バック出力ステージ３０ａは、入力端子２４、２５でエネル
ギー源１２と接続され、入力端子２６、２７で負荷デバイス１４と接続されてお
り、エネルギー源から負荷デバイスへ電力を送っている。エネルギー源１２は入
力電圧ＶSと入力電流ｉSとを提供する。負荷デバイス１４は、電流ｉ0と出力電
圧Ｖ0とを受け取る。
【００２２】 バック出力ステージ３０ａは、スイッチＭＳと、整流要素ＭＲと、誘導器Lの
ような誘電要素と、負荷キャパシタＣLのようなキャパシタンス要素とを含んで
いる。負荷キャパシタＣLは、正の出力端子２６と接続されている正の端子３２
と、負の出力端子２７と接続され、更に接地基準を形成する負の入力端子２５と
接続されている負の端子３３とを有している。従って、負荷キャパシタＣLは、
出力電圧ＶOになるまで充電される。誘導器Ｌは、フィードバック電圧ノードＶF と接続されている正の端末３４を有している。フィードバック電圧ＶFは、誘導
器Ｌに掛かる電圧ＶLと関係付けられている。誘導器Ｌは、正の出力端子２６と
接続されている負の端末３５を有している。
【００２３】 同期整流器として構成されているＭＯＳＦＥＴの形態をしている整流要素ＭＲ
は、フィードバック電圧ノードＶFと接続されている正端子（ソース）３６と、
負の入力及び出力端子２５、２７と接続されている負端子（ドレイン）３７とを
有している。整流要素ＭＲは、ダイオードと同じ働きをするように、制御信号Ｓ
１に応えて閉じる。整流要素ＭＲのＭＯＳＦＥＴは、電流を逆方向に誘導するチ
ャネルを有しているので、ＭＯＳＦＥＴスイッチＭＳとは逆のソース及びドレイ
ンを有することによって、発振器制御電力コンバータ２０でよく用いられている
ダイオードと同様に作用する。スイッチＭＳは、正入力端子２４と接続されてい
る正端末（ドレイン）３８と、フィードバック電圧ノードＶFと接続されている
負端末（ソース）３９とを有している。スイッチＭＳは、制御信号Ｓ２がオンに
なると閉じる。
【００２４】 放電状態の間は、制御信号Ｓ１はオンとなって整流要素ＭＲを閉じ導電状態と
し、制御信号Ｓ２はオフとなってスイッチＭＳを開き、インダクタＬが負荷キャ
パシタＣLへ放電できるようにする。充電状態の間は、制御信号Ｓ１はオフとな
って整流要素ＭＲを開くか又は非導電状態とし、制御信号Ｓ２はオンとなってス
イッチＭＳを閉じ、エネルギー源１２からの入力電流ｉSによってインダクタに
電気供給されるようにする。
【００２５】 図２Ｂでは、電力コンバータ３１のブースト電力出力ステージ３０ｂが、入力
電圧ＶSに関して出力電圧Ｖoを上げるのに適した構成を示している。ブースト電
力出力ステージ３０ｂは、入力端子２４、２５と、出力端子２６、２７と、先に
バック電力出力ステージ３０ａに関して述べたように構成されている負荷キャパ
シタＣLとを有している。インダクタ電圧ＶLは、入力端子２４とフィードバック
電圧ノードＶFとの間で画定される。つまり、このインダクタ電圧ＶLは、フィー
ドバック電圧ＶLから入力電圧ＶSを引いたものに等しい。
【００２６】 整流要素ＭＲは、正出力端子２６と接続されている負端末３７と、フィードバ
ック電圧ノードＶFと接続されている正端末３６とを有している。又、ＭＯＳＦ
ＥＴは、ドレインを負端末として、ソースを正端末として備えた同期整流器とし
て構成されている。ＭＯＳＦＥＴスイッチＭＳは、フィードバック電圧ノードＶ F と接続されている正端末（ドレイン）と、接地されている負端末（ソース）と
を有している。放電状態の間は、制御信号Ｓ２がオフになるのに応えてＭＯＳＦ
ＥＴスイッチＭＳが開き、制御信号Ｓ１がオンになるのに応えて整流要素ＭＲが
閉じて、エネルギー源１２とインダクタＬとを負荷キャパシタＣLに接続する。
従って、負荷キャパシタＣＬへ掛けられる出力電圧ＶOをブーストするために、
入力電圧ＶSとインダクタ電圧ＶLとが加え合わせられる。放電の間は、制御信号
Ｓ２がオンになるのに応じてＭＯＳＦＥＴスイッチＭＳが閉じ、インダクタＬを
エネルギー源１２に連結させる。制御信号Ｓ１がオフになるのに応じて整流要素
ＭＲが開き、負荷キャパシタＣLを、エネルギー源１２とインダクタＬから切断
する。
【００２７】 本発明のある態様によれば、図２Ａのバック電力出力ステージ３０ａと図２Ｂ
のブースト電力出力ステージ３０ｂは、２０００年３月２２日出願のYing Xu他
による米国特許出願第０９／５３２，７６１号、「Lateral Asymmetric Light
ly Doped Drain ＭＯＳＦＥＴ」（Ｐ＆Ｇ Ｃａｓｅ、第７９９２号）である
同時係属出願であり且つ一般に公開されている出願に記載されているような、低
閾値（例えば、１ボルト以下）制御が可能なＭＯＳＦＥＴトランジスタスイッチ
を利用する０．３５ミクロンのダブルサリサイドプロセス（２つの金属、２つの
ポリサリサイド）で製作されている集積回路の形態をとることによって、低入力
電圧（例えば１ボルト以下）でも共に有効且つ作動可能であるので好都合である
。なお、上記出願を参考文献としてここに援用する。低閾値制御であることに加
えて、開示されているＭＯＳＦＥＴデバイスは、抵抗が低く、本発明に従って用
いられている電力出力ステージ３０ａ及び３０ｂの効率に直接寄与する。
【００２８】 図３では、電力コンバータ４１がブロック線図の形で示されており、本発明の
１つの態様に従って、エネルギー源１２から、出力端子２６、２７を通して出力
電圧ＶOと接続されている負荷デバイス１４への電力移送の、発振器を用いない
動的制御を示している。電力コンバータ４１は、入力電圧ＶSが変動しても、電
力コンバータ４１の移送及び蓄積特性が変動しても、負荷デバイス１４からの要
求に適応するように動的に制御される。
【００２９】 電力コンバータ４１は、本来は、移送されるエネルギーの量が要求に対応する
だけでなく、出力電圧ＶOが容認される範囲内に留まるようにエネルギー移送の
速度も制御される、電圧を調整するものである。これは一般的に、受容可能な電
圧脈動ＶRIP内に留まるものである。
【００３０】 電力コンバータ４１は、蓄積されたエネルギーを負荷デバイス１４へ送る電力
出力ステージ４２と、電力出力ステージ３０と接続されていて、本発明に従って
蓄積エネルギーの適量を移送するよう適宜命令する電力コントローラ４６とを含
んでいる。
【００３１】 ある実施例では、電力出力ステージ４２は誘導ＤＣ−ＤＣ電力コンバータであ
り、上記バック電力出力ステージ３０ａ及びブースト電力出力ステージ３０ｂは
その例である。負荷キャパシタＣLは、出力端子２６、２７に接続されている。
負荷キャパシタＣLは、電荷を蓄積し、その蓄積された電荷に関係する出力電圧
ＶOを提供する。更に電力出力ステージ４２には、既に議論したように、エネル
ギーをエネルギー源１２から負荷キャパシタＣLへ移送するために、インダクタ
Ｌが組み込まれている。インダクタＬ及び負荷キャパシタＣLに対する一連の抵
抗は、好都合に低めに選択されているので、電力コンバータ４１の電力消費は低
減されている。電力出力ステージ４２は、充電状態と放電状態との間に電力出力
ステージ３０を構成するために、インダクタＬ、負荷キャパシタＣL、及びエネ
ルギー源１２に接続されているスイッチマトリックス４８を含んでいる。
【００３２】 更に、電力出力ステージ３０は、出力電圧が入力電圧ＶSとは逆の代数符号を
有するかどうかに関して、反転してもしなくてもよい。例えば、２．２ボルトの
入力電圧ＶSは、−１．６ボルトの出力電圧ＶOに変換してもよい。以下、分かり
易くするために、全体的に非反転の実施例を示すが、本開示の利点を享受する当
業者には反転電力コンバータへの適用も認識頂けよう。
【００３３】 多重ループ電力コントローラ４６は、動的コントローラ５０と、基準電圧源５
２と、電力出力ステージ４２を有用に制御するための環境コントローラ６４を備
えている。動的コントローラは、入力信号としてコントローラ５０に作用するフ
ィードバック信号に応答する。第１制御ループ５６は、動的コントローラ５０へ
のフィードバックとして提供されている、出力端子２６からの出力電圧ＶOによ
って形成されている。動的コントローラ５０は、スイッチマトリックス４８に、
出力電圧ＶOが所定値ＶREF未満の場合には、エネルギー源１２から負荷キャパシ
タＣLへ追加の電荷を移送するよう命令する。動的コントローラ５０は、ＶOが、
基準電圧源５２からの基準電圧ＶREFと比べて所定値よりも低いかどうかを判定
する。適切なＶREFが、それが基準電圧源５２を単純化するのに十分に安定した
電圧である場合（例えば、リチウムバッテリーが電圧に好適である）には、エネ
ルギー源１２により提供される。このように、電圧分割器又は入力電圧ＶSの乗
算器により、基準電圧源５２が提供される。
【００３４】 第１制御ループ５６に加えて、多重ループ電力コントローラ４６も、第２制御
ループ５８又は入力信号に応答する。第２制御ループ５８では、インダクタＬ内
に蓄積されるエネルギーは、動的コントローラ５０によってフィードバック電圧
ＶFとして間接的に感知されるが、このフィードバック電圧ＶFは、インダクタ電
圧ＶLと同じか、又はインダクタ電圧ＶLと直接関係付けられている。代わりに、
インダクタＬ内に蓄積されたエネルギーが、インダクタ電流ｉL、又はインダク
タ電流ｉLと同じか又はこれと直接関係付けられているフィードバック電流ｉFに
よって生成された電界の強さとして直接感知されるが、これについては図１５に
関連して後に説明する。従って、インダクタと関連しているフィードバック信号
を使えば、要求によるインダクタＬの放電は何であれ、インダクタＬが最初に電
荷（例えば、電界の形態で蓄積されたエネルギー）の最適状態に到達するときに
関して断定できる。インダクタＬが充電不足であれば不必要なスイッチ切り替え
電力損失に至り、インダクタＬを過充電すると不必要に電力移送の速度を制限す
ることになるので、充電の最適状態というものが存在する。
【００３５】 不必要なスイッチ電力損失に関して、スイッチマトリックス４８の動的制御４
８は、更なる充電が必要になるまで（例えば、ＶOがＶREFより下がるまで）放電
状態に留まることにより、第１制御ループに関して説明されているように、ある
程度の効率を実現する。対照的に、従来技術による発振器制御電力コンバータ２
０では、不必要なときでさえ一定の速さでスイッチが切り替えられる。従って、
本発明は発振器を備えておらず、スイッチ切り替えはフィードバック制御により
決定され、一定の周波数で継続的に振動を起こすことはないので、周期的にスイ
ッチを切り替えても振動的ではない制御を提供する。
【００３６】 スイッチマトリックス４８の動的制御における更なる効率は、インダクタＬが
十分な量の電荷を獲得できるほど長く充電状態に留まることにより実現される。
例えば、完全充電の８０パーセントではなく４０パーセントの充電では、同じ電
力を移送するのに作動周波数を倍にする必要がある。作動周波数がこの様に高く
なると、スイッチＭＳと整流要素ＭＲとは電力を散逸させる。これは、用いられ
ている電界効果トランジスタのローオン抵抗とハイオフ抵抗による。電力消費は
電流の二乗と抵抗の積の関数であるので、電力損失の大部分は変換中に起こる。
従って、第２制御ループ５８は、インダクタＬに掛かる電圧レベルを感知して充
電状態の間に充電不足になるのを避けるので、不必要なスイッチ切替損失を避け
ることができる。
【００３７】 本発明のある態様によれば、インダクタＬの充電を最適化することには、過充
電を避けることも含まれている。インダクタは、充電速度が時間の関数となる特
性を有している。具体的には、インダクタは、完全に電力供給された状態に近づ
くにつれ、追加のエネルギ（電力）を受け入れる速度が落ちる。即ち、インダク
タが最初のエネルギー量を獲得する時間は、同じ量のエネルギーを後で獲得する
時間より短い。例えば、同じ量のエネルギーがインダクタＬに受け入れられると
しても、インダクタＬに４５パーセントまで２度電力を供給するのにかかる時間
は、インダクタＬを９０パーセントまで１度電力供給する時間よりも短い。従っ
て、インダクタＬの充電の最適レベルを達成するのに必要な時間よりも長い時間
に亘ってスイッチマトリックス４８を充電状態にしておくことは、より多くの電
力を移送する機会を逃すことになる。
【００３８】 本開示の利点を享受する当業者には明らかであろうが、特定の誘導要素に蓄積
されるエネルギーの最適レベルは、経験及び／又は分析に基づいて求められるこ
とを理解頂けよう。
【００３９】 上記の１つ又はそれ以上の別の制御ループ５６、５８と組み合わせて、電力コ
ンバータ４１は入力信号としてフォワード制御ループ６０を含んでいて、エネル
ギー源１２の１つ又はそれ以上のパラメータが動的コントローラ５０に提供され
るようになっており、好都合である。フォワード制御ループ６０の１つの用途に
は、エネルギー源１２で感知される危険な状況又は性能制限状況により、電力コ
ンバータ３１を使用禁止とすること（即ち、出力端子２６、２７への出力電流を
遮ること）及び／又はバイパスすること（即ち、エネルギー源１２を出力端子２
６、２７に直結する）が含まれる。例えば、低い入力電圧は、電力コンバータ３
１の連続作動を保証するためには、エネルギー源１２における残存電荷が不適当
であることを示している。もう１つの例として、エネルギー源１２から引き出さ
れる電流が、持続的な作動には高すぎる場合もある。従って、制御ループ６０に
基づいて出力端子２６、２７への出力電流を遮るために、保護回路が電力コンバ
ータ４１内に含まれている。
【００４０】 動的制御の更なる例として、負荷デバイス１４による大きな要求は、エネルギ
ー源１２の出力端子２６、２７との直接接続と並行して、電力コンバータ４１の
持続的な作動を保証することである。このことは、特に、入力電圧ＶS及び所望
出力電圧ＶOがほぼ同じである場合に必要となる。電流を出力端子２６、２７へ
提供する２つの経路を有することにより、高い出力電流能力を達成することがで
きる。
【００４１】 更なる例として、フィードバック電圧ＶF（第２制御ループ５８）及び入力電
圧ＶS（フォワード制御ループ６０）は、電力コンバータ４１が完全放電されて
おり、スタートアップ状況にあることを示す場合がある。このスタートアップ状
況は、本発明の１つの態様に従って以下に記載している事例である、迅速な進歩
的スタートアップ回路の使用を保証するので好都合である。
【００４２】 別の制御ループ又は制御入力信号５６、５８、６０の１つと組み合わせて、電
力コントローラ４６は、環境コントローラ６４により表される適応制御ループ６
２を更に含んでいる。環境コントローラ６４は、制御パラメータ６６を感知し、
出力電圧ＶOに対する所定値を変更するために、コマンド６８を動的コントロー
ラ５０へ提供する。例えば、環境コントローラ６４は、動的コントローラ５０が
不安定になったことを感知し、それに応じて動的コントローラ５０を安定的な出
力状況に駆動する信号を提供する。更に特定すると、環境コントローラ６４は、
瞬間的な出力電圧及び電流がそれぞれ一定の値に近付いているような、電力コン
バータ４１の不安定な作動状況を感知できるようになっている。環境コントロー
ラ６４は、次に所定値を調整して、電力コンバータ４１を安定的な作動状況へ駆
動する。更に、そのような所定値の変更は、動的コントローラ５０を、安定的な
初期状況へ再設定することを含んでいる。
【００４３】 別の例では、適応制御ループ６２は、環境コントローラ６４への入力である制
御信号ＳCを含んでおり、動的コントローラ５０が、負荷デバイス１４（例えば
ＣＰＵ、揮発性記憶装置、アナログ対デジタルコンバータ、デジタル対アナログ
コンバータ）内での変化、又は他のパラメータに応答するように作られている。
負荷デバイス１４は、電力コンバータ４１からの調整された出力電圧ＶOによっ
て機能するので好都合である。更に別の例では、出力制御信号ＳCは、例えば所
望の反転又は非反転モードか、或いは所定の出力電圧ＶOを選択するための、再
構成制御信号である。更に別の例では、負荷デバイス１４の損傷を防ぐために、
保護機能（例えば、出力電圧をバイパスするか、使用禁止にするか、又は変更す
る）が、ＳCコマンドによって指図される。例えば、負荷デバイス１４は高電流
下ではフェイルし、従って、この様なことが起こるのを防ぐため制限が課されて
いる。
【００４４】 本発明で利用されているスイッチマトリックス４８のタイプ次第で、様々な制
御信号が、スイッチ信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３からＳＮで示されているように、動的
コントローラ５０により、スイッチマトリックス４８に対して作成される。例え
ば、制御信号Ｓ３からＳＮは、ステップアップ、ステップダウン、反転及び／又
は非反転の出力装置を提供するために、電力出力ステージ４２を様々な組み合わ
せに構成するための入力を表している。
【００４５】 インダクタＬ及び負荷キャパシタＣLは、電荷蓄積器及び移送要素を表してお
り、離散的要素でも集積回路要素でもよい。
【００４６】 更に、動的コントローラ５０に柔軟性があるので、負荷キャパシタＣLは、小
型キャパシタ（例えば、セラミック、チップ厚フィルム、タンタル、ポリマー）
及び大型キャパシタ（例えば、ウルトラキャパシタ、疑似キャパシタ、２層キャ
パシタ）のような様々なレベルの蓄積容量を含んでいる。インダクタンス及びキ
ャパシタンスの量は、蓄積容量を反映している。従って、同量のエネルギーを移
送するには、少量のエネルギーを作動周波数が高い小型インダクタＬから移送す
るか、又は大量の電荷を低速で移送する必要がある。このように、電力コンバー
タ４１は柔軟性があり、同じ動的コントローラ５０が様々な電力出力ステージ４
２を制御することができる。特に、先行技術による発振器制御電力コンバータ２
０と異なり、動的コントローラ５０は、ウルトラキャパシタを組み込んでいる電
力出力ステージ３０に適切な低作動周波数範囲内で作動することができる。
【００４７】 エネルギー源１２には、様々な電荷蓄積装置、又は、１つ又はそれ以上の電気
化学電池（例えばバッテリー）、光電池、直流（ＤＣ）発電器（例えば、再充電
可能バッテリーと組み合わせられた運動による電力発電器によって充電される腕
時計）、及び他の適用可能な電源のような発電装置が含まれる。
【００４８】 別の例では、本発明の電力コンバータ４１は、他の電源から電気供給される電
子装置内で好都合に使用されている。例えば、電力を標準的な交流電流（ＡＣ）
壁プラグから受け取る装置は、一般的には、装置の電子部分のためにＡＣ電力を
直流（ＤＣ）電力へ変換する。提供されるＤＣ電力は、更に調節調整を加えなけ
れば、電子部品の全て又は一部には適切でないかもしれない。例えば、マイクロ
プロセッサは２．２ボルトで作動するが、入力／出力電子機器は５ボルトで作動
するかもしれない。従って、本発明の電力コンバータ４１は、マイクロプロセッ
サに対する入力電圧をステップダウンするのに用いられる。
【００４９】 図４では、図２Ｂの電力出力ステージ３０ｂ用の歩調式コントローラ５０ａの
ための回路の１つの実施例が示されている。誘電電力コンバータを含め一般的に
既知の電力コンバータ２０は、負荷デバイス１４からの要求により電力コンバー
タが機能しなくなっているときでさえ、振動し続ける。結果的に、負荷キャパシ
タＣLが適切に充電されると、歩調式コントローラはパルス幅変調（ＰＷＭ）出
力の振動を好都合に停止する。
【００５０】 特に、ブースト電力出力ステージ３０ｂは、入力電圧ＶSの安定性を高めるの
に用いられる、入力端子２４，２５と接続されている容量性要素Ｃ１の追加以外
は、図２Ｂに関連して述べられている通りである。
【００５１】 歩調式コントローラ５０ａは、制御信号Ｓ１を選択的に作成して放電状態の間
は整流要素ＭＲを閉じ、充電状態の間は整流要素ＭＲを開き、制御信号Ｓ２を選
択的に作成して放電状態の間はスイッチＭＳを開き、充電状態の間はスイッチＭ
Ｓを閉じることによって、パルス幅変調（ＰＷＭ）と、電力出力ステージ３０ｂ
の発振制御への入力信号に反応する。歩調式コントローラ５０ａは、基準電圧Ｖ REF と出力電圧ＶOとの比較で示される低要求を感知すると、出力ステージ３０ｂ
が放電状態に留まるように、発信された制御信号をヒステリシス遅れを掛けて停
止する。歩調式コントローラ５０ａは、基準電圧ＶREF、出力電圧ＶO及びフィー
ドバック電圧ＶFに応答してデューティサイクル信号を作成し、出力電圧ＶO及び
基準電圧ＶREFにヒステリシス遅れを掛けて応答して停止信号を作成するヒステ
リシス比較器７０を含んでいる。変調器７２は、所定の周波数を有する振動信号
を作成する。ＳＲフリップフロップ７４は、設定デューティサイクル信号によっ
て設定され、振動信号によって再設定され、充電状態と放電状態を決定するスイ
ッチ切替信号を作る。マルチプレクサ７５は、スイッチ切替信号に応答して制御
信号Ｓ１及びＳ２を作る。マルチプレクサ７５は、所定状態のスイッチ切替遅延
を有しており、電力出力ステージ３０ｂの交叉（クロス）伝導を緩和する。マル
チプレクサ７５は、停止信号にも応答して、更なるエネルギーが必要になるまで
、制御信号Ｓ２をオフにしてスイッチＭＳを開き、制御信号Ｓ１をオンにして整
流要素ＭＲを閉じることによって、振動を停止する。
【００５２】 更に、負荷キャパシタＣLへ最初の充電を提供すると同時に電力出力ステージ
３０ｂが放電されるとき、スタートアップ回路７６は、歩調式コントローラ５０
ａにバイアスを掛ける。
【００５３】 図５では、電圧フィードバック動的コントローラ５０ｂの回路が、図２Ｂに示
すようなブースト電力コンバータに用いられている実施例を示している。特に、
第１制御ループ５６は出力電圧ＶOを、第２制御ループ５８はフィードバック電
圧ＶFを動的コントローラ５０ｂに提供し、動的コントローラ５０ｂは、コンバ
ータの充電／放電状態に関する制御を制御信号Ｓ１及びＳ２によって提供する。
【００５４】 スタートアップ回路７６は、入力端子２４からの入力電圧ＶSによって電力供
給される。スタートアップ回路７６は、電力出力ステージ３０ｂが完全に放電さ
れて、コントローラ５０ｂがまだ作動していないときに、スタートアップ回路７
６が基準電圧源５２、利得増幅器７８及び動的コントローラ５０ｂへバイアスを
提供するように、フィードバック電圧ＶFに応答する。
【００５５】 利得増幅器７８は、第１及び第２制御ループ５６、５８から出力電圧ＶO及び
フィードバック電圧ＶFをそれぞれ受け取り、それぞれに所望のバイアスと利得
を提供して、フィルターが掛けられ、増幅された出力電圧Ｖ’Oとフィードバッ
ク電圧Ｖ’Fとを作る。所望のバイアスと利得は、動的コントローラ５０ｂの適
切な応答性と安定性に合わせて選択される。
【００５６】 動的コントローラ５０ｂは、入力電圧ＶSと、基準電圧源５２からの基準電圧
ＶREFと、フィルターが掛かったフィードバック電圧Ｖ’Fと、フィルターが掛か
った出力電圧Ｖ’Oとを入力信号として受け取る。厳密には、放電状態の間は、
動的コントローラ５０ｂは、制御信号Ｓ１’に応答するスイッチＭ２経由で、基
準電圧ＶREFを正の比較器入力８０へ接続する。動的コントローラ５０ｂは、制
御信号Ｓ１’に応答するスイッチＭ４経由で、フィルターが掛けられた出力電圧
Ｖ’Oを負の比較器入力８１へ接続する。充電状態の間は、動的コントローラ５
０ｂは、制御信号Ｓ２’に応答するスイッチＭ１経由で、入力電圧ＶSを正の比
較器入力８０へ接続する。更に、動的コントローラ５０ｂは、制御信号Ｓ２’に
応答するスイッチＭ３経由で、フィルターが掛けられたフィードバック電圧Ｖ’ F を負の比較器入力８１へ接続する。
【００５７】 動的コントローラ８２は、正及び負の比較器入力８０、８１への入力に基づい
て比較信号を生成するための比較器８２を含んでおり、これについては図６に関
し後に説明する。タイミング回路８４は、この比較信号を用いて制御信号Ｓ１、
Ｓ２、Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ１Ｎ、Ｓ２Ｎを生成するが、これについては図１４に
関し後に説明する。制御信号Ｓ１は、整流要素ＭＲを制御するのに用いられ、パ
ワーＭＯＳＦＥＴを制御するのに十分な電流を有している。制御信号Ｓ２は、ス
イッチＭＳを制御するのに用いられ、パワーＭＯＳＦＥＴを制御するのに十分な
電流を有している。Ｓ１’及びＳ２’は、制御信号Ｓ１，Ｓ２の増幅されていな
いバージョンであり、動的コントローラ５０ｂ内で用いられる。制御信号Ｓ１Ｎ
及びＳ２Ｎは、それぞれ制御信号Ｓ１、Ｓ２の反転バージョンであり、スタート
アップ回路７６を制御するのに用いられる。
【００５８】 図６は、図５に示す電圧フィードバック動的コントローラ５０ｂのオペレーシ
ョン（作業）１００のフローチャートである。オペレーション１００は、コント
ローラが作動していない状態から始まっているので、制御信号Ｓ１及びＳ２はオ
フである（ブロック１０２）。かくしてスタートアップオペレーション１０４が
実行されるが、これについては後に図７−９に関し更に詳細に説明する。オペレ
ーション１００は、必要に応じて充電状態と放電状態とを切替えながら、動的オ
ペレーションを開始する。
【００５９】 次に、出力電圧ＶOが基準電圧ＶREFよりも低いかどうか判定される（ブロック
１０６）。出力電圧ＶOが基準電圧ＶREFよりも低くなければ、負荷キャパシタＣ L は十分充電され、オペレーション１００はブロック１０６を繰り返し、放電状
態に留まる。
【００６０】 しかし、ブロック１０６で出力電圧ＶOが基準電圧ＶREFよりも低ければ、スタ
ートアップ遅延が実行される（ブロック１０８）。次に制御信号Ｓ１はオフに変
わり、整流要素ＭＲを開く（ブロック１１０）。その後、交叉（クロス）伝導遅
延が起こるが、制御信号Ｓ２は既にオフとなっており、スイッチＭＳが開く（ブ
ロック１１２）。これは、電力出力ステージ３０ｂの非効率なショートを防ぐ。
次に、制御信号Ｓ２はオンになり、スイッチＭＳが閉じ、充電状態が始まる（ブ
ロック１１４）。
【００６１】 ブロック１１６では、フィードバック電圧ＶFが入力電圧ＶSの所定の小数部β
以上であるかどうかを判定することにより、インダクタＬが十分に電力供給され
ているかどうかの判定が行われるが、ここに０＜β＜１であり、条件が満たされ
るまでブロック１１６が繰り返される。
【００６２】 最適なエネルギー移送量を提供するため、小数部βが、分析的又は経験的に選
定される。小数部βが比較的小さいと、スイッチ切替の作動周波数が高くなる。
普通のスイッチは、オフからオンへの切替及びオンからオフへの切替の間にエネ
ルギーを散逸することが多いので、スイッチ切替を最小にすると効率が上がる。
しかし、インダクタＬは、一杯に電力供給された状態に近づくにつれエネルギー
蓄積の速度が低下するので、小数部βが比較的大きいと、電力出力ステージ３０
ｂの容量を制限することになる。
【００６３】 ブロック１１６が満足されると、次にスタートアップ遅延が実行される（ブロ
ック１１８）。すると制御信号Ｓ２がオフになり、スイッチＭＳを開く（ブロッ
ク１２０）。その後交叉伝導遅延が起こるが、制御信号Ｓ２は既にオフになって
おり、スイッチＭＳは開いている（ブロック１２２）。制御信号Ｓ１がオンにな
ると、整流要素ＭＲが閉じて、放電状態が始まる。オペレーション１００は、次
にブロック１０６へ戻り、一連の動作を繰り返す。
【００６４】 図７は、図５のブースト電力コンバータ用のスタートアップ回路７６の実施例
である。 図８は、図７のスタートアップ回路７６の波形線図である。
【００６５】 図９には、図７のスタートアップ回路７６のオペレーション１０４を示してい
る。スタートアップオペレーション１０４は、負荷が既に電力コンバータに掛け
られているブロック１５０、及び入力電圧が電力コンバータに掛けられるブロッ
ク１５２の初期状況で始まる。次に、電力コントローラがオフになっており、電
力出力ステージを制御していないかどうか判定される（ブロック１５４）。電力
コントローラがオンであれば（ブロック１５４）、次に小さなスタートアップキ
ャパシタＣOPUMPは浮動化され（ブロック１５６）て、スタートアップオペレー
ション１０４が完了する。
【００６６】 コントローラ５０ｂは、コントローラが作動を開始した後でも、スタートアッ
プオペレーション１０４に関しては、オフであることを理解して頂きたい。つま
り、一般的には、コントローラが十分な電圧を実際に展開して整流要素ＭＲ及び
スイッチＭＳを作動させる前に、スタートアップ回路７６への制御信号が利用可
能となる。
【００６７】 ブロック１５４で、コントローラがオフであれば、スタートアップスイッチは
閉じられており、入力電圧ＶSがスタートアップキャパシタＣQPUMPに提供され（
ブロック１５８）、スタートアップキャパシタＣQPUMPが接地への基準とされる
（ブロック１６０）。スタートアップキャパシタＣQPUMPが充電されると（ブロ
ック１６２）、先ずコントローラへバイアスを掛けるのに用いられ（ブロック１
６４）、次に負荷キャパシタに放電され（ブロック１６６）、スタートアップキ
ャパシタＣQPUMPを含むスタートアップ回路が、電力コンバータの電力出力ステ
ージから切り離される（ブロック１６８）。次にスタートアップオペレーション
１０４はブロック１５４へ戻り、コントローラと後続のスタートアップオペレー
ションサイクルを稼動させ必要に応じて繰り返すのに、このスタートアップサイ
クルで十分であったかどうかを見る。
【００６８】 図１０には、図５の動的コントローラ５０ｂの利得増幅器回路７８の実施例を
示している。利得増幅器回路７８は、フィードバック電圧ＶFと出力電圧ＶOを入
力信号として受け取る。演算増幅器１８０は、スタートアップ回路７６によって
バイアスを掛けられている。演算増幅器１８０の正の入力は、電圧分割器Ｒ３／
Ｒ４を通して接続されている入力である。演算増幅器の負の入力と出力は、フィ
ードバックのために抵抗器Ｒ１及びＲ２を通して接続されている。抵抗器は、電
力消費を少なくするために、集積型（例えばポリ抵抗器）の、高インピーダンス
（例えばメガオームの範囲）である。
【００６９】 図１１には、本発明のある態様による、１ボルト以下の入力電圧ＶSで作動可
能な、図５に示したブースト電力コンバータ３０ｂ用の電圧基準回路５２の１つ
の実施例を示している。定電流回路２００は、電圧基準ツーレール回路２０２に
電気を供給して、電圧基準ツーレール回路２０２を入力電圧ＶSの変動から隔離
している。出力バッファ２０４は、電圧基準ツーレール回路２０２からの増幅さ
れていない基準電圧を増幅する。電圧基準ツーレール回路２０２を温度補償する
ために、並行ダイオード配列の絶対温度比例（ＰＴＡＴ）回路２０６は、回路２
０２にバイアスを掛ける。
【００７０】 図１２及び１３には、図５のブースト電力コンバータ３０ｂ用の比較器８２の
１つの実施例を示している。差動増幅器２０６−２１０はコモンモード信号の除
去に効果があるので、有用に用いられている。例えば、コモンモード信号は、入
力上に誘起されたノイズである。集積回路差動増幅器は、出力利得が比較的小さ
い。このことは、入力トランジスタの非線形性と、タイミング回路８４に必要な
電流利得の提供における非線形性という２通りの示唆を与えている。
【００７１】 入力の非線形性の幾らかを取り消すための、３つの差動増幅器の組み合わせが
示されており、第１差動増幅器２０６は、負の入力でＶ＋入力を受け取り、正の
入力でＶ−入力を受け取る。第２差動増幅器２０８は、負の端子でＶ−を受け取
り、正の端子でＶ＋を受け取る。第１差動増幅器２０６の出力は、第３差動増幅
器２１０の負の端子に接続されており、第２差動増幅器２０８の出力は、第３差
動増幅器２１０の正の入力に接続されている。第４差動増幅器２１２は、第３差
動増幅器２１０からの比較器スイッチ切替信号（Ｏｕｔ＋、Ｏｕｔ−）の電流を
増大させるために、電圧フォロアバッファとして構成されている。
【００７２】 図１５では、図２Ｂのブースト電力出力ステージ３０ｂ用の、電流フィードバ
ック無発振器型動的コントローラ５０ｂの回路の実施例を示している。ここで、
フィードバック電流ｉFは、フィードバック電圧ＶFノードで電流プローブ３００
によって感知される。フィードバック電流ｉFは、インダクタ電流ｉLに関係付け
られているか、又はこれと同じである。感知されたフィードバック電流ｉPは、
上記のように、利得増幅器７８への入力として、電流変換器３０２によってフィ
ードバック電圧ノードＶFに変換される。
【００７３】 以上、本発明を幾つかの実施例を示して説明し、図示の実施例について相当詳
細に説明してきたが、この様な詳細事項によって、特許請求の範囲を制限し限定
する意図はない。この他の利点並びに変更は、当業者には容易に理解頂けるであ
ろう。
【００７４】 例えば、分かり易くするために、スイッチＭＳ及び整流要素ＭＲはノーマルオ
ープンで、正のＯＮ信号によって閉じるようにしている。ノーマルクローズのス
イッチ、及び／又は負のオン信号により閉じるスイッチを使ってもよいことは、
本開示の利益を享受する当業者には自明であろう。
【００７５】 別の例として、本発明の電力コンバータは、様々な製品に組み込むことができ
る。例えば、上記の小型で電力消費が少ない（即ち、効率的）という優れた特性
を有する電力コンバータ３１は、バッテリーのパッケージ内に組み込むと、バッ
テリーのサービス寿命を長くし、要求に応じてエネルギーと振幅を高めることが
でき好都合である。電力コンバータの組み込みは、全て１９９８年４月２日出願
の同時係属出願であり一般に公開されている下記の出願に開示されているものと
同じ方法で行うことができる。即ち、Vladimir Gatstein及びDragan D.Nebrig
ic名の米国特許出願第０９／０５４，１９２号「バッテリーの寿命を延ばすため
の組込型コントローラを有する一次バッテリー」；Vladimir Gatstein及びDrag
an D.Nebrigic名の米国特許出願第０９／０５４，１９１号「バッテリーのサー
ビス寿命を延ばすための組込型コントローラを有するバッテリー」；Vladimir
Gatstein及びDragan D.Nebrigic名の米国特許出願第０９／０５４，０８７号「
組込型コントローラを有するバッテリー」；Dragan D.Nebrigic 及びVladimir
Gatstein名の米国仮特許出願第６０／０８０，４２７号「バッテリーのサービ
ス寿命を延ばすための組込型コントローラを有するバッテリー」である。上記の
出願は全て、その全体を参考文献としてここに援用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電力コンバーターを備えた電源を組み込んでいる携帯式電子装置の、トップレ
ベルのブロック図である。
【図２Ａ】 バック電力コンバータの出力ステージの、トップレベルの線図である。
【図２Ｂ】 ブースト電力コンバータの出力ステージの、トップレベルの線図である。
【図３】 本発明による、動的制御式誘導性電力コンバータの、トップレベルのブロック
図である。
【図４】 本発明による、図２Ｂに示すブースト電力コンバータの、調歩式コントローラ
の回路の１つの実施例である。
【図５】 本発明による、図２Ｂに示すブースト電力コンバータの電圧フィードバック無
発振器型コントローラの回路の、１つの実施例である。
【図６】 本発明による、図５の電圧フィードバック無発振器型コントローラの、オペレ
ーションに関するフローチャートである。
【図７】 本発明による、図５のブースト電力コンバータの、スタートアップ回路の実施
例である。
【図８】 図７のスタートアップ回路の波形線図である。
【図９】 図７のスタートアップ回路のオペレーションに関するフローチャートである。
【図１０】 本発明による、図５のブースト電力コンバータの利得増幅器回路の実施例であ
る。
【図１１】 本発明による、図５のブースト電力コンバータの、電圧基準回路の実施例であ
る。
【図１２】 本発明による、図５のブースト電力コンバータの比較器の実施例に関するトッ
プレベルのブロック図である。
【図１３】 本発明による、図１２の比較器の、回路の実施例である。
【図１４】 本発明による、図５のタイミング回路の、回路の実施例である。
【図１５】 図２Ｂのブースト電力コンバータの、電流フィードバック無発振器型コントロ
ーラの回路の実施例である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ジェヴティッチ ミラン マーセル アメリカ合衆国 オハイオ州 45208 シ ンシナティー スプリンガー アヴェニュ ー 3001 (72)発明者 ガートスタイン ヴラディミール アメリカ合衆国 オハイオ州 45241 シ ンシナティー ハントウィック プレイス 11187 (72)発明者 ミラム ウィリアム トーマス アメリカ合衆国 テネシー州 37909 ノ ックスヴィル チャドウィック ドライヴ 8311 (72)発明者 シェリル ジェイムス ヴィグ アメリカ合衆国 テネシー州 37828 ノ リス ピーオー ボックス 214 (72)発明者 バスコ ニコラス アメリカ合衆国 テネシー州 37931 ノ ックスヴィル セクレタリアート ブール ヴァード 1508 (72)発明者 ハンセン ピーター アメリカ合衆国 テネシー州 37922 ノ ックスヴィル マクフィー ロード 329 Ｆターム(参考） 5H730 AA14 AS01 AS04 AS05 BB13 BB14 BB57 DD04 DD32 EE07 EE08 EE10 EE13 EE16 EE19 FD01 FD11 FF09 FG01

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エネルギー源に接続するための入力端子と負荷デバイスに接
    続するための出力端子とを備えた電力コンバータにおいて、 前記入力端子を前記出力端子に選択的に接続して、エネルギー源から負荷デバ
    イスへエネルギーを送るための出力ステージと、 前記入力端子と出力端子との前記選択的接続を動的に制御するために前記出力
    ステージと作動的に接続されているコントローラとを備えており、 前記出力ステージは、前記入力端子に接続されている誘導性要素と、前記出力
    端子に接続されている容量性要素と、第１状態に応答して閉じ、第２状態に応答
    して開く整流要素と、前記コントローラから送られる制御信号Ｓ２に応答するス
    イッチとを更に備えており、前記整流要素と前記スイッチは、前記誘導性要素及
    び前記容量性要素に関して作動的に接続されていて、前記第１状態の間には、前
    記誘導性要素が前記容量性要素に接続され、そこから前記容量性要素にエネルギ
    ーを放出し、前記第２状態の間には、前記誘導性要素に電力供給されるようにな
    っており、 前記コントローラは、入力信号に応答して、前記制御信号Ｓ２を選択的且つ非
    振動的に生成し、前記第１状態で前記スイッチを開き、前記第２状態で前記スイ
    ッチを閉じるようになっており、前記コントローラへの前記入力信号は、前記出
    力端子の出力電圧、前記入力端子の入力電圧、選択可能な基準電圧、及び、前記
    誘導性要素に関して測定されるフィードバック信号の内の１つ又はそれ以上を含
    んでいることを特徴とする電力コンバータ。
  2. 【請求項２】 前記出力ステージ及び前記コントローラと接続されている増
    幅器を更に含んでおり、前記増幅器は、前記フィードバック電圧と前記出力電圧
    の内の少なくとも１つを増幅するよう構成されていることを特徴とする、請求項
    １に記載の電力コンバータ。
  3. 【請求項３】 前記コントローラは、前記スイッチへの前記制御信号Ｓ２を
    増幅するように作動可能なスイッチドライバを含んでいることを特徴とする、上
    記請求項のいずれか１項に記載の電力コンバータ。
  4. 【請求項４】 前記整流要素は電界効果トランジスタを備えていることを特
    徴とする、上記請求項の何れか１項に記載の電力コンバータ。
  5. 【請求項５】 前記スイッチは、少なくとも１つの、閾値が低く、オン抵抗
    が低いＭＯＳＦＥＴを備えていることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項
    に記載の電力コンバータ。
  6. 【請求項６】 前記コントローラは、前記基準電圧を作り出すための電圧基
    準回路を備えていることを特徴とする、上記請求項の何れかに記載の電力コンバ
    ータ。
  7. 【請求項７】 前記コントローラは、前記入力信号に応答するための比較器
    を含んでおり、前記比較器は、２つの入力信号にそれぞれ接続されている第１及
    び第２比較器入力を含んでおり、前記比較器は、前記第１及び第２状態を定義す
    るために、比較器出力でスイッチ切替信号を生成することを特徴とする、上記請
    求項のいずれか１項に記載の電力コンバータ。
  8. 【請求項８】 入力電圧の安定のために、前記入力端子で電気的に接続され
    ている容量性要素を更に備えていることを特徴とする、上記請求項のいずれか１
    項に記載の電力コンバータ。
  9. 【請求項９】 前記誘導性要素は誘導性要素電流を含んでおり、前記コント
    ローラは、更に、前記誘導性要素と接続されていて、前記誘導性要素電流を感知
    し、前記誘導性要素電流を前記フィードバック電圧に変換するように作動可能な
    電流コンバータを備えていることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項に記
    載の電力コンバータ。
  10. 【請求項１０】 エネルギー源に接続するための入力端子と負荷デバイスに
    接続するための出力端子とを備えた電力コンバータを含んでいる集積回路におい
    て、 前記入力端子を前記出力端子に選択的に接続して、エネルギー源から負荷デバ
    イスへエネルギーを送るための出力ステージと、 前記入力端子と出力端子との前記選択的接続を動的に制御するために前記出力
    ステージと作動的に接続されているコントローラとを備えており、 前記出力ステージは、誘導性要素を前記入力端子と接続し、容量性要素を前記
    出力端子と接続することができるようになっており、前記出力ステージは、制御
    信号Ｓ１に応答する整流要素と、前記コントローラから送られる制御信号Ｓ２に
    応答するスイッチとを更に備えており、前記整流要素と前記スイッチは、前記誘
    導性要素及び前記容量性要素に関して作動的に接続されていて、第１状態の間に
    は、前記誘導性要素が前記容量性要素に接続され、そこから前記容量性要素にエ
    ネルギーを放出し、第２状態の間には、前記誘導性要素が充電されるようになっ
    ており、 前記コントローラは、入力信号に応答して、前記制御信号Ｓ１を選択的且つ非
    振動的に生成し、前記第１状態の間には前記整流要素を閉じ、前記第２状態の間
    には前記整流要素を開き、且つ、前記制御信号Ｓ２を生成し、前記第１状態の間
    には前記スイッチを開き、前記第２状態の間には前記スイッチを閉じるようにな
    っており、前記コントローラへの前記入力信号は、前記出力端子の出力電圧、前
    記入力端子の入力電圧、選択可能な基準電圧、及び、前記誘導性要素で測定され
    るフィードバック信号の内の１つ又はそれ以上を含んでいることを特徴とする集
    積回路。
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