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技術 電力変換装置における可聴ノイズの低減

出願人 パワー・インテグレーションズ・インコーポレーテッド
発明者 ヴィクラムバラクリシュナンジャオミンファムリカルドルイスジャネツィックプリギッツアーピーターヴォーン
出願日 2017年1月30日 (4年4ヶ月経過) 出願番号 2017-014282
公開日 2017年8月31日 (3年9ヶ月経過) 公開番号 2017-153350
状態 特許登録済
技術分野 整流装置 DC‐DCコンバータ
主要キーワード リセット経路 二次制御 調節入力 ノイズ範囲 生成器回路 効率要求 コンセント差込口 周波数閾値
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図面 (7)

課題

解決手段

電力変換装置100の制御装置は、電流検出信号フィードバック信号133と電流制限信号162とに応答して、電力変換装置の出力へのエネルギーの伝達を制御する電力スイッチ134をスイッチングするドライブ信号を生成する駆動回路を含む。電流制限値生成器150は、出力に接続された負荷に応答して電流制限信号を生成する。可聴ノイズ検出回路148は、ドライブ信号に応答してドライブ信号の意図される周波数が可聴ノイズ周波数窓内であるときを示す周波数スキップ信号を生成する。電流制限信号の状態ドライブ信号の意図される周波数が、可聴ノイズ周波数窓内であるとき固定される。第1のラッチ158は、周波数スキップ信号とフィードバック信号とに応答して、電流制限値生成器を制御して電流制限値信号を保持する保持信号を生成する。

概要

背景

電子機器は、動作に電力を使用する。現在の多くの電子機器に給電するために、スイッチング電力変換装置が、その高効率と小寸法と軽量とを理由として一般的に使用される。従来の壁のコンセント差込口は、高電圧交流を提供する。スイッチング電力変換装置では、エネルギー伝達素子を通して、高電圧の交流(AC:alternating current)入力が変換されて、適切に調節された直流(DC:direct current)出力を提供する。スイッチング電力変換装置制御回路は、通常、1つまたは複数の出力量を表す1つまたは複数の入力を検出することにより、および、閉ループにおいて出力を制御することにより、出力調節を提供する。動作時、デューティ比(典型的には、総スイッチング周期に対するスイッチのオン期間の比)を変化させることにより、スイッチング周波数を変化させることにより、または、スイッチング電力変換装置におけるスイッチの単位時間あたりのパルス数を変化させることにより、所望の出力を提供するためスイッチが使用される。

以下の図を参照しながら、本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態について説明し、異なる図の中の同様な参照符号は、別段の指定がない限り、同様な部分を示す。

概要

電力変換装置で、軽負荷状態での低スイッチング周波数による可聴ノイズの影響を低減する。電力変換装置100の制御装置は、電流検出信号フィードバック信号133と電流制限信号162とに応答して、電力変換装置の出力へのエネルギーの伝達を制御する電力スイッチ134をスイッチングするドライブ信号を生成する駆動回路を含む。電流制限値生成器150は、出力に接続された負荷に応答して電流制限信号を生成する。可聴ノイズ検出回路148は、ドライブ信号に応答してドライブ信号の意される周波数が可聴ノイズ周波数窓内であるときを示す周波数スキップ信号を生成する。電流制限信号の状態ドライブ信号の意される周波数が、可聴ノイズ周波数窓内であるとき固定される。第1のラッチ158は、周波数スキップ信号とフィードバック信号とに応答して、電流制限値生成器を制御して電流制限値信号を保持する保持信号を生成する。

目的

スイッチング電力変換装置では、エネルギー伝達素子を通して、高電圧の交流(AC:alternating current)入力が変換されて、適切に調節された直流(DC:direct current)出力を提供する

効果

実績

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請求項1

電力変換装置において使用される制御装置であって、電力スイッチを通る電流を表す電流検出信号応答して、および、前記電力変換装置の出力を表すフィードバック信号に応答して、前記電力変換装置の前記電力スイッチのスイッチングを制御するドライブ信号を生成して、前記電力変換装置の入力から前記電力変換装置の前記出力へのエネルギーの伝達を制御するように接続された駆動回路と、前記電力変換装置の前記出力に接続された負荷に応答した電流制限信号を生成するように接続された電流制限値生成器であって、前記駆動回路が、前記電流制限信号にさらに応答して前記ドライブ信号を生成するように接続された、前記電流制限値生成器と、前記ドライブ信号を受信し、前記ドライブ信号に応答して、前記ドライブ信号の意図される周波数可聴ノイズ周波数窓内であるときを示す周波数スキップ信号を生成するように接続された可聴ノイズ検出回路であって、前記ドライブ信号の前記意図される周波数が前記可聴ノイズ周波数窓内であることを前記周波数スキップ信号が示すとき、前記電流制限値生成器により生成される前記電流制限信号の状態が、固定されるように接続されている、前記可聴ノイズ検出回路と、前記電流制限値生成器を制御して前記電流制限値信号を保持するように接続された保持信号を生成するように接続された第1のラッチであって、前記第1のラッチが、前記可聴ノイズ検出回路により生成された前記周波数スキップ信号に応答して、および、前記電力変換装置の前記出力を表す前記フィードバック信号に応答して、前記保持信号を生成するように接続されている、前記第1のラッチと、を備える、制御装置。

請求項2

前記電流制限値生成器を制御して前記電流制限信号の前記状態をラッチするように接続された中断信号を生成するように接続された第2のラッチであって、前記第2のラッチが、前記可聴ノイズ検出回路により生成された前記周波数スキップ信号に応答して、および、前記電力変換装置の前記出力を表す前記フィードバック信号に応答して、前記中断信号を生成するように接続されている、前記第2のラッチと、前記第1のラッチと前記第2のラッチとにより受信されるように接続された出力を含む第1の論理ゲートであって、前記第1の論理ゲートが、前記可聴ノイズ検出回路により生成された前記周波数スキップ信号を受信するように接続された第1の入力を含み、前記第1の論理ゲートが、前記電力変換装置の前記出力を表す前記フィードバック信号に応答するように接続された第2の入力を含む、前記第1の論理ゲートと、前記第1のラッチの出力を受信するように接続された第1の入力を含む第2の論理ゲートであって、前記第2の論理ゲートが、前記電力変換装置の前記出力を表す前記フィードバック信号に応答するように接続された第2の入力を含む、前記第2の論理ゲートと、前記電流制限値生成器により受信されるように接続された出力を含む第3の論理ゲートであって、前記第2の論理ゲートが、前記第2の論理ゲートの出力を受信するように接続された第1の入力を含み、前記第3の論理ゲートが、前記可聴ノイズ検出回路により生成された前記周波数スキップ信号に応答するように接続された第2の入力を含む、前記第3の論理ゲートと、をさらに備える、請求項1に記載の制御装置。

請求項3

前記可聴ノイズ検出回路が、前記ドライブ信号に応答してセットされるように接続された第3のラッチと、前記第3のラッチの出力に応答して、第1の閾値周波数を上回る周波数において前記ドライブ信号のパルスが検出されたか否かを示す第1の周波数信号を出力するように接続された第1の周波数閾値回路と、前記第3のラッチの前記出力に応答して、第2の閾値周波数未満の周波数において前記ドライブ信号の前記パルスが検出されたか否かを示す第2の周波数信号を出力するように接続された第2の周波数閾値回路と、前記第3のラッチと前記第1の周波数閾値回路と前記第2の周波数閾値回路とに応答して、前記ドライブ信号の前記周波数が前記可聴ノイズ周波数窓内であることを示す前記周波数スキップ信号を生成するように接続された第4の論理ゲートであって、前記可聴ノイズ周波数窓が、前記第1の閾値周波数と前記第2の閾値周波数との間である、前記第4の論理ゲートと、を備える、請求項1に記載の制御装置。

請求項4

前記第3のラッチが、前記第1の周波数閾値回路と前記第2の周波数閾値回路とに応答してリセットされるように接続されている、請求項3に記載の制御装置。

請求項5

前記第1の周波数閾値回路が、第1の電流源と、第1のコンデンサと、前記第1の電流源と前記第1のコンデンサとの間に接続された第1のスイッチであって、前記第1のスイッチが、前記第3のラッチの前記出力に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている、前記第1のスイッチと、前記第1のコンデンサの第1の端部と前記第1のコンデンサの第2の端部との間に接続された第2のスイッチと、前記第2のスイッチと前記第3のラッチの前記出力との間に接続された第1のインバーターであって、前記第2のスイッチが、前記第1のインバーターの出力に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている、前記第1のインバーターと、前記第1のコンデンサに接続されて、前記第1のコンデンサにかかる電圧と第1の電圧基準との第1の比較に応答して、前記第1の周波数信号を出力する第1の比較器と、を備える、請求項3に記載の制御装置。

請求項6

前記第2の周波数閾値回路が、第2の電流源と、第2のコンデンサと、前記第2の電流源と前記第2のコンデンサとの間に接続された第3のスイッチであって、前記第3のスイッチが、前記第3のラッチの前記出力に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている、前記第3のスイッチと、前記第2のコンデンサの第1の端部と前記第2のコンデンサの第2の端部との間に接続された第4のスイッチと、前記第4のスイッチと前記第3のラッチの前記出力との間に接続された第2のインバーターであって、前記第4のスイッチが、前記第2のインバーターの出力に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている、前記第2のインバーターと、前記第2のコンデンサに接続されて、前記第2のコンデンサにかかる電圧と第2の電圧基準との第2の比較に応答して、前記第2の周波数信号を出力する第2の比較器と、を備える、請求項5に記載の制御装置。

請求項7

前記第1のコンデンサの大きさは、前記第2のコンデンサの大きさより小さい、請求項6に記載の制御装置。

請求項8

電力変換装置であって、前記電力変換装置の入力と前記電力変換装置の出力との間に接続されたエネルギー伝達素子と、前記エネルギー伝達素子と前記電力変換装置の前記入力とに接続された電力スイッチと、前記電力変換装置の前記出力を表す前記フィードバック信号を生成するように接続された検出回路と、前記電力スイッチに接続された制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記電力スイッチを通る電流を表す電流検出信号に応答して、および前記フィードバック信号に応答して、前記電力変換装置の前記電力スイッチのスイッチングを制御するドライブ信号を生成して、前記電力変換装置の入力から前記電力変換装置の前記出力への前記エネルギー伝達素子を通した前記エネルギーの伝達を制御するように接続された駆動回路と、前記電力変換装置の前記出力に接続された負荷に応答した電流制限信号を生成するように接続された電流制限値生成器であって、前記駆動回路が、前記電流制限信号にさらに応答して、前記ドライブ信号を生成するように接続された、前記電流制限値生成器と、前記ドライブ信号を受信して、前記ドライブ信号に応答して、前記ドライブ信号の意図される周波数が可聴ノイズ周波数窓内であるときを示す周波数スキップ信号を生成するように接続された可聴ノイズ検出回路であって、前記ドライブ信号の前記周波数が前記可聴ノイズ周波数窓内であることを前記周波数スキップ信号が示すとき、前記電流制限値生成器により生成される前記電流制限信号の状態が、固定されるように接続されている、前記可聴ノイズ検出回路と、前記電流制限値生成器を制御して前記電流制限値信号を保持するように接続された保持信号を生成するように接続された第1のラッチであって、前記第1のラッチが、前記可聴ノイズ検出回路により生成された前記周波数スキップ信号に応答して、および、前記電力変換装置の前記出力を表す前記フィードバック信号に応答して、前記保持信号を生成するように接続された、前記第1のラッチと、を含む、電力変換装置。

請求項9

前記制御装置が、前記電流制限値生成器を制御して前記電流制限信号の前記状態をラッチするように接続された中断信号を生成するように接続された前記第2のラッチであって、前記第2のラッチが、前記可聴ノイズ検出回路により生成された前記周波数スキップ信号に応答して、および、前記電力変換装置の前記出力を表す前記フィードバック信号に応答して、前記中断信号を生成するように接続されている、前記第2のラッチと、前記第1のラッチと前記第2のラッチとにより受信されるように接続された出力を含む第1の論理ゲートであって、前記第1の論理ゲートが、前記可聴ノイズ検出回路により生成された前記周波数スキップ信号を受信するように接続された第1の入力を含み、前記第1の論理ゲートが、前記電力変換装置の前記出力を表す前記フィードバック信号に応答するように接続された第2の入力を含む、前記第1の論理ゲートと、前記第1のラッチの出力を受信するように接続された第1の入力を含む第2の論理ゲートであって、前記第2の論理ゲートが、前記電力変換装置の前記出力を表す前記フィードバック信号に応答するように接続された第2の入力を含む、前記第2の論理ゲートと、前記電流制限値生成器により受信されるように接続された出力を含む第3の論理ゲートであって、前記第2の論理ゲートが、前記第2の論理ゲートの出力を受信するように接続された第1の入力を含み、前記第3の論理ゲートが、前記可聴ノイズ検出回路により生成された前記周波数スキップ信号に応答するように接続された第2の入力を含む、第3の論理ゲートと、をさらに備える、請求項8に記載の電力変換装置。

請求項10

前記可聴ノイズ検出回路が、前記ドライブ信号に応答してセットされるように接続された第3のラッチと、前記第3のラッチの出力に応答して、第1の閾値周波数を上回る周波数において前記ドライブ信号のパルスが検出されたか否かを示す第1の周波数信号を出力するように接続された第1の周波数閾値回路と、前記第3のラッチの前記出力に応答して、第2の閾値周波数未満の周波数において前記ドライブ信号の前記パルスが検出されたか否かを示す第2の周波数信号を出力するように接続された第2の周波数閾値回路と、前記第3のラッチと前記第1の周波数閾値回路と前記第2の周波数閾値回路とに応答して、前記ドライブ信号の前記周波数が前記可聴ノイズ周波数窓内であることを示す前記周波数スキップ信号を生成するように接続された第4の論理ゲートであって、前記可聴ノイズ周波数窓が、前記第1の閾値周波数と前記第2の閾値周波数との間である、前記第4の論理ゲートと、を備える、請求項8に記載の電力変換装置。

請求項11

前記第3のラッチが、前記第1の周波数閾値回路と前記第2の周波数閾値回路とに応答して、リセットされるように接続されている、請求項10に記載の電力変換装置。

請求項12

前記第1の周波数閾値回路が、第1の電流源と、第1のコンデンサと、前記第1の電流源と前記第1のコンデンサとの間に接続された第1のスイッチであって、前記第1のスイッチが、前記第3のラッチの前記出力に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている、前記第1のスイッチと、前記第1のコンデンサの第1の端部と前記第1のコンデンサの第2の端部との間に接続された第2のスイッチと、前記第2のスイッチと前記第3のラッチの前記出力との間に接続された第1のインバーターであって、前記第2のスイッチが、前記第1のインバーターの出力に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている、前記第1のインバーターと、前記第1のコンデンサに接続されて、前記第1のコンデンサにかかる電圧と第1の電圧基準との第1の比較に応答して、前記第1の周波数信号を出力する第1の比較器と、を備える、請求項10に記載の電力変換装置。

請求項13

前記第2の周波数閾値回路が、第2の電流源と、第2のコンデンサと、前記第2の電流源と前記第2のコンデンサとの間に接続された第3のスイッチであって、前記第3のスイッチが、前記第3のラッチの前記出力に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている、前記第3のスイッチと、前記第2のコンデンサの第1の端部と前記第2のコンデンサの第2の端部との間に接続された第4のスイッチと、前記第4のスイッチと前記第3のラッチの前記出力との間に接続された第2のインバーターであって、前記第4のスイッチが、前記第2のインバーターの出力に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている、前記第2のインバーターと、前記第2のコンデンサに接続されて、前記第2のコンデンサにかかる電圧と第2の電圧基準との第2の比較に応答して、前記第2の周波数信号を出力する第2の比較器と、を備える、請求項12に記載の電力変換装置。

請求項14

前記第1のコンデンサの大きさが、前記第2のコンデンサの大きさより小さい、請求項13に記載の電力変換装置。

請求項15

前記電力変換装置の前記出力に接続されて、前記電力変換装置の前記出力を整流する整流器をさらに備える、請求項8に記載の電力変換装置。

請求項16

前記整流器が、ダイオードを備える、請求項15に記載の電力変換装置。

請求項17

前記整流器が、前記電力変換装置の前記出力を整流するように接続されたスイッチを備える同期整流器回路である、請求項15に記載の電力変換装置。

請求項18

前記フィードバック信号に応答して、前記電力変換装置の前記出力を整流する前記同期整流器回路により受信されるように接続された二次制御信号を生成するように接続された二次制御装置をさらに備える、請求項17に記載の電力変換装置。

技術分野

0001

本発明は、概して、電力変換装置に関し、特に、軽負荷状態中の低スイッチング周波数に関連する可聴ノイズの影響を低減する制御装置に関する。

背景技術

0002

電子機器は、動作に電力を使用する。現在の多くの電子機器に給電するために、スイッチング電力変換装置が、その高効率と小寸法と軽量とを理由として一般的に使用される。従来の壁のコンセント差込口は、高電圧交流を提供する。スイッチング電力変換装置では、エネルギー伝達素子を通して、高電圧の交流(AC:alternating current)入力が変換されて、適切に調節された直流(DC:direct current)出力を提供する。スイッチング電力変換装置制御回路は、通常、1つまたは複数の出力量を表す1つまたは複数の入力を検出することにより、および、閉ループにおいて出力を制御することにより、出力調節を提供する。動作時、デューティ比(典型的には、総スイッチング周期に対するスイッチのオン期間の比)を変化させることにより、スイッチング周波数を変化させることにより、または、スイッチング電力変換装置におけるスイッチの単位時間あたりのパルス数を変化させることにより、所望の出力を提供するためスイッチが使用される。

0003

以下の図を参照しながら、本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態について説明し、異なる図の中の同様な参照符号は、別段の指定がない限り、同様な部分を示す。

図面の簡単な説明

0004

本発明の教示に従った、制御装置を含む例示的なフライバックスイッチング電力変換装置の概略ブロック図を示す。
本発明の教示に従った、例示的な可聴ノイズ示唆回路の概略ブロック図を示す。
本発明の教示に従った、第1の周波数閾値回路と第2の周波数閾値回路との概略ブロック図を示す。
本発明の教示に従った、フィードバック要求信号と、ドライブ信号と、周波数スキップ信号と、保持信号と、ドレイン電流とに関係した信号を示す例示的なタイミング図を示す。
本発明の教示に従った、電流制限値の現在の状態を記憶する例示的な工程を示すフロー図である。
本発明の教示に従った、二次制御装置からフィードバック要求信号を受信するように接続された一次制御装置を含む例示的なフライバックスイッチング電力変換装置の概略図を示す。

実施例

0005

図面中の複数の図にわたり、対応する参照符号が、対応する構成要素を示す。当業者は、図中の要素が簡潔かつ明確であるように描かれていることと、必ずしも一定の縮尺で描かれていないこととを理解すると考えられる。例えば、図中のいくつかの要素の寸法は、本発明の様々な実施形態をより理解しやすくするため、他の要素より誇張されている場合があり得る。さらに、市販に適した実施形態において有用または必要な、一般的だがよく理解されている要素は、多くの場合、本発明に係るこれらの様々な実施形態の図が見づらくなるのを防ぐため、描かれていない。

0006

以下の説明では、本発明を十分に理解できるように、多くの特定の詳細事項を記載している。しかし、本発明を実施する際に特定の詳細事項を必ずしも使用する必要がないことが、当業者には明らかだと考えられる。他の例では、よく知られた材料または方法については、本発明が理解しにくくなるのを防ぐため、詳細には説明しない。

0007

明細書中での、「一実施形態(one embodiment)」、「一実施形態(an embodiment)」、「一例(one example)」または「例(an example)」についての言及は、実施形態または例との関連で説明する特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書中の様々な場所で使用する「一実施形態において(in one embodiment)」、「一実施形態において(in an embodiment)」、「一例(one example)」または「例(an example)」という語句は、必ずしもすべてが同じ実施形態または例に関するわけではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、1つまたは複数の実施形態または例において任意の適切な組み合わせ、および/または部分的組み合わせで組み合わされ得る。特定の特徴、構造または特性は、説明する機能を提供する集積回路電子回路結合論理回路、または他の適切な構成要素に含まれ得る。加えて、本明細書と共に提供される図が当業者への説明を目的としていることと、図面が必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではないこととが理解される。

0008

電力変換装置用の制御装置は、負荷エネルギーを伝達するため、電力スイッチスイッチングを制御する。フライバック変換器などの電力変換装置の場合、入力巻線から出力巻線にエネルギーを伝達するために変圧器が使用される。軽負荷状態中、効率要求により要求される場合には、電力損失を低減するため、電力スイッチのスイッチング周波数が低減する。20kHz未満のスイッチング周波数の場合、変圧器の機械的共振が可聴ノイズに寄与する。本発明の教示に従った例が、特定の周波数における電力スイッチのスイッチングを防ぐことにより可聴ノイズの影響を低減する。他の一例において、さらに周波数範囲内のスイッチングが省略され得ることにより、特定の周波数における電力スイッチのスイッチングが禁止される。

0009

電力変換装置用の制御装置は、負荷に応じて電力スイッチの電流制限値を調節する。軽負荷状態中、制御装置は、電流制限値を著しく高め得、これが、より多くのエネルギーを注入する結果、このエネルギーが、可聴ノイズをもたらし得る。本発明の教示に従った例は、可聴ノイズを低減するため、何サイクルかにわたって特定の条件において電流制限値を保持し得る。言い換えると、軽負荷状態中、1または複数のサイクルにわたって、電流制限値の状態が固定されたまま維持し得る。

0010

説明のため、図1は、交流入力電圧VAC102と、整流器104と、整流された電圧VRECT106と、エネルギー伝達素子T1 114と、エネルギー伝達素子T1 114の一次巻線112と、エネルギー伝達素子T1 114の二次巻線116と、電力スイッチS1 134と、入力戻り117と、クランプ回路110と、整流器D1 118と、入力コンデンサCIN108と、出力コンデンサC1 120と、負荷126と、検出回路130と、ワンショット回路132と、制御装置144とを含む例示的な電力変換装置100の機能ブロック図を示す。

0011

制御装置144は、駆動回路146と、可聴ノイズ示唆回路148と、電流制限値生成器回路150と、論理ゲート152、153、156と、ラッチ158、162とをさらに含む。制御装置144は、ドライブ信号UD154と、周波数スキップ信号UFS155と、リセット信号UR163と、中断信号UP160と、電流制限信号ILIM164とをさらに含む。

0012

図1は、出力電圧VO124と、出力電流IO122と、出力量UO128と、フィードバック信号UFB131と、ドレイン電流ID142と、電流検出信号140と、フィードバック要求信号UFBR133とをさらに示す。

0013

図1に示す例示的なスイッチング電力変換装置100は、フライバック構成で接続されており、フライバック構成は、本発明の教示による利益を享受し得るスイッチング電力変換装置の一例にすぎない。さらにスイッチング電力変換装置の他のよく知られた形態と構成とが、本発明の教示による利益を享受し得ることが理解される。加えて、図1に示す例示的な電力変換装置は、絶縁電力変換装置である。さらに非絶縁電力変換装置が本発明の教示による利益を享受し得ることが理解されなければならない。

0014

電力変換装置100は、未調節入力電圧から負荷126に出力電力を提供する。一実施形態において、入力電圧は、交流入力電圧VAC102である。他の一実施形態において、入力電圧は、整流された電圧VRECT106などの整流された交流入力電圧である。整流器104は、整流された電圧VRECT106を出力する。一実施形態において、整流器104は、ブリッジ整流器であり得る。整流器104は、さらに、エネルギー伝達素子T1 114に接続している。本発明のいくつかの実施形態において、エネルギー伝達素子T1 114は、結合インダクタであり得る。他の実施形態において、エネルギー伝達素子T1 114は、変圧器であり得る。別の例において、エネルギー伝達素子T1 114は、インダクタであり得る。図1の例では、エネルギー伝達素子T1 114は、一次巻線112と二次巻線116との2つの巻線を含む。しかし、エネルギー伝達素子T1 114は、2つを上回る巻線を含み得ることが理解されなければならない。図1の例では、一次巻線112は、入力巻線とみなされ得、二次巻線116は、出力巻線とみなされ得る。一次巻線112は、さらに、スイッチS1 134に接続されており、スイッチS1 134は、さらに入力戻り117に接続されている。

0015

加えて、図1の例では、クランプ回路110が、エネルギー伝達素子T1 114の一次巻線112の両端に接続されるように示される。入力コンデンサCIN108は、一次巻線112とスイッチS1 134とにまたがって接続され得る。言い換えると、入力コンデンサCIN108は、整流器104と入力戻り117とに接続され得る。

0016

エネルギー伝達素子T1 114の二次巻線116は、整流器D1 118に接続されている。図1の例では、整流器D1 118は、ダイオードとして例示される。しかし、いくつかの実施形態において、整流器D1 118は、同期整流器として使用されるトランジスタであり得る。図1において、出力コンデンサC1 120と負荷126との両方が、整流器D1 118に接続されるように示される。出力は、負荷126に提供され、調節された出力電圧VO124と、調節された出力電流IO122と、その2つの組み合わせとのいずれかとして提供され得る。

0017

電力変換装置100は、出力量UO128として例示される出力を調節する回路をさらに備える。全体的に、出力量UO128は、出力電圧VO124と、出力電流IO122と、その2つの組み合わせとのいずれかである。検出回路130は、出力量UO128を検出するように接続され、出力量UO128を表すフィードバック信号UFB131を提供する。フィードバック信号UFB131は、電圧信号または電流信号であり得る。一例において、検出回路130は、エネルギー伝達素子T1 114に含まれる別の巻線からの出力量UO128を検出し得る。

0018

他の一例において、制御装置144と検出回路130との間にガルバニック直流絶縁(図示せず)が存在し得る。ガルバニック直流絶縁は、光結合装置コンデンサ、または磁気結合などの装置を使用することにより実装され得る。別の例において、検出回路130は、電力変換装置の出力100からの出力量UO128を検出する分圧器を使用し得る。

0019

制御装置144は、検出回路130に接続されており、ワンショット回路132からフィードバック要求信号UFBR133を受信する。制御装置144は、電流検出信号140を受信する端子をさらに含み、電力スイッチS1 134にドライブ信号UD154を提供する。電流検出信号140は、電力スイッチS1 134におけるドレイン電流ID142を表し得る。電流検出信号140は、電圧信号または電流信号であり得る。加えて、制御装置144は、様々なスイッチングパラメータを制御して、電力変換装置100の入力から電力変換装置100の出力へのエネルギーの伝達を制御するため、電力スイッチS1 134にドライブ信号UD154を提供する。このようなパラメータの例として、スイッチング周波数、スイッチング周期、デューティ比、または電力スイッチS1 134のそれぞれのオン期間およびオフ期間が挙げられ得る。

0020

動作時、フィードバック信号UFB131が特定の閾値未満に低下すると、ワンショット回路132が有効化される。ワンショット回路132は、制御装置144にフィードバック要求信号UFBR133を出力するように接続されている。一例において、フィードバック要求信号UFBR133は、パルスである。一例において、パルス長は、一定値であり得る。他の一例において、パルス長は、変化し得る。フィードバック要求信号UFBR133は、制御装置144に、出力電圧または電流などのパラメータが、閾値未満に低下したことと、制御装置144が電力スイッチS1 134をオンに切り替えなければならないこととを知らせる。

0021

軽負荷状態中、可聴ノイズに関係した周波数の間に発生するある期間中、より多くの電力を求める要求が起こり得る。制御装置144の可聴ノイズ示唆回路148は、ドライブ信号UD154を受信して周波数スキップ信号UFS155を出力するように接続されている。排他窓、例えば、可聴ノイズ窓などの周波数内でドライブ信号UD154がスイッチングすることを引き起こし得るフィードバック要求信号UFBR133が受信されると、電力スイッチS1 134は、スイッチングすることを可能にされない。一例において、制御装置144は、7kHz〜15kHzの周波数窓内で電力スイッチS1 134をスイッチングしない。ドライブ信号UD154後の遅延時間が、最大可聴ノイズ周波数周期に達すると、周波数スキップ信号UFS155は、論理ローから論理ハイ遷移し得る。ドライブ信号UD154の意図される周波数が可聴ノイズ窓外である場合、周波数スキップ信号UFS155は、論理ハイから論理ローに遷移し得る。言い換えると、ドライブ信号UD154後の遅延時間が、最小可聴ノイズ周波数範囲の周期に等しい場合、周波数スキップ信号UFS155は、論理ハイから論理ローに遷移し得る。

0022

以下、可聴ノイズ窓外においてフィードバック要求信号UFBR133が受信される制御装置144の動作について説明する。フィードバック要求信号UFBR133が受信されると、ドライブ信号UD154は、論理ローから論理ハイに遷移する。論理ゲート156は、第1の入力においてフィードバック要求信号UFBR133を受信し、第2の入力において周波数スキップ信号UFS155を受信するように接続されている。一例において、論理ゲート156は、ANDゲートである。周波数スキップ信号UFS155が論理ローである場合、論理ゲート156の出力は、論理ローである。論理ゲート156の出力は、ラッチ158、162に接続されている。ラッチ162の出力が、保持信号UH151を生成する。保持信号UH151は、電力スイッチがスイッチングしてはならないときに対応する。正常動作中、保持信号UH151は、論理ローである。ドライブ信号UD154がトリガされる度に、ラッチ162の出力がリセットされる。ラッチ158の出力は、電流制限状態をラッチすることに対応する中断信号UP160を生成する。正常動作中、保持信号UH151は、論理ローである。

0023

電流制限値生成器回路150は、中断信号UP160を受信して、駆動回路146に電流制限信号UILIM164を出力するように接続されている。それに従って、通常動作中、電流制限信号UILIM164が調節され得る。

0024

ここで、受信されたフィードバック要求信号UFBR133が可聴ノイズ窓内において発生する制御装置144の動作について説明する。この動作中、可聴ノイズ示唆回路148の周波数スキップ信号UFS155は、論理ハイに遷移する。論理ゲート156の出力は、論理ハイに遷移し、ラッチ158、162をセットする。ラッチ162の出力は、論理ハイ保持信号UH151を生成する。論理ゲート152は、保持信号UH151とフィードバック要求信号UFBR133とを受信するように接続されている。一例において、論理ゲート152は、ORゲートである。論理ゲート153は、論理ゲート152の出力と周波数スキップ信号UFS155とを受信するように接続されている。一例において、論理ゲート153は、入力の1つがインバーターに接続されたANDゲートである。論理ゲート153の出力は、駆動回路146に接続されて、オン信号を提供する。

0025

論理ゲート156の出力が論理ハイのとき、中断信号UP160が、論理ハイに遷移して、電流制限値の状態が1つまたは複数のスイッチングサイクルにわたって固定化された状態に留まらなければならないことを示す。リセット信号UR163によりラッチ160の出力がリセットされ得る。一例において、スイッチングサイクルを計数することに対応するカウンター回路から、リセット信号が生じ得る。

0026

電流制限値生成器回路150は、中断信号UP160を受信して、駆動回路146に電流制限値UILIM164を出力するようにも接続されている。前述のように、可聴ノイズ範囲の窓中に電流制限値を上げることは、可聴ノイズに寄与し得る。従って、電流制限値UILIM164は、連続したスイッチングサイクルにわたって固定されたまま維持し得る。一例において、電流制限値は、最小1スイッチングサイクルおよび最大4スイッチングサイクルにわたって固定されたまま維持し得る。電流制限値の状態が、中断されたまま維持する。他の一例において、電流制限値UILIM164は、設計に応じて低下または上昇され得る。

0027

他の一例において、可聴ノイズ示唆回路148は、特定の周波数窓を排除するように動作し得る。言い換えると、ドライブ信号UD154をスイッチングすることは、用途に応じて、どの範囲からもスイッチングすることを防止され得る。

0028

図2Aは、本発明の教示に従った、例示的な可聴ノイズ示唆回路の概略ブロック図を示す。可聴ノイズ示唆回路248は、ワンショット回路262、263と、ラッチ272と、第1の周波数閾値回路274と、第2の周波数閾値回路276と、論理ゲート266、269、270と、インバーター265とを含む。可聴ノイズ示唆回路248は、ドライブ信号UD254を受信して、周波数スキップ信号UFS255を出力するように接続されている。

0029

ここで、例えば、意図されるドライブ信号UD254が可聴ノイズ窓などの周波数排他窓内でスイッチングすることをフィードバック要求信号が誘起するか否かを判定する動作について説明する。可聴ノイズ検出回路248は、意図されるドライブ信号UD254が周波数排他窓内でスイッチングすることをフィードバック要求信号が誘起するか否かを判定する前に、第1の周波数閾値回路274と第2の周波数回路276とをリセットする。ドライブ信号UD254は、ワンショット回路262を有効化する。ワンショット回路262の出力は、ラッチ272をセットするように接続されている。ラッチ272は、第1の周波数および第2の周波数閾値回路276を有効化する要求を記憶する。ラッチ272の出力端子は、論理ゲート270に接続されている。一例において、論理ゲート270は、ANDゲートである。論理ゲート270は、第1の入力において出力ラッチ272を受信するように、および、第2の入力においてインバーター265の出力を受信するように接続されている。ドライブ信号UD254のパルスが論理ローに遷移したときに、論理ゲート270から記憶されたラッチ272の要求が伝播することが許容される。論理ゲート270の出力は、第1の周波数閾値回路274と第2の周波数閾値回路276とに接続されている。第1の周波数閾値回路274は、第1の周期に既に達しているときを示す第1の周波数信号UF280を出力するように接続されている。一例において、第1の周期は、7kHzなどの第1の周波数に対応し得る。第2の周波数閾値回路276は、第2の周期に既に達しているときを示す第2の周波数信号UF2 278を出力するように接続されている。一例において、第2の周期は、15kHzなどの第2の周波数に対応し得る。第1の周波数信号UF280と第2の周波数信号UF2 278とは、論理ゲート266に入力される。一例において、論理ゲート266は、XORゲートである。論理ゲート266は、第1の周波数信号UF280と第2の周波数信号UF2 278とに応答して、周波数スキップ信号UFS255を生成するように接続されている。周波数スキップ信号UFS255は、第1の周波数信号UF280と第2の周波数信号UF2 278との間の期間において論理ハイに留まる。

0030

論理ゲート269、ワンショット回路263のリセット経路を通して、ラッチ272がリセットされ得る。第1の周波数信号UF280が論理ローに遷移し、かつ、第2の周波数信号UF2 282が論理ローに遷移し、かつ、ドライブ信号UD254が論理ローである場合に、ラッチ272がリセットされる。

0031

第1の周波数閾値回路274と第2の周波数閾値回路276とは、ドライブ信号UD254の各論理ハイ中にリセットされる。論理ゲート269は、第1の周波数信号UF280と第2の周波数信号UF2 278とを受信するように接続されている。一例において、論理ゲート269は、NORゲートである。第1の周波数信号UF280が論理ローであり、かつ、第2の周波数信号UF2が論理ローである場合、論理ゲート269の出力は、論理ハイである。論理ゲート269の出力は、ワンショット回路263に接続されている。ワンショット回路263の出力は、ラッチ272のリセット端子に接続されている。

0032

図2Bは、本発明の教示に従った、第1の周波数閾値回路274と第2の周波数閾値回路276との概略ブロック図を示す。第1の周波数閾値回路274は、電流源282と、スイッチ283、292と、インバーター295と、第1のコンデンサCP1 284と、比較器286と、グランド基準297とを含む。第1の周波数閾値回路274は、電位VP281と、電圧基準VREF285と、第1の周波数信号UF280とをさらに含む。

0033

動作時、第1の周波数閾値回路274と第2の周波数閾値回路276とが同じように動作する。スイッチ283は、論理ゲート270の出力信号に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている。スイッチ283がオフであるとき、スイッチ292がオンであり、第1のコンデンサCP1 284は、グランド基準297に放電される。第1のコンデンサCP1 284は、スイッチ283がオンに切り替わる前に、完全に放電されなければならない。スイッチ283がオンであり、かつ、スイッチ292がオフである場合、電位VP281を伴う電流源282が第1のコンデンサCP1 284を充電する。第1のコンデンサCP1 284の大きさおよび/または電流源282の値は、第1の周波数に対応した固定期間に対して選択され得る。一例において、第1のコンデンサCP1 284の大きさは、第2のコンデンサCP2 290より大きなものであり得る。第1のコンデンサCP1 284の電圧が、電圧基準VREF285を上回ると、第1の周波数信号UF280は、論理ローに遷移する。

0034

第2の周波数閾値回路276は、電流源288と、スイッチ289、293と、インバーター296と、第2のコンデンサCP2 290と、比較器292と、グランド基準298とを含む。第2の周波数閾値回路276は、第2の電位VP2 287と、電圧基準VREF291と、第2の周波数信号UF2 278とをさらに含む。

0035

スイッチ289は、ラッチ272の出力信号273に応答して、スイッチオンおよびスイッチオフされるように接続されている。スイッチ289がオフであり、かつ、スイッチ293がオンであるとき、第2のコンデンサCP2 290が、グランド基準298に放電される。第2のコンデンサCP2 290は、スイッチ289がオンに切り替わる前に、完全に放電されなければならない。スイッチ289がオンであり、かつ、スイッチ293がオフである場合、電位VP2 287を伴う電流源288が、第2のコンデンサCP2 290を充電する。第2のコンデンサCP2 290の大きさおよび/または電流源288の値は、第2の周波数に対応した固定期間に対して選択され得る。第2のコンデンサCP2 284の電圧が電圧基準VREF291を上回ると、第2の周波数信号UF2 278は、論理ローに遷移する。

0036

他の一例において、第1の周波数閾値回路274と第2の周波数閾値回路276とは、デジタルタイマー回路を使用して実装され得る。デジタルタイマー回路は、ドライブ信号UD254から開始信号を受信し得る。

0037

図3は、本発明の教示に従った、フィードバック要求信号と、ドライブ信号と、周波数スキップ信号と、保持信号と、ドレイン電流とに関係した信号を示す例示的なタイミング図を示す。

0038

第1のタイミング図は、パルス列として示されるフィードバック要求信号UFBR333を示す。第2のタイミング図は、ドライブ信号UD354を示す。第3のタイミング図は、周波数スキップ信号UFS355を示す。第4のタイミング図は、保持信号UH364を示す。第5のタイミング図は、ドレイン電流ID355を示す。

0039

通常動作中、時間t1において、フィードバック要求信号UFBR333が、論理ハイに遷移する。図1の制御装置は、電力スイッチのスイッチングが可聴ノイズ窓内において発生したか否かを判定し得る。その状態に該当する場合、周波数スキップ信号UFS355および保持信号が、論理ハイに遷移する。

0040

時間t1において、周波数スキップ信号UFS355は、論理ハイに遷移せず、保持信号UH360が、論理ハイではない。各フィードバック要求中、第1の周波数閾値回路と第2の周波数閾値回路とのタイマーが、第1の周波数信号UF380と第2の周波数UF2 382とに示すように有効化される。保持信号UH364は、論理ローに留まる。通常動作中、ドライブ信号UD354は、対応するドレイン電流ID355を伴って、論理ハイに遷移する。

0041

時間t2において、ドライブ信号UD354が論理ローに遷移し、ドレイン電流ID355がゼロに落ちる。

0042

時間t3において、周波数スキップ信号UFS355は、論理ハイに遷移する。第1の周波数信号UF380の長さと第2の周波数信号UF2の長さとが、それらの期間に対応する。周期は、周波数の逆数である。時間t3において、フィードバック要求事象が、この時点ではまだ発生しておらず、その結果、何も変化しない。

0043

時間t4において、周波数スキップ信号UFS355が論理ローに遷移して、可聴周波数窓の終端を知らせる。時間t5において、フィードバック要求信号UFBR333が、論理ハイに遷移し、ドライブ信号UD354が、対応するドレイン電流ID355と共に、論理ハイに遷移する。時間t6において、ドライブ信号UD354が、論理ローに遷移し、ドレイン電流ID355が、ゼロに落ちる。さらに、第1の周波数閾値回路と第2の周波数閾値回路とが有効化される。

0044

時間t7において、フィードバック要求信号UFBR333は、論理ハイに遷移する。可聴ノイズ窓内で発生する期間中、フィードバック要求信号が受信されたとき、保持信号UH364が論理ハイに遷移する。言い換えると、フィードバック要求信号UFBR333の論理ハイ状態に応答して、および、周波数スキップ信号UFS355がさらに論理ハイであるとき、保持信号UH364が論理ハイに遷移する。ドライブ信号UD354は、可聴ノイズ窓の終端まで、論理ハイ信号に遷移することが許可されない。

0045

時間t8において、周波数スキップ信号UFS355が論理ローであり、かつ、保持信号UH360が論理ハイであるとき、ドライブ信号UD354が論理ハイに遷移する。ドライブ信号UD354が遷移することを許可されると、保持信号UH364が論理ローに遷移する。上述のように、電流制限値は、1スイッチングサイクルを越えて保持され得る。言い換えると、電流制限値は、連続したスイッチングサイクルにわたって、同じ値に留まり得る。一例において、値は、完全な電流制限値の30パーセントを表し得る。時間t8において示されるように、ドレイン電流ID355は、時間t1と時間t5とのドレイン電流に比べて低い値である。

0046

時間t9において、フィードバック要求信号UFBR333は、論理ハイに遷移する。第1の周波数閾値回路と第2の周波数閾値回路とのタイマーが有効化される。ドライブ信号UD354は、対応するドレイン電流ID355と共に、論理ハイに遷移する。t9後のある時点で、周波数スキップ信号UFS355は、論理ハイに遷移する。時間t10において、周波数スキップ信号UFS355は、論理ローに遷移する。

0047

図4は、本発明の教示に従った、スイッチング電力変換装置を制御するために使用される電流制限値を保持する例示的なプロセスを示すフロー図である。工程400は、開始ブロック402から始まる。工程400は、ブロック404に進む。判定ブロック404において、制御装置(例えば、図1の制御装置144)は、フィードバック要求信号が既に受信されたか否かを判定する。フィードバック要求信号がまだ受信されていない場合、工程400は、判定ブロック404に戻る。フィードバック要求信号が既に受信されている場合、工程400は、判定ブロック406に進む。判定ブロック406において、可聴ノイズ示唆回路は、フィードバック要求が周波数排他範囲内であるか否かを判定する。フィードバック要求が周波数排他範囲内ではない場合、工程400は、ブロック420に進む。ブロック420において、制御装置が軽負荷状態ではなく、制御装置は、正常動作を再開する。工程400は、最初に戻る。

0048

フィードバック要求が周波数排他範囲内である場合、工程400は、ブロック408に進む。ブロック408において、周波数排他範囲の残りの期間にわたって電力スイッチのスイッチングが抑制される。電流制限値の現在の状態がラッチされる。

0049

図5は、本発明の教示に従った、二次制御装置からフィードバック要求信号を受信するように接続された一次制御装置を含む例示的なフライバックスイッチング電力変換装置の概略図を示す。図示した例に示すように、電力変換装置500は、入力コンデンサ508と、入力戻り517と、クランプ回路510と、エネルギー伝達素子T1 514と、一次巻線512と、二次巻線516と、電力スイッチS1 534と、出力コンデンサC1 520と、出力整流器521と、出力戻り519と、検出回路530とをさらに含む。図5に、入力電圧VIN506と、出力電圧VO524と、出力電流IO522と、出力量UO528と、二次ドライブ信号590とをさらに示す。制御装置594は、一次制御装置588と二次制御装置587とに加えて、制御装置587と588との間の通信リンク589を含むものとしてさらに図示される。図示されるように、二次制御装置587は、スイッチ要求回路592をさらに含み、二次ドライブ信号590に接続されている。

0050

図5に示す例示的な電力変換装置500は、図1に示す電力変換装置100といくつかの類似点共有する。制御装置594は、一次制御装置588を含み、一次制御装置588は、一例において、図1の制御装置144と実質的に同様であり得、電力スイッチS1 534のスイッチングを制御するドライブ信号545を生成する。しかし、図5に示す電力変換装置500の出力整流器521は、同期整流器回路として例示され、制御装置594は、出力整流器521の同期整流器回路を制御する二次ドライブ信号590を生成する二次制御装置587をさらに含み得る。本発明の教示が不明瞭とならないように、説明を目的として図1に詳細に示す特定の構成要素が図5では省略されていることも理解されなければならない。同様に命名して番号付けした要素は、上述のように接続され、機能を果たす。

0051

図5に図示した例に示すように、同期整流器521は、二次巻線516と出力コンデンサC1 520とに接続されている。示される例において、同期整流器521は、スイッチ(トランジスタとして例示される)とダイオードとを含む。一例において、ダイオードは、外部から接続されたショットキーダイオードであり得る。同期整流器521は、二次制御装置587から二次ドライブ信号590を受信するように接続されている。一次制御装置588と二次制御装置587とは、モノリシック集積回路として実装され得るか、または、ディスクリート型電気部品またはディスクリート型部品集積型部品との組み合わせと共に実装され得る。一次制御装置588と二次制御装置587とスイッチS1 534とは、ハイブリッド集積回路とモノリシック集積回路とのいずれかとして製造される集積回路の一部を形成し得る。しかし、一次制御装置588と二次制御装置587との両方が単一の制御装置パッケージに含まれる必要はないことが理解されなければならない。

0052

一次制御装置588は、電力スイッチS1 534のスイッチングを制御するドライブ信号UD554を出力するように接続されており、二次制御装置587は、同期整流器521のスイッチングを制御する二次ドライブ信号590を出力するように接続されている。一次制御装置588と二次制御装置587とは、通信リンク589を介して通信し得る。

0053

図1と同様に、二次制御装置587は、フィードバック信号UFB531を受信し、所与のスイッチングサイクル期間中、電力スイッチS1 534がオンに切り替えられなければならないか否かを、または、スイッチングサイクル期間中、スイッチS1 534がオンに切り替えられなければならない持続期間を決定し得る。二次制御装置587は、電力スイッチS1 534を制御するため、通信リンク589を介して一次制御装置588にコマンドを送信し得る。一次スイッチS1 534および同期整流器521とは、全体的に、同時にオンに切り替えられない。

0054

本発明に関して示す例についての上記の説明は、要約で説明している事項を含め、網羅的であることも、開示される形態そのものに限定することも意図していない。本発明の特定の実施形態および例は、本明細書において例示を目的として説明しているが、本発明のより広い趣旨および範囲から逸脱することなく様々な同等な変更が可能である。実際、説明のために具体的で例示的な電圧、電流、周波数、出力範囲値、時間などを提示していることと、本発明の教示に従った他の実施形態および実施例において他の値も使用し得ることとが理解される。

0055

前述の詳細な説明を考慮して、本発明の例に対してこれらの変更を適用し得る。後述の請求項で使用する用語は、本発明を明細書と請求項とに開示する特定の実施形態に限定するように解釈してはならない。むしろ、範囲は、後述の請求項により完全に定義しなければならず、確立された請求項の解釈の原則に従って解釈しなければならない。従って、本明細書および図は、限定するものではなく例示的なものとみなされる。

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