JP2014207856A

JP2014207856A - 電圧供給システム

Info

Publication number: JP2014207856A
Application number: JP2014082733A
Authority: JP
Inventors: ケビン・コーリー; Cawley Kevin; ウェイン・ゲーク; Goeke Wayne; グレゴリー・ソボレウスキ; Sobolewski Gregory
Original assignee: Keithley Instruments LLC
Current assignee: Keithley Instruments LLC
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2014-10-30
Also published as: KR20140123413A; CN104102259B; TW201508439A; EP2804007A1; US20140306671A1; US10802520B2; CN104102259A

Abstract

【課題】ＤＵＴに接続されるケーブルのインダクタンスに影響されずに、ＤＵＴに電力を供給できるようにする。【解決手段】ＤＵＴ２０２には、ＤＵＴ電圧ＶDUTが生じる。ＤＵＴ２０２にはケーブルが接続され、このケーブルには、ケーブル・インダクタンス２０４がある。電力供給装置は、ＤＵＴ２０２に供給される広帯域幅の電圧を供給する電圧制御電流源２０６として構成される。差動増幅器２０８は、ＤＵＴ電圧ＶDUTを検出し、設定電圧ＶSETと合算されて、電圧制御電流源２０６の制御電圧ＶERRを生成する。これによれば、ＤＵＴ電圧ＶDUTは、ケーブル・インダクタンス２０４に依存しないようになる。【選択図】図２

Description

本発明は、大まかに言えば、電力供給装置に関し、特に、被試験デバイスにケーブルを通して広帯域幅の電力を供給する必要がある携帯電話のような電子デバイスのための高性能な電力供給装置に関する。

携帯電話産業のような産業では、被試験デバイス（ＤＵＴ）から生じる高速エッジ、高電流パルスに応じて高速な遷移応答で、安定した電圧の電力供給装置に対するニーズが引き続き存在している。こうした課題に対する解決方法として、大まかに言えば、現在は、長い誘導性ケーブルを用いており、そのために高帯域電力供給装置の必要性が生じている。

特表２０１２−５１１３０２号公報

「Voltage Droop」の記事、Wikipedia（英語版）、［オンライン］、［２０１４年４月９日検索］、インターネット<http://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_droop>

上述のように長い誘導性ケーブルを用いると、ケーブルのインダクタンスがＤＵＴのキャパシタンスと反応するために、安定性の問題を生じさせる。

図１は、電流源電力供給装置（電源）の構成例１００を示す。この例１００では、ＤＵＴ１０２が電圧Ｖ_DUTとインピーダンスＺ_Lを有している。ＤＵＴ１０２に接続されたケーブルは、インピーダンス１０４（Ｚ_W）を与える。フィードバック・ループは、フィードバック電圧Ｖ_FEEDBACKを供給するが、このフィードバック・ループは、演算増幅器（オペアンプ）１０８及び誤差（エラー）増幅器を含む。誤差増幅器は、オペアンプ１１０を含み、フィードバック電圧Ｖ_FEEDBACKとデジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）電圧V_DACとを合算し、誤差（又は制御）電圧Ｖ_ERRを生成する。この例では、電圧Ｖ_DUTが、次の数式１に従って供給される。

ある実施形態、例えば、携帯電話のアプリケーションでは、Ｚ_L＝１／ｊ２πｆＣ_LでかつＺ_W＝ｊ２πｆＬ_Wとなることがあり（Ｃ_LはＤＵＴのキャパシタンス、Ｌ_Wはケーブルのインダクタンス）、その結果として、Ｖ_DUTは、次の数式２となる。

数式２は、ＤＵＴのＣ_LとケーブルのＬ_Wを含む回路網がフィルタとして機能することを示しており、分母が０になる周波数において、数式３に示すようにポール（極）が形成される。

ある場合では、Ｌ_W＝４マイクロＨで、Ｃ_L＝１０マイクロＦの値を取ることがあり、これらを数式３に代入すると、ｆｐ＝１７.８ｋＨｚが得られる。即ち、この周波数において、困ったことに、ループが不安定になってしまう。

こうしたことから、ケーブルへの依存性を低減したシステムが必要とされている。

本発明の実施形態は、電力供給装置（電源）を含み、これは、携帯電話で良くあるように、低電圧ドループで高速電流パルスに応答するように設計され、長いケーブルのインダクタンスによる安定性の問題がない。こうした実施形態は、高速遷移レスポンスが要求され、特に容量性負荷を伴う被試験デバイス（ＤＵＴ）まで長いケーブルを用いるパルス形式の負荷に有用である。また、こうした実施形態は、ケーブルを用いるシステム又はＤＵＴ自身が、電力供給装置の性能に影響を与えることがほとんどなく、広帯域幅電力をＤＵＴに供給するのにも有用である。

より具体的には、本発明の概念１は、電圧供給システムであって、
リモート・コンデンサと、
制御可能な相互コンダクタンスを有する電圧制御電流源と、
上記電圧制御電流源の出力端子を上記リモート・コンデンサに接続する第１ケーブルと、
上記電圧制御電流源の入力端子を上記リモート・コンデンサに接続する第２ケーブルと
を具え、上記リモート・コンデンサの容量は、開ループ利得を１としつつ上記開ループ利得の周波数ロール・オフを制御できる大きさであることを特徴としている。

本発明の概念２は、上記概念１の電圧供給システムであって、
上記電圧制御電流源が、
電流を出力する基準点へ抵抗を介して接続された電圧制御電圧源と、
上記基準点を基準電位として出力電圧を生成する差動増幅器と
を具え、上記差動増幅器の出力端子が上記電圧制御電圧源の入力端子に接続されることを特徴としている。

本発明の概念３は、上記概念１の電圧供給システムであって、上記リモート・コンデンサ及び被試験デバイス（ＤＵＴ）に供給される電圧を設定又は変更する手段を更に具えることを特徴としている。

本発明の概念４は、上記概念３のシステムであって、上記リモート・コンデンサが、上記ＤＵＴの直ぐ近くに配置されることを特徴としている。

本発明の概念５は、上記概念３のシステムであって、上記リモート・コンデンサが、上記ＤＵＴの一部分に含まれることを特徴としている。

本発明の概念６は、上記概念３のシステムであって、上記リモート・コンデンサ及び上記ＤＵＴに供給される電圧を設定又は変更する手段は、システム帯域幅の制限内において上記リモート・コンデンサに任意電圧波形を生成するように時間と共に変更されることを特徴としている。

本発明の概念７は、上記概念１のシステムであって、上記電圧制御電流源の上記相互コンダクタンスが調整可能であることを特徴としている。

図１は、電流源電力供給装置の構成例を示している。図２は、本発明の実施形態による電力供給装置の構成の第１の例を示す。図３は、本発明の実施形態による電力供給装置の構成の第２の例を示す。図４は、本発明の実施形態による電力供給装置の構成の第３の例を示す。図５は、本発明の実施形態による電力供給装置の構成の第４の例を示す。

本発明の実施形態は、大まかに言えば、バッテリー駆動の無線デバイスのような容量性被試験デイバス（ＤＵＴ）に電力を供給するよう設計された電力供給装置（電力供給装置：電源）に関し、これは、電流パルスで負荷をかけられるように高帯域幅性能が要求され、また、長いケーブルの端部における極めて高速な負荷電圧変動率が要求される。こうした電力供給装置は、ＤＵＴのバッテリーをシミュレーションする機能を提供したり、ＤＵＴに任意の電圧を供給できる。

図２は、本発明の実施形態による電力供給装置の構成の第１の例２００を示す。例２００では、ＤＵＴ２０２が電圧Ｖ_DUTとインピーダンスＺ_DUTを有している。ＤＵＴ２０２に接続されたケーブルのケーブル・インダクタンス２０４は、インダクタンスＬ_CABLEを提供し、電圧制御電流源２０６は、相互コンダクタンス利得ｇ_mを提供する。フィードバック・ループは、フィードバック電圧Ｖ_FEEDBACKを供給するが、これは、演算増幅器（オペアンプ）２０８を含む。合算回路２０９は、設定電圧Ｖ_SETとフィードバック電圧Ｖ_FEEDBACKを受けて合算し、制御電圧Ｖ_ERRを生成する。このとき、この例２００では、フィードバック電圧Ｖ_FEEDBACKが電圧Ｖ_DUTと等しく、次の数式４を満たすように、設定電圧Ｖ_SETが設定されて、制御電圧Ｖ_ERRが生成される。

このように、この例でのフィードバック電圧Ｖ_FEEDBACKは、ＤＵＴ２０２に接続されたケーブルのケーブル・インダクタンス２０４の関数ではなく、結果として、ループが大幅に安定する。

本発明による電力供給装置は、大まかに言えば、その遷移応答や安定性がケーブルやケーブルに接続される負荷に影響されないように設計されている。こうした電力供給装置は、大雑把に言えば、負荷ケーブルを通してＤＵＴに電力を送る高帯域電圧制御信号源から構成される。安定性及び遷移応答は、電流源利得、ｇ_m、外部コンデンサによって設定できる。電力供給装置と共に用意される外部コンデンサ（リモート・コンデンサ）は、ＤＵＴの近く、例えば、ケーブルの端部に（つまり、電力供給装置から見れば遠隔（リモート）に）配置される。

電圧制御電流源は、大まかに言えば、特定の（例えば、高い）相互コンダクタンス（ｇ_m）を持つように設計される。一例としては、電力供給装置の直流における出力インピーダンスは、おおよそ１／ｇ_mに等しく、与えられるコンデンサは、典型的には、１０マイクロＦの高周波数特性の極めて良いコンデンサである。ＤＵＴが与える並列キャパシタンスに対して優勢となるように、上記コンデンサの寄生容量は極めて小さくすると良い。

電力供給装置の帯域幅は、電圧制御電流源のｇ_mと、ＤＵＴのキャパシタンスと、並列に供給されるコンデンサのキャパシタンスとによって設定できる。周波数帯域幅は、おおよそ、ｇ_m／（２π＊キャパシタンス）に等しい（単位はＨｚ）。

図３は、本発明の実施形態による電力供給装置の構成の第２の例３００を示す。この例３００では、ＤＵＴ３０２が、電圧Ｖ_DUT及びインピーダンスＺ_DUTを有し、ケーブル・インダクタンス３０４がインダクタンスＬ_CABLEを与える。この例３００では、ＮＰＮトランジスタ３０８が、電圧源（Ｖ_SET）３１０及びオペアンプ３０６に結合され、次の数式に従って電流を供給する電圧制御電流源を構成する。

したがって、電圧Ｖ_DUTは、次の数式に従う。

図２の電力供給装置の構成と同様に、回路網の特性がケーブルに依存しないので、図３の電力供給装置の構成では、ループの特性が極めて安定している。ＤＵＴ３０２は、容量性の高いものでも良く、この場合、電力供給装置の帯域幅は、電圧制御電流源のｇ_mとＤＵＴコンデンサとによっておおよそ決定される。

本発明の電力供給装置の性能を判断する基準は２つあって、１つは電流パルスに対する電圧ドループ（非特許文献１参照）であり、もう１つは、こうしたドループに対して戻るのに必要となる時間である。これは、通常、遷移応答として特定され、電力供給装置の閉ループ帯域幅に関連しており、例えば、帯域幅が広いほど、一般的には遷移応答が良い。帯域幅が広いことは、２つの性能基準にとって重要であり、この場合、高周波数での開ループ利得が高くなり、これによって電力供給装置の出力インピーダンスが低くなり、電流パルスが高速になる。これは、通常、電圧ドループが低くなる。

広帯域幅であることは、電圧のリカバリー（戻り）時間に直接関係する閉ループの帯域幅という点いおいても有益であり、例えば、帯域幅が広ければ、一般に、リカバリー時間も短くなる。携帯電話の試験に必要な典型的な要件としては、高速電流パルス（例えば、２Ａ）に対応して電圧ドループが低い（例えば、５０ｍＶ未満）ことに加えて、電圧ドループのオリジナル値への戻り（リカバリー）が、例えば、２５マイクロ秒よりも短いことが挙げられる。こうした応答（レスポンス）に適合するため、２００ｋＨｚの帯域幅を有するように電力供給装置を設計しても良い。

高周波数（例えば、５ＭＨｚ）までのフラットな周波数応答という電圧制御電流源の性能と、負荷のキャパシタンスと並列に供給されるコンデンサ（リモート・コンデンサ）とによって、どの程度安定した性能となるかが設定される。もし負荷のキャパシタンスが並列に供給されるコンデンサのものよりも大幅に大きいと、キャパシタンスが大きくなるほど、帯域幅は通常狭くなる。もし負荷のキャパシタンスに抵抗成分が多いか又は誘導性成分が多いと、並列に供給されるコンデンサが典型的には優勢となり、安定性を左右する（又は定める）ようになる。

上述した２つの状況のどちらにおいても、帯域幅と安定性は、都合の良いことに、ＤＵＴに接続されたケーブルのインダクタンスには影響されず、電圧制御電流源と、ＤＵＴのキャパシタンスと並列に供給されるコンデンサとに依存している。

図４は、本発明の実施形態による電力供給装置の構成の第３の例４００を示す。この例４００では、ＤＵＴ４０２が、電圧Ｖ_DUT及びインピーダンスＺ_DUTを有し、ケーブル・インダクタンス４０４がインダクタンスＬ_CABLEを与える。この例では、抵抗器４０９に結合されたＮＰＮトランジスタ４０８が、電圧源（Ｖ_SET）４１０、増幅器４１２及びオペアンプ４０６に結合される。図４の電力供給装置の構成は、図３の電力供給装置の構成と類似しているが、増幅器４１２とコンデンサ４１４が追加されている点が顕著に異なっている。コンデンサ４１４は、ＤＵＴ４０２の近くに配置され、実施形態に応じて、ループを実質的に制御（又は支配）できるように十分に大きなものを用いる。例えば、携帯電話のキャパシタンスが５〜１０マイクロＦであれば、コンデンサ４１４の値は１０マイクロＦにすると良い。ある状況においては、ＤＵＴ４０２が高性能なコンデンサを用いていることもあり、この場合、コンデンサ４１４を追加する必要がないこともある。この場合、ＤＵＴ４０２のキャパシタンスの値を利用して所望の帯域幅を実現するように、電圧制御電流源のｇ_mを調整しても良い。

図５は、本発明の実施形態による電力供給装置の構成の第４の例５００を示す。この第４の例５００は、ＤＵＴ５０２が電圧Ｖ_DUT及びインピーダンスＺ_DUTを有し、ＤＵＴ５０２に接続されたケーブルがＬ_CABLEのケーブル・インダクタンス５０４を与え、電圧制御電流源５０６が相互コンダクタンス利得ｇ_mを与え、オペアンプ５０８を含むフィードバック・ループがフィードバック電圧Ｖ_FEEDBACKを供給し、合算回路５０９が制御電圧Ｖ_ERRを供給し、コンデンサ５１４がＤＵＴ５０２の近くに配置される点では、図２に示した第１の例２００と類似する。一方で、第４例５００は、任意波形発生装置からの電圧Ｖ_arbを受ける点が第１例２００と異なる。この例５００では、ケーブル・インダクタンス５０４とＤＵＴ５０２のインピーダンスＺ_DUTとは無関係に、任意波形発生装置からの任意波形電圧Ｖ_arbをＤＵＴ５０２に供給しても良い。

任意波形発生装置は、一般に、低電力であり、出力インピーダンスもある。きれいな信号をＤＵＴに出力するためには、あるインピーダンスを有するケーブルと、インピーダンス整合の取れた終端が必要となる。そこで、信号をＤＵＴに届けるため、一般には、任意波形（関数波形）を再生成してＤＵＴへ送るように電力バッファが用いられる。しかし、図５に示した例５００のような実施形態を用いることで、都合の良いことに、ケーブルの影響をほとんど受けず、そして、信号をバッファすることもなく、任意波形電圧Ｖ_arbをＤＵＴへ直接供給できる。

好ましい実施形態を用いて本発明の原理を説明及び図示してきたが、本発明は、こうした原理から逸脱することなく、その構成や詳細を変更し、所望の形態に組み合わせ可能なのは当然である。先の説明では、特定の実施形態に絞って説明しているが、別の構成も考えられる。特に、「本発明の実施形態によると」といった表現を本願では用いているが、こうした言い回しは、一般に実施形態として可能であること述べているに過ぎず、特定の実施形態の構成に限定することを意味するものではない。本願で用いているように、こうした用語は、別の実施形態に組み合わせ可能な同じ又は異なる実施形態を言及していると考えても良い。

従って、本願で説明した実施形態は、幅広く種々に組み合え可能であるとの観点から、詳細な説明や図面等は、単に説明の都合によるものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。

２００電力供給装置の第１構成例
２０２被試験デバイス
２０４ケーブル・インダクタンス
２０６電圧制御電流源
２０８演算増幅器
２０９合算回路
３００電力供給装置の第２構成例
３０２被試験デバイス
３０４ケーブル・インダクタンス
３０６演算増幅器
３０８ＮＰＮトランジスタ
３１０電圧源
４００電力供給装置の第３構成例
４０２被試験デバイス
４０４ケーブル・インダクタンス
４０６演算増幅器
４０８ＮＰＮトランジスタ
４０９抵抗器
４１０電圧源
４１２増幅器
４１４コンデンサ
５００電力供給装置の第４構成例
５０２被試験デバイス
５０４ケーブル・インダクタンス
５０６電圧制御電流源
５０８演算増幅器
５０９合算回路
５１４コンデンサ

Claims

リモート・コンデンサと、
制御可能な相互コンダクタンスを有する電圧制御電流源と、
上記電圧制御電流源の出力端子を上記リモート・コンデンサに接続する第１ケーブルと、
上記電圧制御電流源の入力端子を上記リモート・コンデンサに接続する第２ケーブルと
を具え、上記リモート・コンデンサの容量は、開ループ利得を１としつつ上記開ループ利得の周波数ロール・オフを制御できる大きさであることを特徴とする電流供給システム。
上記電圧制御電流源が、
電流を出力する基準点へ抵抗を介して接続された電圧制御電圧源と、
上記基準点を基準電位として出力電圧を生成する差動増幅器と
を具え、上記差動増幅器の出力端子が上記電圧制御電圧源の入力端子に接続されることを特徴とする請求項１記載の電流供給システム。
上記リモート・コンデンサ及び被試験デバイス（ＤＵＴ）に供給される電圧を設定又は変更する手段を更に具えることを特徴とする請求項１又は２記載の電流供給システム。
上記リモート・コンデンサ及び上記ＤＵＴに供給される電圧を設定又は変更する手段は、システム帯域幅の制限内において上記リモート・コンデンサに任意電圧波形を生成するように時間と共に変更されることを特徴とする請求項３記載の電流供給システム。