JP7747458B2 - Resonant switched capacitor converter, its controller circuit, and electronic device using the same - Google Patents
Resonant switched capacitor converter, its controller circuit, and electronic device using the sameInfo
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Description
本開示は、共振スイッチドキャパシタコンバータに関する。 This disclosure relates to a resonant switched-capacitor converter.
電源電圧より高い電圧あるいは低い電圧を生成するために、DC/DCコンバータやチャージポンプが使用される。エネルギーを蓄える素子としてインダクタを利用するDC/DCコンバータは、インダクタによって出力電圧を制御することができる一方で、スイッチング動作により効率が低下するという問題がある。 DC/DC converters and charge pumps are used to generate voltages higher or lower than the power supply voltage. DC/DC converters that use inductors as energy storage elements can control the output voltage, but they have the problem of reduced efficiency due to switching operations.
高効率が要求されるアプリケーションでは、エネルギーの保存要素としてのインダクタが不要なスイッチドキャパシタコンバータ(チャージポンプ)が使用される。このスイッチドキャパシタコンバータのひとつとして、フライングキャパシタと直列に共振用のインダクタを追加して、共振動作させるものが知られている(共振スイッチドキャパシタコンバータという)。共振スイッチドキャパシタコンバータによれば、ゼロ電流スイッチング(ソフトスイッチング)が可能となるため、高効率動作が可能となる。 In applications that require high efficiency, switched capacitor converters (charge pumps) are used, as they do not require an inductor as an energy storage element. One type of switched capacitor converter is known to operate in resonance by adding a resonant inductor in series with the flying capacitor (called a resonant switched capacitor converter). Resonant switched capacitor converters enable zero-current switching (soft switching), enabling highly efficient operation.
共振スイッチドキャパシタコンバータの1形態として、ディクソン型のチャージポンプにインダクタを追加した構成(スイッチドタンクコンバータ)も知られている。 One known form of resonant switched capacitor converter is a configuration in which an inductor is added to a Dickson-type charge pump (switched tank converter).
本開示は係る状況においてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、過電流保護機能を備える共振スイッチドキャパシタコンバータの提供にある。 It is in this context that the present disclosure has been made, and one of its exemplary purposes is to provide a resonant switched-capacitor converter with overcurrent protection.
本開示のある態様は、共振スイッチドキャパシタコンバータのコントローラ回路に関する。コントローラ回路は、クロック信号を生成するオシレータと、クロック信号に応じて、共振スイッチドキャパシタコンバータのスイッチ回路を構成する複数のスイッチを駆動する駆動回路と、共振スイッチドキャパシタコンバータの過電流状態を検出すると、クロック信号の周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させる過電流保護回路と、を備える。 One aspect of the present disclosure relates to a controller circuit for a resonant switched capacitor converter. The controller circuit includes an oscillator that generates a clock signal, a drive circuit that drives multiple switches that constitute a switch circuit of the resonant switched capacitor converter in response to the clock signal, and an overcurrent protection circuit that, upon detecting an overcurrent state in the resonant switched capacitor converter, changes the frequency of the clock signal in a direction away from the resonant frequency.
本開示の別の態様は、共振スイッチドキャパシタコンバータの制御方法であって、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電流を検出するステップと、出力電流が所定のしきい値を越えると、共振スイッチドキャパシタコンバータのスイッチング周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させるステップと、を備える。 Another aspect of the present disclosure is a method for controlling a resonant switched capacitor converter, comprising the steps of detecting an output current of the resonant switched capacitor converter, and, when the output current exceeds a predetermined threshold, changing the switching frequency of the resonant switched capacitor converter in a direction away from the resonant frequency.
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 In addition, any combination of the above components, or mutual substitution of components or expressions between methods, devices, systems, etc., are also valid aspects of the present invention.
本開示のある態様によれば、過電流保護を実現できる。 According to certain aspects of the present disclosure, overcurrent protection can be achieved.
(実施形態の概要)
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態(実施例や変形例)または複数の実施形態(実施例や変形例)を指すものとして用いる場合がある。
(Outline of the embodiment)
A summary of some exemplary embodiments of the present disclosure is provided. This summary is intended to provide a simplified overview of some concepts of one or more embodiments in order to provide a basic understanding of the embodiments as a prelude to the more detailed description that follows. It is not intended to limit the scope of the invention or disclosure. This summary is not an exhaustive overview of all possible embodiments, and is not intended to identify key elements of all embodiments or to delineate the scope of some or all aspects. For convenience, the term "one embodiment" may refer to one embodiment (example or variant) or multiple embodiments (examples or variants) disclosed herein.
一実施形態に係る共振スイッチドキャパシタコンバータのコントローラ回路は、クロック信号を生成するオシレータと、クロック信号に応じて、共振スイッチドキャパシタコンバータのスイッチ回路を構成する複数のスイッチを駆動する駆動回路と、共振スイッチドキャパシタコンバータの過電流状態を検出すると、クロック信号の周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させる過電流保護回路と、を備える。 In one embodiment, a controller circuit for a resonant switched capacitor converter includes an oscillator that generates a clock signal, a drive circuit that drives multiple switches that make up the switch circuit of the resonant switched capacitor converter in response to the clock signal, and an overcurrent protection circuit that changes the frequency of the clock signal away from the resonant frequency when an overcurrent state in the resonant switched capacitor converter is detected.
この構成によると、スイッチング周波数を共振周波数から遠ざけることにより、共振スイッチドキャパシタコンバータのゲインを低下させ、出力電圧を低下させるとともに、出力電流を減へらすことができる。 With this configuration, by moving the switching frequency away from the resonant frequency, the gain of the resonant switched capacitor converter can be reduced, the output voltage can be lowered, and the output current can be reduced.
一実施形態において、コントローラ回路は、正常状態において、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧に応じてオシレータの発振周波数を制御する周波数コントローラをさらに備えてもよい。 In one embodiment, the controller circuit may further include a frequency controller that controls the oscillation frequency of the oscillator in response to the output voltage of the resonant switched capacitor converter under normal conditions.
この構成によると、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧に応じてスイッチング周波数を最適化することで、共振周波数がばらついた場合でも、共振スイッチドキャパシタコンバータをソフトスイッチング動作させることができ、効率を改善できる。また過電流状態では、周波数コントローラによる周波数制御を無効化して、スイッチング周波数を共振周波数から遠ざけることができる。 With this configuration, by optimizing the switching frequency according to the output voltage of the resonant switched capacitor converter, the resonant switched capacitor converter can be operated in soft switching mode, even when the resonant frequency varies, thereby improving efficiency. Furthermore, in an overcurrent state, frequency control by the frequency controller can be disabled, allowing the switching frequency to be moved away from the resonant frequency.
一実施形態において、周波数コントローラは、正常状態において、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧が最大値に近づくように、オシレータの発振周波数を制御してもよい。これによりゼロ電流スイッチング(ZCS:Zero Current Switching)が実現できる。 In one embodiment, the frequency controller may control the oscillation frequency of the oscillator so that the output voltage of the resonant switched capacitor converter approaches its maximum value under normal conditions, thereby achieving zero current switching (ZCS).
一実施形態において、周波数コントローラは、オシレータの発振周波数を第1方向に変化させた結果、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧が増加したとき、次の周波数制御サイクルにおいて、オシレータの発振周波数を第1方向に変化させ、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧が低下したとき、次の周波数制御サイクルにおいて、オシレータの発振周波数を第1方向と反対の第2方向に変化させてもよい。 In one embodiment, when the output voltage of the resonant switched capacitor converter increases as a result of changing the oscillation frequency of the oscillator in a first direction, the frequency controller may change the oscillation frequency of the oscillator in the first direction in the next frequency control cycle, and when the output voltage of the resonant switched capacitor converter decreases, the frequency controller may change the oscillation frequency of the oscillator in a second direction opposite to the first direction in the next frequency control cycle.
一実施形態において、周波数コントローラは、正常状態において、オシレータの発振周波数が共振スイッチドキャパシタコンバータの共振周波数より高い領域でオシレータの発振周波数を変化させてもよい。この場合、ゼロ電圧スイッチング(ZVS:Zero Voltage Switching)によって効率を改善できる。 In one embodiment, the frequency controller may vary the oscillator's oscillation frequency in a region where, under normal conditions, the oscillator's oscillation frequency is higher than the resonant frequency of the resonant switched capacitor converter. In this case, efficiency can be improved by zero voltage switching (ZVS).
一実施形態において、周波数コントローラは、正常状態において、共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧が目標電圧に近づくように、オシレータの発振周波数を変化させてもよい。これにより出力電圧を任意の電圧レベルに設定できる。 In one embodiment, the frequency controller may vary the oscillation frequency of the oscillator so that the output voltage of the resonant switched capacitor converter approaches a target voltage under normal conditions, thereby allowing the output voltage to be set to any desired voltage level.
一実施形態において、コントローラ回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を1つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。 In one embodiment, the controller circuit may be monolithically integrated on a single semiconductor substrate. "Monolithic integration" includes cases where all of the circuit's components are formed on a semiconductor substrate, or where the main circuit components are monolithically integrated, and some resistors, capacitors, etc. may be provided outside the semiconductor substrate to adjust circuit constants. By integrating the circuit on a single chip, the circuit area can be reduced and the characteristics of the circuit elements can be maintained uniformly.
(実施形態)
以下、本発明を好適な実施形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, parts, and processes shown in each drawing are designated by the same reference numerals, and redundant descriptions will be omitted where appropriate. Furthermore, the embodiments are illustrative and do not limit the invention, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, "a state in which component A is connected to component B" refers not only to cases in which component A and component B are directly physically connected, but also to cases in which component A and component B are indirectly connected via other components that do not substantially affect their electrical connection state or impair the function or effect achieved by their connection.
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "a state in which component C is provided between components A and B" includes not only cases in which components A and C, or components B and C, are directly connected, but also cases in which they are indirectly connected via other components that do not substantially affect their electrical connection state or impair the function or effect achieved by their combination.
また、「信号A(電圧、電流)が信号B(電圧、電流)に応じている」とは、信号Aが信号Bと相関を有することを意味し、具体的には、(i)信号Aが信号Bである場合、(ii)信号Aが信号Bに比例する場合、(iii)信号Aが信号Bをレベルシフトして得られる場合、(iv)信号Aが信号Bを増幅して得られる場合、(v)信号Aが信号Bを反転して得られる場合、(vi)あるいはそれらの任意の組み合わせ、等を意味する。「応じて」の範囲は、信号A、Bの種類、用途に応じて定まることが当業者には理解される。 Furthermore, "signal A (voltage, current) corresponds to signal B (voltage, current)" means that signal A has a correlation with signal B, and specifically means (i) when signal A is signal B, (ii) when signal A is proportional to signal B, (iii) when signal A is obtained by level-shifting signal B, (iv) when signal A is obtained by amplifying signal B, (v) when signal A is obtained by inverting signal B, (vi) or any combination thereof. Those skilled in the art will understand that the scope of "corresponding" is determined depending on the type and application of signals A and B.
本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。 The vertical and horizontal axes of the waveform diagrams and time charts referenced in this specification have been enlarged or reduced as appropriate to facilitate understanding, and the waveforms shown have been simplified, exaggerated, or emphasized to facilitate understanding.
(実施形態)
図1は、実施形態に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100の回路図である。共振スイッチドキャパシタコンバータ100は、少なくともひとつのキャパシタC1~Cnと、インダクタLと、スイッチ回路110と、駆動回路120と、オシレータ150と、過電流保護回路160と、を備える。これらのうち少なくとも駆動回路120、オシレータ150、過電流保護回路160は、ひとつの半導体チップ(以下、コントローラIC(Integrated Circuit))200に集積化されている。コントローラIC200に、スイッチ回路110を集積化してもよい。
(Embodiment)
1 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter 100 according to an embodiment. The resonant switched capacitor converter 100 includes at least one capacitor C1 to Cn, an inductor L, a switch circuit 110, a drive circuit 120, an oscillator 150, and an overcurrent protection circuit 160. Of these, at least the drive circuit 120, the oscillator 150, and the overcurrent protection circuit 160 are integrated into a single semiconductor chip (hereinafter referred to as a controller IC (Integrated Circuit)) 200. The switch circuit 110 may also be integrated into the controller IC 200.
共振スイッチドキャパシタコンバータ100のトポロジーは特に限定されず、共振スイッチドキャパシタコンバータ100のゲインすなわち分圧比あるいは昇圧比も特に限定されない。 The topology of the resonant switched capacitor converter 100 is not particularly limited, and the gain of the resonant switched capacitor converter 100, i.e., the voltage division ratio or voltage step-up ratio, is also not particularly limited.
インダクタL1は、キャパシタC1~Cnのひとつ(フライングキャパシタ)と直列に接続され、LC共振回路を形成する。なお、複数のフライングキャパシタに対応して、複数のインダクタが設けられてもよい。 Inductor L1 is connected in series with one of capacitors C1 to Cn (a flying capacitor) to form an LC resonant circuit. Note that multiple inductors may be provided to correspond to multiple flying capacitors.
スイッチ回路110は、入力ノードIN、出力ノードOUT、接地ノードGND、複数のスイッチSWを備える。入力ノードINには、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の入力電圧VINが供給され、出力ノードOUTには、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の出力電圧VOUTが発生する。接地ノードGNDは接地される。 The switch circuit 110 includes an input node IN, an output node OUT, a ground node GND, and a plurality of switches SW. The input node IN is supplied with an input voltage VIN of the resonant switched capacitor converter 100, and the output node OUT generates an output voltage VOUT of the resonant switched capacitor converter 100. The ground node GND is grounded.
オシレータ150は、クロック信号CLKを生成する。共振スイッチドキャパシタコンバータ100は、このクロック信号CLKと同期してスイッチングする。つまり共振スイッチドキャパシタコンバータ100のスイッチング周波数は、クロック信号CLKの周波数(オシレータ150の発振周波数)にもとづいている。たとえばオシレータ150の発振周波数は、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の共振周波数ω0またはその近傍に固定してもよい。あるいは後述するように、出力電圧VOUTに応じてオシレータ150の発振周波数をフィードバック制御してもよい。 The oscillator 150 generates a clock signal CLK. The resonant switched capacitor converter 100 switches in synchronization with this clock signal CLK. That is, the switching frequency of the resonant switched capacitor converter 100 is based on the frequency of the clock signal CLK (the oscillation frequency of the oscillator 150). For example, the oscillation frequency of the oscillator 150 may be fixed at or near the resonant frequency ω0 of the resonant switched capacitor converter 100. Alternatively, as will be described later, the oscillation frequency of the oscillator 150 may be feedback-controlled in accordance with the output voltage VOUT .
駆動回路120は、クロック信号CLKと同期して、スイッチ回路110を構成する複数のスイッチSW1~SWmを駆動する。駆動回路120は、複数のスイッチSW1~SWmに対応するドライバDr1~Drmを含む。 Driver circuit 120 drives multiple switches SW1-SWm that make up switch circuit 110 in synchronization with clock signal CLK. Drive circuit 120 includes drivers Dr1-Drm that correspond to the multiple switches SW1-SWm.
コントローラIC200の電流検出ピンCSには、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の出力電流IOUTを示す電流検出信号ISが入力される。たとえば出力電流IOUTの経路上にセンス抵抗RCSを挿入し、その両端間電圧(電圧降下)を電流検出信号ISとして電流検出ピンCSに入力してもよい。 A current detection signal IS indicating the output current IOUT of the resonant switched capacitor converter 100 is input to a current detection pin CS of the controller IC 200. For example, a sense resistor RCS may be inserted in the path of the output current IOUT , and the voltage across the resistor (voltage drop) may be input to the current detection pin CS as the current detection signal IS.
過電流保護回路160は、電流検出信号ISにもとづいて、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の過電流状態を検出する。たとえば過電流保護回路160は、電流検出信号ISが所定のしきい値を越えると、過電流状態と判定してもよい。過電流保護回路160は、過電流状態を検出すると、オシレータ150が生成するクロック信号CLKの周波数を、共振周波数から遠ざかる方向に変化させる。 The overcurrent protection circuit 160 detects an overcurrent state of the resonant switched capacitor converter 100 based on the current detection signal IS. For example, the overcurrent protection circuit 160 may determine that an overcurrent state has occurred when the current detection signal IS exceeds a predetermined threshold. When the overcurrent protection circuit 160 detects an overcurrent state, it changes the frequency of the clock signal CLK generated by the oscillator 150 in a direction away from the resonant frequency.
以上が共振スイッチドキャパシタコンバータ100の構成である。続いてその動作を説明する。 The above is the configuration of the resonant switched capacitor converter 100. Next, we will explain its operation.
図2は、共振スイッチドキャパシタコンバータ100のゲインとスイッチング周波数ωの関係を示す図である。ここでは1/2倍のスイッチドキャパシタコンバータを例に説明する。スイッチドキャパシタコンバータの特性は以下の式で表される。
ω0は共振周波数であり、スイッチング周波数ωが共振周波数ω0と一致するときに、ゲインGは最大値である1/2となり、そこから逸脱するにしたがって、低下していく。 ω 0 is the resonant frequency, and when the switching frequency ω coincides with the resonant frequency ω 0 , the gain G reaches a maximum value of ½, and decreases as the switching frequency ω deviates from this value.
Rは、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の負荷のインピーダンスを表す。QLは回路のQ値であり、Z0は特性インピーダンスである。 R represents the impedance of the load of the resonant switched capacitor converter 100. QL is the Q factor of the circuit, and Z0 is the characteristic impedance.
重負荷になると(Rが小さくなると)、Q値が大きくなり、スイッチング周波数ωが共振周波数ω0から逸脱したときのゲイン低下が大きくなる。 When the load is heavy (when R is small), the Q value becomes large, and the decrease in gain becomes large when the switching frequency ω deviates from the resonant frequency ω 0 .
たとえば、正常状態(非過電流状態)では、オシレータ150の発振周波数は、共振周波数ω0の近傍のハッチングを付した領域(NORMAL)内に定められており、共振スイッチドキャパシタコンバータ100のゲインは1/2に近い。このとき、共振スイッチドキャパシタコンバータ100は、入力電圧VINの1/2倍の出力電圧VOUTを生成する。 For example, in a normal state (non-overcurrent state), the oscillation frequency of oscillator 150 is set within the hatched region (NORMAL) near the resonant frequency ω0 , and the gain of resonant switched capacitor converter 100 is close to 1/2. At this time, resonant switched capacitor converter 100 generates output voltage VOUT that is 1/2 times the input voltage VIN .
過電流保護回路160によって過電流状態が検出されると、オシレータ150の発振周波数は、共振周波数ω0から遠ざかる方向に変化させる。図2の例では、OCPと表記した領域まで共振周波数ω0を上昇させる。これにより、オシレータ150のゲインが1/2から低下させることができる。これにより、共振スイッチドキャパシタコンバータ100の出力電圧VOUTを低下させ、また出力電流IOUTを減らすことができる。なお、過電流状態において、スイッチング周波数を共振周波数ω0より低い方向に変化させてもよい。 When the overcurrent protection circuit 160 detects an overcurrent state, the oscillation frequency of the oscillator 150 is changed in a direction away from the resonant frequency ω0 . In the example of FIG. 2, the resonant frequency ω0 is increased to the region marked OCP. This allows the gain of the oscillator 150 to be reduced from ½. This reduces the output voltage VOUT of the resonant switched capacitor converter 100 and also reduces the output current IOUT . Note that in an overcurrent state, the switching frequency may be changed in a direction lower than the resonant frequency ω0 .
本開示は、図1のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本開示の範囲を狭めるためではなく、本開示や本発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。 This disclosure extends to various devices and methods that can be understood as the block diagram or circuit diagram in Figure 1 or derived from the above description, and is not limited to any particular configuration. Below, more specific configuration examples and examples will be described, not to narrow the scope of this disclosure, but to aid in understanding and clarify the essence and operation of this disclosure and the present invention.
(実施例1)
図3は、実施例1に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aの回路図である。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、1/2倍のゲインを有しており、入力ライン102の入力電圧VINを1/2倍に降圧し、出力ライン104に出力電圧VOUT=VIN/2を発生する。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、2個のキャパシタC1,C2と、1個のインダクタL1、コントローラIC200Aを備える。またスイッチ回路110Aは、スイッチSW1~SW4を備える。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、1/2倍のチャージポンプのフライングキャパシタと直列に、インダクタを追加した構成である。
Example 1
3 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter 100A according to a first embodiment. The resonant switched capacitor converter 100A has a gain of 1/2, reduces the input voltage V IN of an input line 102 to 1/2, and generates an output voltage V OUT =V IN /2 on an output line 104. The resonant switched capacitor converter 100A includes two capacitors C1 and C2, one inductor L1, and a controller IC 200A. The switch circuit 110A also includes switches SW1 to SW4. This resonant switched capacitor converter 100A has a configuration in which an inductor is added in series with the flying capacitor of a 1/2 charge pump.
スイッチSW1~SW4は、コントローラIC200Aによって駆動される。この実施例では、複数のスイッチSW1~SW4は、NチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。i番目のスイッチSWiの駆動信号をSiと表記するものとし、SiがH(ハイ)のとき、スイッチSWiはオン、SiがL(ロー)のとき、スイッチSWiはオフであるものとする。 The switches SW1 to SW4 are driven by a controller IC 200A. In this embodiment, the switches SW1 to SW4 are N-channel metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs). The drive signal for the i-th switch SWi is denoted as Si , and when Si is H (high), the switch SWi is on, and when Si is L (low), the switch SWi is off.
共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、第1状態φ1と第2状態φ2が切換可能である。第1状態φ1では、第1スイッチSW1と第3スイッチSW3がオン、第2スイッチSW2と第4スイッチSW4がオフである。このとき、キャパシタC1とインダクタL1を含むLC共振回路106と、キャパシタC2が直列に接続され、その両端間に、入力電圧VINが印加される。C1=C2であるとき、各キャパシタC1,C2の両端間電圧は、VIN/2で充電される。 The resonant switched capacitor converter 100A can be switched between a first state φ1 and a second state φ2. In the first state φ1, the first switch SW1 and the third switch SW3 are on, and the second switch SW2 and the fourth switch SW4 are off. At this time, an LC resonant circuit 106 including a capacitor C1 and an inductor L1 is connected in series with a capacitor C2, and an input voltage V IN is applied across the two terminals. When C1 = C2, the voltage across each of the capacitors C1 and C2 is charged to V IN /2.
第2状態φ2では、第1スイッチSW1と第3スイッチSW3がオフ、第2スイッチSW2と第4スイッチSW4がオンである。このとき、キャパシタC1とインダクタL1を含むLC共振回路106と、キャパシタC2が並列に接続され、出力ライン104にVOUT=VIN/2が発生する。 In the second state φ2, the first switch SW1 and the third switch SW3 are off, and the second switch SW2 and the fourth switch SW4 are on. At this time, the LC resonant circuit 106 including the capacitor C1 and the inductor L1 is connected in parallel with the capacitor C2, and V OUT =V IN /2 is generated on the output line 104.
図4は、共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aの動作を説明するタイムチャートである。図4には、駆動信号S1~S4と、LC共振回路106に流れる共振電流IRES、入力電流Iin、出力電流IOUTが示される。 4 is a time chart illustrating the operation of the resonant switched capacitor converter 100 A. FIG. 4 shows the drive signals S 1 to S 4 , the resonant current I RES flowing through the LC resonant circuit 106, the input current I in , and the output current I OUT .
共振電流IRESの周波数(共振周波数)と、スイッチング周波数が一致しているとき、ゼロ電流スイッチング(ソフトスイッチング)の状態となるため、高効率な動作が可能となる。TSWは、スイッチング周期であり、これはコントローラIC200Aにおいて生成されるクロックCLKの周期であり、スイッチング周波数の逆数を表す。 When the frequency of the resonant current IRES (resonant frequency) matches the switching frequency, zero current switching (soft switching) occurs, enabling highly efficient operation. TSW is the switching period, which is the period of the clock CLK generated in the controller IC 200A and represents the reciprocal of the switching frequency.
続いてコントローラIC200Aの構成を説明する。 Next, we will explain the configuration of the controller IC 200A.
図5は、実施例1に係るコントローラIC200Aの回路図である。コントローラIC200Aは、駆動回路120Aおよび周波数コントローラ130A、過電流保護回路160を備える。駆動回路120Aは、4個のスイッチSW1~SW4に対応する4個のドライバDr1~Dr4を含む。ドライバDr1とDr3はクロックCLKと同相で動作し、ドライバDr2とDr4はクロックCLKと逆相で動作する。 Figure 5 is a circuit diagram of a controller IC 200A according to the first embodiment. The controller IC 200A includes a drive circuit 120A, a frequency controller 130A, and an overcurrent protection circuit 160. The drive circuit 120A includes four drivers Dr1 to Dr4 corresponding to four switches SW1 to SW4. Drivers Dr1 and Dr3 operate in phase with the clock CLK, while drivers Dr2 and Dr4 operate out of phase with the clock CLK.
周波数コントローラ130Aは、周波数可変オシレータ132と、周波数調節部134を含む。周波数可変オシレータ132は、図1のオシレータ150に相当する。周波数調節部134は、正常状態において、フィードバックピンFBに入力されるフィードバック電圧VFB(出力電圧VOUT)にもとづいて、周波数可変オシレータ132の周波数を適応的に制御する。 The frequency controller 130A includes a variable frequency oscillator 132 and a frequency adjustment unit 134. The variable frequency oscillator 132 corresponds to the oscillator 150 in Fig. 1. In a normal state, the frequency adjustment unit 134 adaptively controls the frequency of the variable frequency oscillator 132 based on the feedback voltage VFB (output voltage VOUT ) input to the feedback pin FB.
具体的には周波数調節部134は、出力電圧VOUTが最大値に近づくように、周波数制御サイクルjごとに、周波数可変オシレータ132の周波数を制御する。周波数調節部134は、フィードバック電圧VFBの現在値VFBjと、フィードバック電圧VFBの過去の値VFB(j-1)を比較可能に構成される。周波数調節部134は、フィードバック電圧VFBの過去値VFBj-1を保持するサンプルホールド回路やメモリなどの記憶部136と、比較回路138を含む。 Specifically, the frequency adjusting unit 134 controls the frequency of the variable frequency oscillator 132 for each frequency control cycle j so that the output voltage V OUT approaches its maximum value. The frequency adjusting unit 134 is configured to be able to compare a current value V FBj of the feedback voltage V FB with a previous value V FB (j-1) of the feedback voltage V FB. The frequency adjusting unit 134 includes a storage unit 136 such as a sample-and-hold circuit or memory that holds the previous value V FBj-1 of the feedback voltage V FB , and a comparison circuit 138.
周波数調節部134は、ある周波数制御サイクルjにおいて、スイッチング周波数、すなわち周波数可変オシレータ132の周波数を第1方向(たとえば上昇方向)に変化させる。その結果得られるフィードバック電圧VFBjと、過去のフィードバック電圧VFBj-1が比較回路138によって比較される。比較の結果、出力電圧VOUT(フィードバック電圧VFB)が増加したとき、次の周波数制御サイクルj+1においても、周波数可変オシレータ132の周波数を第1方向(上昇方向)に変化させる。反対に、出力電圧VOUT(フィードバック電圧VFB)が低下したとき、次の周波数制御サイクルj+1において、周波数可変オシレータ132の周波数を第1方向と反対の第2方向(下降方向)に変化させる。周波数制御サイクルjにおける現在値VFBjは、次の周波数制御サイクルj+1における過去値VFBjとなる。 In a certain frequency control cycle j, the frequency adjustment unit 134 changes the switching frequency, i.e., the frequency of the frequency variable oscillator 132, in a first direction (e.g., an upward direction). The resulting feedback voltage V FBj is compared with a past feedback voltage V FBj-1 by a comparison circuit 138. If the comparison shows that the output voltage V OUT (feedback voltage V FB ) has increased, the frequency of the frequency variable oscillator 132 is also changed in the first direction (upward direction) in the next frequency control cycle j+1. Conversely, if the output voltage V OUT (feedback voltage V FB ) has decreased, the frequency of the frequency variable oscillator 132 is changed in a second direction (downward direction) opposite to the first direction in the next frequency control cycle j+1. The current value V FBj in frequency control cycle j becomes the past value V FBj in the next frequency control cycle j+1.
周波数調節部134はこの周波数制御サイクルを繰り返すことにより、出力電圧VOUTを最大化することができる。図2から分かるように、出力電圧VOUTが最大値をとるとき、スイッチング周波数ωと共振周波数ω0が一致するため、ゼロ電流スイッチングが可能となり、効率を高めることができる。 The frequency adjuster 134 repeats this frequency control cycle to maximize the output voltage VOUT . As can be seen from Fig. 2, when the output voltage VOUT reaches its maximum value, the switching frequency ω and the resonant frequency ω0 coincide, enabling zero-current switching and improving efficiency.
過電流保護回路160によって過電流検出信号OCPがアサートされると、周波数調節部134の動作が停止し、周波数可変オシレータ132の周波数が、共振周波数ω0から離れた所定の周波数ωOCPにセットされる。これにより、過電流保護をかけることができる。 When the overcurrent protection circuit 160 asserts the overcurrent detection signal OCP, the operation of the frequency adjuster 134 stops, and the frequency of the variable frequency oscillator 132 is set to a predetermined frequency ω OCP that is separated from the resonant frequency ω 0. This enables overcurrent protection.
(実施例2)
図6は、実施例2に係るコントローラIC200Bの回路図である。コントローラIC200Bは、図3の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aに、コントローラIC200Aの代替として用いることができる。
Example 2
6 is a circuit diagram of a controller IC 200B according to Example 2. The controller IC 200B can be used in the resonant switched capacitor converter 100A of FIG. 3 as a substitute for the controller IC 200A.
コントローラIC200Bは、駆動回路120B、周波数コントローラ130B、過電流保護回路160を備える。駆動回路120Bの構成は、図5の駆動回路120Aと同様である。 The controller IC 200B includes a drive circuit 120B, a frequency controller 130B, and an overcurrent protection circuit 160. The configuration of the drive circuit 120B is similar to that of the drive circuit 120A in Figure 5.
周波数コントローラ130Bは、周波数可変オシレータ132とフィードバック回路140を備える。 The frequency controller 130B includes a variable frequency oscillator 132 and a feedback circuit 140.
周波数可変オシレータ132は、VCO(Voltage Controlled Oscillator)あるいはDCO(Digital Controlled Oscillator)であり、制御信号SCTRLの信号レベルに応じた周波数で発振する。周波数可変オシレータ132は、図1のオシレータ150に相当する。 The variable frequency oscillator 132 is a voltage controlled oscillator (VCO) or a digital controlled oscillator (DCO), and oscillates at a frequency that corresponds to the signal level of the control signal S CTRL . The variable frequency oscillator 132 corresponds to the oscillator 150 in FIG.
フィードバック回路140には、出力電圧VOUTの目標レベルVOUT(REF)を規定する基準電圧VREFが入力される。出力電圧VOUTをそのままフィードバック電圧VFBとする場合、出力電圧VOUTの目標レベルVOUT(REF)は、基準電圧VREFとなる。 A reference voltage VREF that defines a target level VOUT (REF) of the output voltage VOUT is input to the feedback circuit 140. If the output voltage VOUT is used as the feedback voltage VFB as is, the target level VOUT(REF) of the output voltage VOUT becomes the reference voltage VREF .
フィードバック回路140は、正常状態において、ω>ω0が成り立つ範囲で、周波数可変オシレータ132の周波数を制御する。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは、ω>ω0の範囲で動作するため、そのゲインは1/2より小さい領域で動作することとなり、出力電圧VOUTの目標レベルVOUT(REF)は、VIN/2よりも低く定められる。 In a normal state, the feedback circuit 140 controls the frequency of the variable frequency oscillator 132 within the range where ω > ω 0. Since the resonant switched capacitor converter 100A operates within the range where ω > ω 0 , its gain operates within a range smaller than ½, and the target level V OUT (REF) of the output voltage V OUT is set lower than V IN /2.
フィードバック回路140は、フィードバック電圧VFBと基準電圧VREFの誤差がゼロに近づくように、周波数可変オシレータ132の周波数を制御する。フィードバック回路140は、アナログ回路あるいはデジタル回路で構成することができる。たとえばフィードバック回路140は、フィードバック電圧VFBと基準電圧VREFの誤差を増幅するエラーアンプを含み、エラーアンプの出力にもとづく制御信号SCTRLを周波数可変オシレータ132に供給する。あるいはフィードバック回路140は、PI(比例積分)コントローラやPID(比例積分微分)コントローラを含むデジタル回路で構成してもよい。 Feedback circuit 140 controls the frequency of variable frequency oscillator 132 so that the error between feedback voltage VFB and reference voltage VREF approaches zero. Feedback circuit 140 can be configured with an analog circuit or a digital circuit. For example, feedback circuit 140 includes an error amplifier that amplifies the error between feedback voltage VFB and reference voltage VREF , and supplies a control signal SCTRL based on the output of the error amplifier to variable frequency oscillator 132. Alternatively, feedback circuit 140 may be configured with a digital circuit including a PI (proportional integral) controller or a PID (proportional integral derivative) controller.
図7は、図6の周波数コントローラ130Bの動作を説明する図である。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aの動作範囲は、ω>ω0の範囲に限定され、この範囲内で、出力電圧VOUTの目標レベルVOUT(REF)が定められる。 Fig. 7 is a diagram illustrating the operation of the frequency controller 130B of Fig. 6. The operating range of the resonant switched capacitor converter 100A is limited to the range ω > ω 0 , and the target level V OUT (REF) of the output voltage V OUT is determined within this range.
周波数コントローラ130Bのフィードバック制御の結果、周波数可変オシレータ132の周波数、すなわち共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aのスイッチング周波数ωは、VOUT=VOUT(REF)となる最適な周波数ωOPTに安定化される。 As a result of the feedback control of frequency controller 130B, the frequency of variable frequency oscillator 132, ie, the switching frequency ω of resonant switched capacitor converter 100A, is stabilized to the optimum frequency ω OPT at which V OUT =V OUT(REF) .
過電流保護回路160によって過電流状態が検出されると、フィードバック回路140によるフィードバック制御が停止し、周波数可変オシレータ132の周波数は、動作範囲よりも高く定められた所定の周波数ωOCPにセットされる。これにより、過電流保護をかけることができる。 When the overcurrent protection circuit 160 detects an overcurrent state, the feedback control by the feedback circuit 140 is stopped, and the frequency of the variable frequency oscillator 132 is set to a predetermined frequency ω OCP that is set higher than the operating range, thereby providing overcurrent protection.
以上がコントローラIC200Bの動作である。実施例1では、ω=ω0で動作させることにより、ゼロ電流スイッチングを実現したのに対して、実施例2では、ω>ω0で動作させることにより、ゼロ電圧スイッチングが可能となり、これにより高効率動作を実現できる。 The above is the operation of the controller IC 200B. In the first embodiment, zero current switching is realized by operating at ω= ω0 , whereas in the second embodiment, zero voltage switching is possible by operating at ω> ω0 , thereby realizing highly efficient operation.
実施例1では、出力電圧VOUTは、入力電圧VINの1/2の電圧レベルに安定化されるため、入力電圧VINが変動すると、出力電圧VOUTも変動することとなる。これに対して実施例2によれば、入力電圧VINが変動しても、出力電圧VOUTは基準電圧VREFに応じて定まる目標レベルに安定化することができる。 In the first embodiment, the output voltage VOUT is stabilized at a voltage level that is half the input voltage VIN , so that if the input voltage VIN fluctuates, the output voltage VOUT also fluctuates. In contrast, according to the second embodiment, even if the input voltage VIN fluctuates, the output voltage VOUT can be stabilized at a target level determined according to the reference voltage VREF .
(実施例3)
図8は、実施例3に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cの回路図である。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cは、スイッチドタンクコンバータであり、1/4倍のゲインを有しており、入力ライン102の入力電圧VINを1/4倍に降圧し、出力ライン104に出力電圧VOUT=VIN/4を発生する。
Example 3
8 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter 100C according to Example 3. This resonant switched capacitor converter 100C is a switched tank converter having a gain of 1/4, and reduces the input voltage V IN on the input line 102 to 1/4, generating an output voltage V OUT =V IN /4 on the output line 104.
共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cは、3個のキャパシタC1~C3と、2個のインダクタL1,L3、コントローラIC200Cを備える。またスイッチ回路110Cは、スイッチSW1~SW10を備える。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cは、ディクソン型のチャージポンプにインダクタL1,L3を追加した構成(スイッチドタンクコンバータ)である。 The resonant switched capacitor converter 100C includes three capacitors C1 to C3, two inductors L1 and L3, and a controller IC 200C. The switch circuit 110C also includes switches SW1 to SW10. This resonant switched capacitor converter 100C is a Dickson-type charge pump with inductors L1 and L3 added (a switched tank converter).
第1スイッチSW1~第4スイッチSW4はNチャンネルMOSFETであり、入力端子INと出力端子OUTの間に直列に接続される。 The first switch SW1 to the fourth switch SW4 are N-channel MOSFETs connected in series between the input terminal IN and the output terminal OUT.
第5スイッチSW5と第6スイッチSW6のペア、第7スイッチSW7と第8スイッチSW8のペア、第9スイッチSW9と第10スイッチSW10のペアはそれぞれ、インバータINV1~INV3を構成している。 The pair of the fifth switch SW5 and the sixth switch SW6, the pair of the seventh switch SW7 and the eighth switch SW8, and the pair of the ninth switch SW9 and the tenth switch SW10 constitute inverters INV1 to INV3, respectively.
スイッチSW1~SW10は、コントローラIC200Cによって駆動される。コントローラIC200Cは、コントローラIC200AやコントローラIC200Bと同様に構成することができる。 Switches SW1 to SW10 are driven by controller IC 200C. Controller IC 200C can be configured similarly to controller IC 200A and controller IC 200B.
図9は、図8の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cの動作を説明する図である。共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cは、第1状態φ1と第2状態φ2が切換可能である。第1状態φ1では、スイッチSW1,SW3,SW5,SW7,SW9がオンとなり、残りのスイッチSW2,SW4,SW6,SW8,SW10がオフである。 Figure 9 is a diagram explaining the operation of the resonant switched capacitor converter 100C in Figure 8. The resonant switched capacitor converter 100C can switch between a first state φ1 and a second state φ2. In the first state φ1, switches SW1, SW3, SW5, SW7, and SW9 are on, and the remaining switches SW2, SW4, SW6, SW8, and SW10 are off.
第2状態φ2では、スイッチSW1,SW3,SW5,SW7,SW9がオフとなり、残りのスイッチSW2,SW4,SW6,SW8,SW10がオンである。 In the second state φ2, switches SW1, SW3, SW5, SW7, and SW9 are off, and the remaining switches SW2, SW4, SW6, SW8, and SW10 are on.
第1状態φ1と第2状態φ2を交互に繰り返すことにより、キャパシタC1とインダクタL1のLC共振回路106_1の両端間電圧は36V、キャパシタC2の両端間電圧は24V、キャパシタC3およびインダクタL3のLC共振回路106_2の両端間電圧は12Vとなり、12Vの出力電圧VOUTを得ることができる。 By alternately repeating the first state φ1 and the second state φ2, the voltage across the LC resonant circuit 106_1 of the capacitor C1 and the inductor L1 becomes 36 V, the voltage across the capacitor C2 becomes 24 V, and the voltage across the LC resonant circuit 106_2 of the capacitor C3 and the inductor L3 becomes 12 V, and an output voltage VOUT of 12 V can be obtained.
図10は、図8の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Cの動作波形図である。図10には、スイッチSW1~SW10の状態と、第1状態φ1において流れる電流iφ1、第2状態φ2において流れる電流iφ2が示される。 Fig. 10 is an operational waveform diagram of the resonant switched capacitor converter 100C of Fig. 8. Fig. 10 shows the states of the switches SW1 to SW10, the current iφ1 that flows in the first state φ1, and the current iφ2 that flows in the second state φ2.
ω=ω0の共振状態で動作させることにより、ゼロ電流スイッチング(ZCS)、すなわちZCSターンオン、ZCSターンオフが可能となり、高効率を得ることができる。 By operating in a resonant state where ω= ω0 , zero current switching (ZCS), that is, ZCS turn-on and ZCS turn-off, becomes possible, and high efficiency can be obtained.
実施例3に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100CのコントローラIC200Cは、実施例1で説明したコントローラIC200Aをもとにして構成することができ、コントローラIC200Aの駆動回路120Aのドライバの個数を、10個に増やせばよい。この構成によれば、実施例1と同様に、ゼロ電流スイッチングが可能となり、高効率を得ることができる。 The controller IC 200C of the resonant switched capacitor converter 100C according to the third embodiment can be configured based on the controller IC 200A described in the first embodiment, by simply increasing the number of drivers in the drive circuit 120A of the controller IC 200A to 10. With this configuration, zero current switching becomes possible, similar to the first embodiment, and high efficiency can be achieved.
あるいは実施例3に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100CのコントローラIC200Cは、実施例2で説明したコントローラIC200Bをもとにして構成してもよく、コントローラIC200Bの駆動回路120Bのドライバの個数を、10個に増やせばよい。この構成によれば、実施例2と同様に、ゼロ電圧スイッチングが可能となり、高効率を得ることができる。またVOUT<VIN/4の範囲において、出力電圧VOUTを任意の目標レベルVOUT(REF)に安定化できる。 Alternatively, the controller IC 200C of the resonant switched capacitor converter 100C according to the third embodiment may be configured based on the controller IC 200B described in the second embodiment, by simply increasing the number of drivers in the drive circuit 120B of the controller IC 200B to 10. This configuration enables zero voltage switching and high efficiency, as in the second embodiment. Furthermore, the output voltage VOUT can be stabilized at an arbitrary target level VOUT (REF) in the range of VOUT < VIN /4.
(実施例4)
図11は、実施例4に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100Dの回路図である。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Dは、実施例3と同様に、1/4倍のゲインを有しており、入力ライン102の入力電圧VINを1/4倍に降圧し、出力ライン104に出力電圧VOUT=VIN/4を発生する。
Example 4
11 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter 100D according to Example 4. Similar to Example 3, this resonant switched capacitor converter 100D has a gain of 1/4, reduces the input voltage V IN on the input line 102 to 1/4, and generates an output voltage V OUT =V IN /4 on the output line 104.
共振スイッチドキャパシタコンバータ100Dは、実施例1で説明した1/2倍の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aを、2段直列に接続した構成を有する。前段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aは入力電圧VINを1/2倍し、中間電圧VMIDを生成する。後段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Bは、中間電圧VMIDを1/2倍し、出力電圧VOUTを生成する。 The resonant switched capacitor converter 100D has a configuration in which two 1/2-multiplication resonant switched capacitor converters 100A described in the first embodiment are connected in series. The front-stage resonant switched capacitor converter 100A multiplies the input voltage V IN by 2 to generate an intermediate voltage V MID . The rear-stage resonant switched capacitor converter 100B multiplies the intermediate voltage V MID by 2 to generate an output voltage V OUT .
実施例4では、共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aごとに、個別にコントローラIC200A(または200B)が設けられる。前段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100AのコントローラIC200A(200B)は、中間電圧VMIDにもとづいて、前段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aのスイッチング周波数を制御する。後段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100AのコントローラIC200A(200B)は、出力電圧VOUTにもとづいて、後段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aのスイッチング周波数を制御する。 In the fourth embodiment, a controller IC 200A (or 200B) is provided for each resonant switched capacitor converter 100A. The controller IC 200A (200B) of the upstream resonant switched capacitor converter 100A controls the switching frequency of the upstream resonant switched capacitor converter 100A based on the intermediate voltage V MID . The controller IC 200A (200B) of the downstream resonant switched capacitor converter 100A controls the switching frequency of the downstream resonant switched capacitor converter 100A based on the output voltage V OUT .
この構成によれば、1/4倍の共振スイッチドキャパシタコンバータを、高効率に動作させることができる。 This configuration allows a 1/4 resonant switched capacitor converter to operate with high efficiency.
(実施例5)
図12は、実施例5に係る共振スイッチドキャパシタコンバータ100Eの回路図である。この共振スイッチドキャパシタコンバータ100Eは、実施例3および実施例4と同様に、1/4倍のゲインを有しており、入力ライン102の入力電圧VINを1/4倍に降圧し、出力ライン104に出力電圧VOUT=VIN/4を発生する。
Example 5
12 is a circuit diagram of a resonant switched capacitor converter 100E according to Example 5. Like Examples 3 and 4, this resonant switched capacitor converter 100E has a gain of 1/4, reduces the input voltage V IN on the input line 102 to 1/4, and generates an output voltage V OUT =V IN /4 on the output line 104.
共振スイッチドキャパシタコンバータ100Eは、実施例4と同様に、1/2倍の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aを、2段直列に接続した構成を有するが、実施例5では、2個の共振スイッチドキャパシタコンバータ100AのコントローラIC200Eが1チップに統合されている。コントローラIC200Eには、後段の共振スイッチドキャパシタコンバータ100Aの出力電圧VOUTのみがフィードバックされており、出力電圧VOUTにもとづいて、前段および後段の両方のスイッチング周波数が同様に制御される。 The resonant switched capacitor converter 100E has a configuration in which ½-times resonant switched capacitor converters 100A are connected in series in two stages, as in the fourth embodiment, but in the fifth embodiment, the controller IC 200E for the two resonant switched capacitor converters 100A is integrated onto a single chip. Only the output voltage VOUT of the resonant switched capacitor converter 100A in the latter stage is fed back to the controller IC 200E, and the switching frequencies of both the former stage and the latter stage are controlled in the same way based on the output voltage VOUT .
この構成によれば、1/4倍の共振スイッチドキャパシタコンバータを、高効率に動作させることができる。 This configuration allows a 1/4 resonant switched capacitor converter to operate with high efficiency.
(変形例)
上述した実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なことが当業者に理解される。以下、こうした変形例について説明する。
(Modification)
The above-described embodiment is merely an example, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible in the combination of the components and the processing steps. Such modifications will be described below.
実施形態では、1/2倍あるいは1/4倍のコンバータを説明したが、本開示の適用はそれに限定されず、その他のゲインを有するコンバータにも適用可能である。またゲインが1より大きいスイッチドキャパシタコンバータにも適用可能である。 In the embodiments, a 1/2 or 1/4 converter was described, but the application of this disclosure is not limited to this and can be applied to converters with other gains. It can also be applied to switched capacitor converters with a gain greater than 1.
(用途)
図13は、共振スイッチドキャパシタコンバータ100を備える電子機器700の一例を示す図である。電子機器700の好適な一例はサーバーである。元来、サーバーには12Vの電源線が引き込まれていたため、内部回路710は12Vで動作するように設計されている。内部回路710は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ、LAN(Local Area Network)のインタフェース回路と、12Vの電圧を降圧するDC/DCコンバータなどを含みうる。
(Application)
13 is a diagram showing an example of an electronic device 700 including a resonant switched capacitor converter 100. A suitable example of the electronic device 700 is a server. Originally, a 12V power line was connected to the server, and therefore the internal circuit 710 is designed to operate at 12V. The internal circuit 710 may include a CPU (Central Processing Unit), memory, a LAN (Local Area Network) interface circuit, a DC/DC converter that steps down the 12V voltage, and the like.
近年、電線に流れる電流を減らすために、バス電圧を12Vから48Vに置き換える動きが進められている。この場合に、48Vの電源電圧を12Vに降圧する電源回路720が必要となる。上述したゲインが1/4倍の共振スイッチドキャパシタコンバータ100は、こうした電源回路720に好適に用いることができる。 In recent years, there has been a trend to replace bus voltages from 12V with 48V in order to reduce the current flowing through power lines. In this case, a power supply circuit 720 is required to step down the 48V power supply voltage to 12V. The resonant switched capacitor converter 100 with a gain of 1/4 described above is suitable for use in such a power supply circuit 720.
電子機器700はサーバーに限定されず、車載機器であってもよい。従来の自動車のバッテリは12Vあるいは24Vが主流であるが、ハイブリッド車両では、48Vシステムが採用される場合があり、この場合も48Vのバッテリ電圧を、12Vあるいは24Vに変換する電源回路が必要とされる。このような場合に、1/2倍あるいは1/4倍の共振スイッチドキャパシタコンバータ100を好適に利用することができる。 The electronic device 700 is not limited to a server, but may also be an in-vehicle device. While conventional automobile batteries are mainly 12V or 24V, hybrid vehicles may use 48V systems, which also require a power supply circuit to convert the 48V battery voltage to 12V or 24V. In such cases, a 1/2 or 1/4 resonant switched capacitor converter 100 can be suitably used.
その他、電子機器700は、産業機器、OA機器であってもよいし、オーディオ機器などの民生機器であってもよい。 In addition, the electronic device 700 may be industrial equipment, office automation equipment, or consumer equipment such as audio equipment.
実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにさまざまな変形例が存在すること、またそうした変形例も本開示に含まれ、また本発明の範囲を構成しうることは当業者に理解されるところである。 The embodiments are illustrative, and those skilled in the art will understand that there are various variations in the combination of each component and each treatment process, and that such variations are also included in this disclosure and may constitute the scope of the present invention.
100 共振スイッチドキャパシタコンバータ
102 入力ライン
104 出力ライン
106 LC共振回路
110 スイッチ回路
120 駆動回路
130 周波数コントローラ
132 周波数可変オシレータ
134 周波数調節部
136 記憶部
138 比較回路
140 フィードバック回路
150 オシレータ
160 過電流保護回路
200 コントローラIC
SW スイッチ
C キャパシタ
L インダクタ
100 Resonant switched capacitor converter 102 Input line 104 Output line 106 LC resonant circuit 110 Switch circuit 120 Drive circuit 130 Frequency controller 132 Variable frequency oscillator 134 Frequency adjustment unit 136 Memory unit 138 Comparison circuit 140 Feedback circuit 150 Oscillator 160 Overcurrent protection circuit 200 Controller IC
SW Switch C Capacitor L Inductor
Claims (5)
クロック信号を生成するオシレータと、
前記クロック信号に応じて、前記共振スイッチドキャパシタコンバータのスイッチ回路を構成する複数のスイッチを駆動する駆動回路と、
正常状態において、前記共振スイッチドキャパシタコンバータの出力電圧を示すフィードバック電圧が最大値に近づくように、前記オシレータの発振周波数を制御する周波数コントローラと、
前記共振スイッチドキャパシタコンバータの過電流状態を検出すると、前記周波数コントローラによる前記発振周波数の制御を無効化し、前記オシレータの発振周波数を、共振周波数から遠ざかる所定の周波数に変化させる過電流保護回路と、
を備える、コントローラ回路。 1. A controller circuit for a resonant switched capacitor converter, comprising:
an oscillator for generating a clock signal;
a drive circuit that drives a plurality of switches that constitute a switch circuit of the resonant switched capacitor converter in response to the clock signal;
a frequency controller that controls the oscillation frequency of the oscillator so that a feedback voltage indicating the output voltage of the resonant switched capacitor converter approaches a maximum value under normal conditions;
an overcurrent protection circuit that, when detecting an overcurrent state of the resonant switched capacitor converter , disables the control of the oscillation frequency by the frequency controller and changes the oscillation frequency of the oscillator to a predetermined frequency that is away from the resonant frequency;
A controller circuit comprising:
(i)前記オシレータの発振周波数を上昇方向および下降方向の一方に変化させ、(i) changing the oscillation frequency of the oscillator in one of an upward direction and a downward direction;
(ii)前記フィードバック電圧の現在の制御サイクルにおける値である現在値が、前記フィードバック電圧の一つ前の制御サイクルの値である過去値より増加したとき、次の制御サイクルにおいて、前記オシレータの発振周波数を同じ方向に変化させ、(ii) when a present value of the feedback voltage in a current control cycle is greater than a past value of the feedback voltage in a control cycle immediately preceding the current control cycle, changing the oscillation frequency of the oscillator in the same direction in the next control cycle;
(iii)前記フィードバック電圧の前記現在値が、前記フィードバック電圧の前記過去値より減少したとき、次の制御サイクルにおいて、前記オシレータの発振周波数を反対方向に変化させる(iii) when the present value of the feedback voltage is decreased from the past value of the feedback voltage, changing the oscillation frequency of the oscillator in the opposite direction in the next control cycle;
処理を実行する請求項1に記載のコントローラ回路。The controller circuit of claim 1 that performs the process.
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