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公開番号2020005494
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200109
出願番号2019115760
出願日20190621
発明の名称差動コントローラ
出願人リニアー テクノロジー ホールディング エルエルシー
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20191206BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】差動コントローラ回路を提供する。
【解決手段】差動コントローラ100は、第1、第2のレギュレータ102、104を備える。第1のレギュレータ102は、第1のレギュレータ制御信号CIN1を受信し、出力信号ROUT1を生成する。第2のレギュレータ104は、第2のレギュレータ制御信号CIN2を受信し、出力信号ROUT2を生成する。負荷106は、第1及び第2のレギュレータ出力の間に電気的に連結されている。負荷電流および電圧は、第1及び第2のレギュレータ出力の間の差に基づいている。電流センサは、負荷106における負荷電流を表現する負荷電流信号IMONを生成する。第1の増幅器114は、負荷電流信号IMONと制御信号VSETを使用して第1のレギュレータ制御信号を生成する。第2の増幅器118は、第1のレギュレータ入力電圧とコモンモード制御電圧VCMCを使用して第2のレギュレータ制御信号を生成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
差動コントローラであって、
第1のレギュレータ入力で第1のレギュレータ制御信号を受信し、第1のレギュレータ出力に第1のレギュレータ出力信号を生成するように構成されている第1のレギュレータと、
第2のレギュレータ入力で第2のレギュレータ制御信号を受信し、第2のレギュレータ出力に第2のレギュレータ出力信号を生成するように構成されている第2のレギュレータと、
前記第1のレギュレータ出力と前記第2のレギュレータ出力との間の負荷の状態に基づいて帰還信号を生成するように構成されている帰還センサと、
前記帰還信号と設定電圧とを使用して前記第1のレギュレータ制御信号を生成するように構成されている第1の増幅器と、
前記第1のレギュレータ制御信号とコモンモード制御電圧とを使用して前記第2のレギュレータ制御信号を生成するように構成されている第2の増幅器と、を備え、前記第1のレギュレータ出力および前記第2のレギュレータ出力は、少なくとも一部において前記コモンモード制御電圧に基づいている、差動コントローラ。
続きを表示(約 2,500 文字)【請求項2】
前記帰還センサが電流センサを備え、前記帰還信号が前記負荷における負荷電流に基づいている、請求項1に記載の差動コントローラ。
【請求項3】
前記第1の増幅器の第1の増幅器出力と前記コモンモード制御電圧との間に連結された補償ネットワークをさらに備える、請求項1に記載の差動コントローラ。
【請求項4】
前記負荷が誘導性構成要素を備え、前記負荷が負荷極周波数で極を含み、前記補償ネットワークが前記負荷極周波数で零点を含む、請求項3に記載の差動コントローラ。
【請求項5】
閉位置および開位置を有するソフトスタートスイッチをさらに備え、前記ソフトスタートスイッチが前記閉位置にあるとき、前記ソフトスタートスイッチが前記補償ネットワークを短絡する、請求項3に記載の差動コントローラ。
【請求項6】
電源電圧を使用して前記コモンモード制御電圧を生成するように構成されているコモンモード増幅器をさらに備える、請求項1に記載の差動コントローラ。
【請求項7】
前記第2のレギュレータ制御信号が、前記第1のレギュレータ制御信号と前記コモンモード制御電圧との間の差に比例する、請求項1に記載の差動コントローラ。
【請求項8】
前記第1のレギュレータがバックコンバータを備える、請求項1に記載の差動コントローラ。
【請求項9】
電源電圧とコモンモード基準電圧とを使用して前記コモンモード制御電圧を生成するように構成されているコモンモード増幅器をさらに備え、前記コモンモード基準電圧が、前記バックコンバータの基準電圧に比例する、請求項8に記載の差動コントローラ。
【請求項10】
前記第1のレギュレータが第1のレギュレータ帰還ネットワークを備え、前記第1のレギュレータ制御信号が前記第1のレギュレータ帰還ネットワークに提供される、請求項1に記載の差動コントローラ。
【請求項11】
前記第1のレギュレータがリニアレギュレータを備える、請求項1に記載の差動コントローラ。
【請求項12】
前記第1のレギュレータ制御信号と前記第2のレギュレータ制御信号との間の差動電圧を最大値にクランプするように構成されているクランプ回路をさらに備える、請求項1に記載の差動コントローラ。
【請求項13】
前記帰還センサが電圧センサを備え、前記帰還信号が負荷電圧を指示する、請求項1に記載の差動コントローラ。
【請求項14】
第1のレギュレータと第2のレギュレータを備える差動コントローラを用いて負荷を制御する方法であって、
帰還センサによって、帰還信号を生成するための負荷状態を感知することであって、前記負荷状態は、前記負荷に関連付けられ、前記負荷が、前記第1のレギュレータの第1のレギュレータ出力と前記第2のレギュレータの第2のレギュレータ出力との間にあることと、
第1の増幅器によって、前記帰還信号と設定電圧とを使用して、前記第1のレギュレータのための第1のレギュレータ制御信号を生成することと、
第2の増幅器によって、前記第1のレギュレータ制御信号とコモンモード制御電圧とを使用して前記第2のレギュレータのための第2のレギュレータ制御信号を生成することと、前記第1のレギュレータ出力および前記第2のレギュレータ出力が、少なくとも一部において前記コモンモード制御電圧に基づくこととを、含む方法。
【請求項15】
前記帰還センサが電流センサを備え、前記帰還信号が前記負荷における負荷電流を指示する、請求項14に記載の方法。
【請求項16】
電源電圧とコモンモード基準電圧を使用して前記コモンモード制御電圧を生成することをさらに含む、請求項14に記載の方法。
【請求項17】
前記電源電圧の増加に応答して、前記コモンモード制御電圧を増加させることと、
前記コモンモード制御電圧の前記増加に応答して、前記第1のレギュレータ制御信号を修正して第1のレギュレータ出力信号の電圧を増加させることと、
前記コモンモード制御電圧の前記増加に応答して、前記第2のレギュレータ制御信号を修正して第2のレギュレータ出力信号の電圧を増加させること、をさらに含む、請求項16に記載の方法。
【請求項18】
電源電圧の減少に応答して、前記コモンモード制御電圧を減少させることと、
前記コモンモード制御電圧の前記減少に応答して、前記第1のレギュレータ制御信号を修正して第1のレギュレータ出力信号の電圧を減少させることと、
前記コモンモード制御電圧の前記減少に応答して、前記第2のレギュレータ制御信号を修正して第2のレギュレータ出力信号の電圧を減少させること、をさらに含む、請求項14に記載の方法。
【請求項19】
差動コントローラであって、
第1のレギュレータ入力において受信された第1のレギュレータ制御信号に少なくとも一部分において基づいて、第1のレギュレータ出力において第1のレギュレータ出力信号を生成するための手段と、
第2のレギュレータ入力において受信された第2のレギュレータ制御信号に少なくとも一部分において基づいて、第2のレギュレータ出力において第2のレギュレータ出力信号を生成するための手段と、
前記第1のレギュレータ出力と前記第2のレギュレータ出力との間の負荷における状態に基づいて帰還信号を生成するための手段と、
前記帰還信号と設定電圧を使用して前記第1のレギュレータ制御信号を生成するための手段と、
前記第1のレギュレータ制御信号とコモンモード制御電圧を使用して前記第2のレギュレータ制御信号を生成するための手段、を含み、前記第1のレギュレータ出力および前記第2のレギュレータ出力が、少なくとも一部分において前記コモンモード制御電圧に基づいている、差動コントローラ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本明細書は、概して、限定するものではないが、集積回路または集積回路のセットなどの回路に関し、特に、限定するものではないが、差動コントローラ回路に関する。
続きを表示(約 16,000 文字)【背景技術】
【0002】
コントローラ回路は、電気モータ、電灯、電気ディスプレイなどの電気負荷を駆動するために使用される。差動コントローラは、負荷の電流または電圧を制御するための2つのシングルエンドレギュレータを含む。負荷の正極および負極端子は、グランドなどの基準電圧に対して変化することができる。2つのそれぞれのレギュレータの出力は互いに追跡して負荷に所望の電流または電圧を生み出す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
本明細書に記載の様々な例は、第1のレギュレータと第2のレギュレータとを備える差動コントローラを対象にしている。第1のレギュレータは、第1のレギュレータ入力で第1のレギュレータ制御信号を受信し、第1のレギュレータ出力に第1のレギュレータ出力信号を生成する。第2のレギュレータは、第2のレギュレータ入力で第2のレギュレータ制御信号を受信し、第2のレギュレータ出力に第2のレギュレータ出力信号を生成する。負荷は、第1のレギュレータ出力と第2のレギュレータ出力との間に電気的に連結されている。負荷電流および電圧は、第1のレギュレータ出力と第2のレギュレータ出力との間の差に基づいている。
【0004】
それぞれのレギュレータの制御信号は別々に生成さる。例えば、電流センサは、負荷における負荷電流を表現する負荷電流信号を生成する。第1の増幅器は、負荷電流信号と制御信号とを使用して第1のレギュレータ制御を生成するように構成される。第2の増幅器は、第1のレギュレータ入力電圧とコモンモード電圧とを使用して第2のレギュレータ制御信号を生成するように構成される。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
差動コントローラであって、
第1のレギュレータ入力で第1のレギュレータ制御信号を受信し、第1のレギュレータ出力に第1のレギュレータ出力信号を生成するように構成されている第1のレギュレータと、
第2のレギュレータ入力で第2のレギュレータ制御信号を受信し、第2のレギュレータ出力に第2のレギュレータ出力信号を生成するように構成されている第2のレギュレータと、
上記第1のレギュレータ出力と上記第2のレギュレータ出力との間の負荷の状態に基づいて帰還信号を生成するように構成されている帰還センサと、
上記帰還信号と設定電圧とを使用して上記第1のレギュレータ制御信号を生成するように構成されている第1の増幅器と、
上記第1のレギュレータ制御信号とコモンモード制御電圧とを使用して上記第2のレギュレータ制御信号を生成するように構成されている第2の増幅器と、を備え、上記第1のレギュレータ出力および上記第2のレギュレータ出力は、少なくとも一部において上記コモンモード制御電圧に基づいている、差動コントローラ。
(項目2)
上記帰還センサが電流センサを備え、上記帰還信号が上記負荷における負荷電流に基づいている、上記項目に記載の差動コントローラ。
(項目3)
上記第1の増幅器の第1の増幅器出力と上記コモンモード制御電圧との間に連結された補償ネットワークをさらに備える、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目4)
上記負荷が誘導性構成要素を備え、上記負荷が負荷極周波数で極を含み、上記補償ネットワークが上記負荷極周波数で零点を含む、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目5)
閉位置および開位置を有するソフトスタートスイッチをさらに備え、上記ソフトスタートスイッチが上記閉位置にあるとき、上記ソフトスタートスイッチが上記補償ネットワークを短絡する、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目6)
電源電圧を使用して上記コモンモード制御電圧を生成するように構成されているコモンモード増幅器をさらに備える、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目7)
上記第2のレギュレータ制御信号が、上記第1のレギュレータ制御信号と上記コモンモード制御電圧との間の差に比例する、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目8)
上記第1のレギュレータがバックコンバータを備える、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目9)
電源電圧とコモンモード基準電圧とを使用して上記コモンモード制御電圧を生成するように構成されているコモンモード増幅器をさらに備え、上記コモンモード基準電圧が、上記バックコンバータの基準電圧に比例する、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目10)
上記第1のレギュレータが第1のレギュレータ帰還ネットワークを備え、上記第1のレギュレータ制御信号が上記第1のレギュレータ帰還ネットワークに提供される、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目11)
上記第1のレギュレータがリニアレギュレータを備える、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目12)
上記第1のレギュレータ制御信号と上記第2のレギュレータ制御信号との間の差動電圧を最大値にクランプするように構成されているクランプ回路をさらに備える、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目13)
上記帰還センサが電圧センサを備え、上記帰還信号が負荷電圧を指示する、上記項目のいずれかに記載の差動コントローラ。
(項目14)
第1のレギュレータと第2のレギュレータを備える差動コントローラを用いて負荷を制御する方法であって、
帰還センサによって、帰還信号を生成するための負荷状態を感知することであって、上記負荷状態は、上記負荷に関連付けられ、上記負荷が、上記第1のレギュレータの第1のレギュレータ出力と上記第2のレギュレータの第2のレギュレータ出力との間にあることと、
第1の増幅器によって、上記帰還信号と設定電圧とを使用して、上記第1のレギュレータのための第1のレギュレータ制御信号を生成することと、
第2の増幅器によって、上記第1のレギュレータ制御信号とコモンモード制御電圧とを使用して上記第2のレギュレータのための第2のレギュレータ制御信号を生成することと、上記第1のレギュレータ出力および上記第2のレギュレータ出力が、少なくとも一部において上記コモンモード制御電圧に基づくこととを、含む方法。
(項目15)
上記帰還センサが電流センサを備え、上記帰還信号が上記負荷における負荷電流を指示する、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目16)
電源電圧とコモンモード基準電圧を使用して上記コモンモード制御電圧を生成することをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目17)
上記電源電圧の増加に応答して、上記コモンモード制御電圧を増加させることと、
上記コモンモード制御電圧の上記増加に応答して、上記第1のレギュレータ制御信号を修正して第1のレギュレータ出力信号の電圧を増加させることと、
上記コモンモード制御電圧の上記増加に応答して、上記第2のレギュレータ制御信号を修正して第2のレギュレータ出力信号の電圧を増加させること、をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目18)
電源電圧の減少に応答して、上記コモンモード制御電圧を減少させることと、
上記コモンモード制御電圧の上記減少に応答して、上記第1のレギュレータ制御信号を修正して第1のレギュレータ出力信号の電圧を減少させることと、
上記コモンモード制御電圧の上記減少に応答して、上記第2のレギュレータ制御信号を修正して第2のレギュレータ出力信号の電圧を減少させること、をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目19)
差動コントローラであって、
第1のレギュレータ入力において受信された第1のレギュレータ制御信号に少なくとも一部分において基づいて、第1のレギュレータ出力において第1のレギュレータ出力信号を生成するための手段と、
第2のレギュレータ入力において受信された第2のレギュレータ制御信号に少なくとも一部分において基づいて、第2のレギュレータ出力において第2のレギュレータ出力信号を生成するための手段と、
上記第1のレギュレータ出力と上記第2のレギュレータ出力との間の負荷における状態に基づいて帰還信号を生成するための手段と、
上記帰還信号と設定電圧を使用して上記第1のレギュレータ制御信号を生成するための手段と、
上記第1のレギュレータ制御信号とコモンモード制御電圧を使用して上記第2のレギュレータ制御信号を生成するための手段、を含み、上記第1のレギュレータ出力および上記第2のレギュレータ出力が、少なくとも一部分において上記コモンモード制御電圧に基づいている、差動コントローラ。
(摘要)
本明細書に記載の様々な例は、第1のレギュレータと第2のレギュレータとを備える差動コントローラを対象にしている。第1のレギュレータは、第1のレギュレータ制御信号を受信し、第1のレギュレータ出力信号を生成する。第2のレギュレータは、第2のレギュレータ制御信号を受信し、第2のレギュレータ出力信号を生成する。負荷は、第1のレギュレータ出力と第2のレギュレータ出力との間に電気的に連結されている。負荷電流および電圧は、第1のレギュレータ出力と第2のレギュレータ出力との間の差に基づいている。電流センサは、負荷における負荷電流を表現する負荷電流信号を生成する。第1の増幅器は、負荷電流信号と制御信号を使用して第1のレギュレータ制御を生成する。第2の増幅器は、第1のレギュレータ入力電圧とコモンモード電圧を使用して第2のレギュレータ制御信号を生成する。
【0005】
図面において、それらは必ずしも縮尺通りに描かれておらず、同様の数字は異なる図において類似の構成要素を表すことがある。図面は、概して、例として、しかし限定するものではなく、本明細書で考察される様々な実施形態を説明している。
【図面の簡単な説明】
【0006】
図1は、差動コントローラの一例を示す概略図である。
図2は、差動コントローラの別の例を示す概略図である。
図3A〜3Gは、設定電圧VSETの変化および電源電圧の過渡変化に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答を例示する一連の時間整列プロットを示す。
図3A〜3Gは、設定電圧VSETの変化および電源電圧の過渡変化に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答を例示する一連の時間整列プロットを示す。
図3A〜3Gは、設定電圧VSETの変化および電源電圧の過渡変化に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答を例示する一連の時間整列プロットを示す。
図4A〜4Gは、ある時間範囲にわたる図3A〜3Gの時間整列プロットを示し、設定電圧VSETの変化に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答についてさらなる詳細を例示している。
図4A〜4Gは、ある時間範囲にわたる図3A〜3Gの時間整列プロットを示し、設定電圧VSETの変化に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答についてさらなる詳細を例示している。
図4A〜4Gは、ある時間範囲にわたる図3A〜3Gの時間整列プロットを示し、設定電圧VSETの変化に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答についてさらなる詳細を例示している。
図5A〜5Gは、ある時間範囲にわたる図3A〜3Gの時間整列プロットを示し、設定電圧VSETの変化後の整定に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答についてさらに詳細に例示している。
図5A〜5Gは、ある時間範囲にわたる図3A〜3Gの時間整列プロットを示し、設定電圧VSETの変化後の整定に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答についてさらに詳細に例示している。
図5A〜5Gは、ある時間範囲にわたる図3A〜3Gの時間整列プロットを示し、設定電圧VSETの変化後の整定に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答についてさらに詳細に例示している。
図6A〜6Gは、ある時間範囲にわたる図3A〜3Gの時間整列プロットを示し、電源電圧の変化に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答についてさらに詳細に例示している。
図6A〜6Gは、ある時間範囲にわたる図3A〜3Gの時間整列プロットを示し、電源電圧の変化に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答についてさらに詳細に例示している。
図6A〜6Gは、ある時間範囲にわたる図3A〜3Gの時間整列プロットを示し、電源電圧の変化に対する図2の差動コントローラのシミュレーションの応答についてさらに詳細に例示している。
図7は、制御信号を電圧モードバックコントローラの基準電圧入力に提供するように構成されている図2の差動コントローラの別の例を示す概略図である。
図8は、電圧制限機能および起動制御を有するように構成されている図2の差動コントローラの別の例を示す概略図である。
図9は、電圧帰還を有する図1の差動コントローラの一例を示す概略図である。
図10は、本明細書に記載の差動コントローラを使用してステッピングモータを駆動する例示的な構成を示す概略図である。
図11は、差動コントローラを使用して熱電冷却または加熱デバイス(TEC)を駆動する例示的な構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
本明細書に記載の様々な例は、別々の入力を有する第1および第2のレギュレータを含む差動コントローラを対象にしている。多くの既存の差動コントローラでは、第1および第2のレギュレータの出力は相補的である。すなわち、一方のレギュレータへの入力は、他方のレギュレータへの入力の補完あるいは反対である。この構成は、例えば、起動時および電源電圧またはコモンモード電圧が変化する場合に、差動コントローラの動作に不連続性を生じさせる可能性がある。これは、例えば、電源電圧のノイズが多い環境において、および/またはコモンモード電圧を変化させることが望ましい場合には、差動コントローラを制限する。
【0008】
本明細書に記載の差動コントローラは、例えば、別々に生成される別々の入力を有する第1および第2のレギュレータを提供することによって、これらおよび他の課題に少なくとも部分的に対処する。例えば、差動コントローラのそれぞれのレギュレータへの入力は、差動コントローラ出力からの帰還に基づいて別々に生成することができる。例えば、差動コントローラによって生成された負荷電流を表現する負荷電流信号に基づいて第1のレギュレータ入力を生成することができる。第2のレギュレータ入力は、第1のコンバータ入力およびコモンモード電圧に基づいて生成することができる。このようにして、様々なコンバータ出力は、ノイズおよび負荷に関連した不規則性に反応して別々に上下し得る。このように構成されているレギュレータを有する差動コントローラはまた、電源電圧またはコモンモード電圧の変化に対してより連続的に応答し得る。
【0009】
いくつかの例では、第1および第2のコンバータへの入力は、コンデンサ、インダクタなどの能動部品を1つ以上含む補償ネットワークによって関連付けられている。補償ネットワークは、コモンモード電圧の変化に応答して第1のコンバータへの入力を変化させ、また負荷電流に応答して第2のコンバータ入力を変化させ得る。いくつかの例では、補償ネットワークはまた、システムに零点を加えるように構成される。補償ネットワークによって提供される零点は、負荷によってシステムに追加された極を相殺するように位置決めさせることができる。例えば、直流(DC)モータなどの誘導負荷は、システム帯域幅内の周波数にあり得る極を追加する。
【0010】
図1は、差動コントローラ100の一例を示す概略図である。差動コントローラ100は、負荷106を駆動する第1のレギュレータ102と第2のレギュレータ104とを備える。レギュレータ102、104は、例えば、1つ以上のスイッチングレギュレータ、1つ以上のリニアレギュレータなどのような任意の適切な種類のレギュレータであるか、またはそれらを含み得る。例えば、電力消費を低減することが望ましい用途では、レギュレータ102、104は、バックコンバータなどのスイッチングレギュレータを用いて構成され得る。電力消費が設計上の関心事ほど重要ではない用途では、レギュレータ102、104は、例えば1つ以上の増幅器などのリニアレギュレータを用いて実装することができる。
【0011】
図1の例では、レギュレータ102、104は、レギュレータ102、104の出力にそれぞれの出力信号ROUT1、ROUT2を生成する。出力信号ROUT1およびROUT2は、それぞれのレギュレータ102、105の制御入力に提供されるそれぞれの制御信号CIN1、CIN2に依存する。図1の例では、出力信号ROUT1、ROUT2の電圧は、制御信号CIN1、CIN2に対して位相がずれている(例えば、逆位相)。例えば、制御信号CIN1またはCIN2の電圧の増加は、対応する出力信号ROUT1またはROUT2の電圧の減少をもたらす。同様に、制御信号CIN1またはCIN2の電圧の減少は、対応する出力信号ROUT1またはROUT2の電圧の増加をもたらす。同相制御信号および出力を有する構成もまた企図され、同相制御信号および出力を有する例示的な差動コントローラが図7および図8にそれぞれ説明されている。
【0012】
レギュレータ102、104は、出力を制御信号CIN1およびCIN2によって設定された所望の電圧に調整するためにローカル帰還ネットワーク122、124を含み得る。例えば、ローカル帰還ネットワーク122は、第1の制御信号CIN1から第1のレギュレータ出力信号ROUT1へ所望の低周波閉ループ利得を提供するように構成され得る。同様に、ローカル帰還ネットワーク124は、第2の制御信号CIN2から第2のレギュレータ出力信号ROUT1へ所望の低周波閉ループ利得を提供するように構成され得る。レギュレータ102、104のそれぞれの低周波、閉ループ利得は、用途に応じて同じでも異なってもよい。図1の例では、制御信号CIN1、CIN2は、帰還ネットワーク122、124とは別にレギュレータに提供されている。他の例では、例えば、図2に例示するように、制御信号はそれぞれのレギュレータの帰還ネットワークに提供されている。
【0013】
負荷106は、第1のレギュレータ出力と第2のレギュレータ出力との間に電気的に連結されている。差動コントローラ100の出力は、負荷106の両端間にあり、図1の例では、電流センス抵抗126の両端にもある。Ibによって与えられる負荷電流およびVbによって与えられる負荷電圧は、第1のレギュレータ出力信号ROUT1と第2のレギュレータ出力信号ROUT2との間の差に基づく。負荷106は、誘導性、抵抗性、容量性、またはそれらの組み合わせであり得る。いくつかの例では、負荷106は、誘導構成要素および抵抗構成要素を含む電気モータであるかまたはそれを含む。負荷電圧Vbは、第1のレギュレータ出力信号ROUT1および第2のレギュレータ出力信号ROUT2の電圧間の差である(またはそれに関連する)。
【0014】
帰還センサ111は負荷106の状態を感知して帰還信号を生成する。図1の例では、帰還センサ111は、負荷と直列に設けられた電流センス抵抗106と電流センス増幅器112とを備える電流センサを含む。電流センス増幅器の出力は、この例では、本明細書で説明するように、設定電圧VSETに基づいて負荷電流Ibを調整するための帰還信号として使用される負荷電流信号IMONである。他の例では、差動コントローラは、例えば、以下の図9に示すように、設定電圧VSETに基づいて負荷電圧Vbを調整するように構成される。
【0015】
具体的に図1の例を参照すると、電流センス抵抗126が負荷106と直列に設けられているので、電流センス抵抗126を介して降下する電圧は負荷電流Ibに比例する。電流センス増幅器112は、電流センス抵抗126の両端の電圧降下を増幅して負荷電流信号IMONを生成するように構成されている。電流センス抵抗126の両端の電圧降下と同様に、電流信号IMONは、負荷電流Ibに比例する電圧を有する。いくつかの例では、電流センス増幅器112は、ゼロ電流出力が0V以外の電圧になるようにオフセット電圧を含む。
【0016】
負荷電流信号IMONは、トランスコンダクタンス増幅器114(例えば、その非反転入力)に提供される。トランスコンダクタンス増幅器114は、負荷電流信号IMONを、VSETと表記された差動コントローラ100の設定電圧と比較する。設定電圧VSETは、トランスコンダクタンス増幅器114の反転入力に提供され得る。(制御信号CIN1、CIN2が出力信号ROUT1、ROUT2と同相である例では、設定電圧VSETは、図7および8でそれぞれ説明するように、トランスコンダクタンス増幅器114の非反転入力に提供され得る。)
トランスコンダクタンス増幅器114は、例えば、負荷電流信号IMONと設定電圧VSETとの間の差に応じて、トランスコンダクタンス増幅器114によってソースされるかまたはシンクされる電流を生成する。例えば、IMONがVSETより大きいとき、トランスコンダクタンス増幅器114はその出力に電流をソースする。負荷電流信号IMONがVSETよりも小さいとき、トランスコンダクタンス増幅器114はその出力から電流をシンクする。トランスコンダクタンス増幅器114の出力における電圧VCPは、第1のレギュレータ制御信号CIN1として第1のレギュレータ102に提供される。図1の例では、電圧VCPは、制御信号CIN1として第1のレギュレータ102に提供される前に、ユニティ利得のバッファ116によって整えられる。このようにして、設定電圧VSETは、負荷電流Ibが設定電圧VSETを追跡するように、差動コントローラ100に入力を提供する。
【0017】
第2のレギュレータ104の制御CIN2は、第1のレギュレータ制御信号CIN1およびコモンモード制御電圧VCMCに基づいて生成される。例えば、反転利得増幅器118は、反転入力で第1のレギュレータ制御信号CIN1を受信し、非反転入力でコモンモード制御電圧VCMCを受信する。コモンモード制御電圧VCMCは、差動コントローラ100の所望のコモンモード出力電圧を設定する信号(例えば電圧)である。いくつかの例では、コモンモード制御電圧VCMCは、レギュレータ制御入力CIN1およびCIN2のコモンモード電圧に等しい。
【0018】
コモンモード出力電圧は、第1のレギュレータ出力信号ROUT1および第2のレギュレータ出力信号ROUT2の平均電圧である。第1のレギュレータ出力信号ROUT1が10Vであり、第2のレギュレータ出力信号ROUT2が2Vである例を考える。差動出力電圧Vbは8V、コモンモード出力電圧は6Vになる。
【0019】
図1の差動コントローラ100では、コモンモード出力電圧はコモンモード制御電圧VCMCによって設定される。図に示されるように、第2のレギュレータ入力CIN2は、コモンモード制御電圧VCMCに加えられる第1のコントローラ入力CIN1の反転から生成される。コモンモード出力電圧が一定のままである実装形態では、コモンモード制御電圧VCMCも一定であってもおよび/または可変であってもよい。図2に関してより詳細に説明されるいくつかの例では、コモンモード制御電圧VCMCは、電源電圧を追跡するように修正される。これにより、コモンモード出力電圧もまた電源電圧を追跡する。このようにして、差動コントローラ100は、差動コントローラ100の出力に影響を及ぼすことなくコモンモード制御電圧VCMCを修正することによって電源電圧の変化に応答する。
【0020】
図1の例では、差動コントローラ100はまた、トランスコンダクタンス増幅器114の出力電圧VCPをコモンモード制御電圧VCMCに連結する補償ネットワーク120を含む。図1の例では、補償ネットワーク120は、トランスコンダクタンス増幅器114の出力電圧VCPとコモンモード制御電圧VCMCとの間に位置決めされている。いくつかの例では、補償ネットワーク120は、2つの極と1つの零点を有するタイプ2補償ネットワークである。本明細書に記載のように、補償ネットワーク120は、負荷106の帯域内極を相殺するように零点を位置決めするように構成され得る。2つの極については、低周波極がシステムループの支配極を設定する。高周波極は、意図したシステムループ帯域幅の外側に位置決めされる。補償ネットワーク120は、必ずしもタイプ2補償ネットワークとは限らない。例えば、補償ネットワーク120は、タイプ1補償ネットワークまたは他の適切な補償ネットワークであってもよい。例えば、補償ネットワーク120をタイプ1補償として構成することは、負荷が抵抗性である例において有用であり得る。
【0021】
起動時に、負荷電流は最初ゼロになり、負荷電流信号IMONを設定電圧VSETよりも低く駆動する。トランスコンダクタンス増幅器114は、負荷電流を増加させるために第1のコンバータ出力信号ROUT1の電圧をより高く調整する第1のコンバータ制御信号CIN1を提供しながら電流をシンクする。第2のコンバータ制御信号CIN2は、負荷電流を増加させるために第2のコンバータ出力信号ROUT2の電圧をより低く調整するように増幅器118によって設定される。
【0022】
図2は、差動コントローラ200の別の例を示す概略図である。この例では、差動コントローラ200のレギュレータは2つの電圧モードバックコンバータ202、204を含む。バックコンバータ202は、第1のコンバータ制御信号V1を受信し、第1のコンバータ出力電圧V3を生成する。バックコンバータ204は、第2のコンバータ制御信号V2を受信し、第2のコンバータ出力電圧V4を生成する。差動コントローラ200の差動出力電圧Vbは、負荷206および電流センス抵抗RSNSにわたって現れる。図2の例では、負荷206は、等価直列抵抗ESRおよび負荷インダクタンスLloadを含む。例えば、負荷206は、DC電気モータであるか、またはそれを含み得る。
【0023】
バックコンバータ202は、電源電圧VSとグランドとの間に直列に接続されたハイサイドデバイスM1およびローサイドデバイスM2を備える電力段230を含む。ハイおよびローサイドデバイスの両方に共通の端子SW1はインダクタL1に接続されている。インダクタL1はまた、バックコンバータ202の出力フィルタを形成するために出力コンデンサC2に接続されている。第1のコンバータ出力信号V3は出力コンデンサC2の両端に現れる。ハイサイドデバイスM1およびローサイドデバイスM2は、デバイスM1、M2の状態に応じて、スイッチノードSW1から電源電圧VSへあるいはグランドへ低インピーダンス経路を提供するスイッチとして作動する。ハイサイドデバイスM1およびローサイドデバイスM2は、例えば電界効果トランジスタ(FET)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)などのような任意の適切なスイッチングデバイスであり得、またはそれらを含み得る。
【0024】
デバイスM1、M2の状態は、バックドライバ238と組み合わせた電圧モードバックコントローラ234によって制御される。例えば、マサチューセッツ州ノーウッドのアナログ・デバイセズ社から入手可能なLTC3861‐1製品を含む、任意の適切な電圧モードバックコントローラが使用され得る。電圧モードバックコンバータ234は、入力として基準電圧REF1および帰還電圧FB1を受信し、出力としてパルス幅変調(PWM)制御信号PWM1を生成する。制御信号PWM1はドライバ238に提供され、ドライバ238は、ハイおよびローサイドデバイスM1、M2に提供される対応するスイッチング信号Tg1、Bg1を生成する。例えば、マサチューセッツ州ノーウッドのアナログ・デバイセズ社から入手可能なLTC4449製品を含む任意の適切なドライバが使用され得る。これは、バックコンバータ202のための制御構成の一例にすぎない。例えばシングルチップソリューションを含めて、デバイスM1、M2を駆動するための他の構成が使用されてもよい。
【0025】
図2の例では、基準電圧REF1は、例えば電源電圧VSおよび/または内部基準電圧から導出し得る電圧源VR1によって駆動される。図2の例では、バックコンバータ202用の帰還電圧FB1は、タイプ3補償ネットワーク242を含むコンバータ帰還経路によって提供される。タイプ3補償ネットワークは、抵抗R12、R11、RFB1a、RFB1bおよびコンデンサC11、C12、C13を含む。補償ネットワーク242は、LCからの2つの極を相殺するために、インダクタL1およびコンデンサC2のLCタンクのあたりに2つの零点を生み出す。これにより、バックコンバータ202がより良好な位相マージンで動作することが可能になる。いくつかの例では、他の種類の補償ネットワークを使用し得る。例えば、図2に示すタイプ3ネットワークの代わりに、タイプ2補償を使用して、帰還電圧FB1をバックコントローラ234に提供してもよい。
【0026】
バックコンバータ204は、バックコンバータ202と同様の様態で構成されている。例えば、バックコンバータ204は、ハイサイドデバイスM3とローサイドデバイスM4とを含む電力段232を備える。デバイスM3およびM4の両方に共通の端子SW2は、バックコンバータ204のインダクタL2およびコンデンサC3に連結されている。電圧モードバックコントローラ236は、パルス幅変調出力信号PWM2を生成する。ドライバ240は、出力信号PWM2をデバイスM3、M4のための適切なスイッチング信号Tg2、Bg2に変換する。電圧モードバックコントローラ236はまた、電圧源VR2によって駆動される基準電圧REF2と、タイプ3補償ネットワーク244を介して提供される帰還電圧FB2とを受信する。補償ネットワーク244は、抵抗R21、R22、RFB2a、RFB2b、およびコンデンサC21、C22、C23を含む。
【0027】
図2の構成では、コンバータ出力信号V3およびV4は、それぞれの補償ネットワーク242、244の基部でそれぞれの制御信号V1およびV2によって制御される。例えば、定常状態では、バックコンバータ202、204の帰還電圧FB1、FB2はそれぞれの基準電圧REF1、REF2に等しい。バックコンバータ202、204の低周波閉ループ利得は、それぞれの帰還抵抗の比によって決定される。例えば、バックコンバータ202の低周波閉ループ利得は、以下の式[1]によって与えられる。
【0028】
【0029】
同様に、バックコンバータ204の低周波閉ループ利得は、以下の式[2]によって与えられる。
【0030】
【0031】
この例において、バックコンバータ202、204に対する閉ループ利得の‐3dB周波数は、f
UG
/A
O_BUCK
にほぼ等しく、ここでf
UG
は閉ループ利得のユニティ利得周波数であり、A
O_BUCK
は低周波閉ループ利得である。いくつかの例では、2つのバックコンバータ202、204は同じ過渡応答を有するように構成される。これは、(i)等しい抵抗RFB1aおよびRFB2aを使用する、(ii)等しい抵抗RFB1bおよびRFB2bを使用する、(iii)基準電圧REF1およびREF2を互いに等しく設定することによって達成し得る。
【0032】
図2において、電流センサは、電流センス抵抗RSNSと電流センス増幅器A1とを含む。電流センス抵抗RSNSは、電流センス抵抗RSNSの電流が負荷電流と等しくなるように負荷206と直列に接続されている。電流センス増幅器A1は、電流センス抵抗RSNSの両端に接続されている。したがって、電流センス増幅器A1の出力における負荷電流信号IMONは、電流センス抵抗RSNSの両端の電圧降下に比例し、かつ負荷電流に比例する。いくつかの例では、電流センス増幅器A1はDCオフセットを持たせて構成される。電流センス増幅器A1は任意の適切な利得を有し得る。いくつかの例では、電流センス増幅器A1の利得A
0_IMON
は、負荷電流信号IMONが最大予想負荷電流で電流センス増幅器A1を飽和させないように選択される。
【0033】
負荷電圧Vbから負荷電流信号IMONまでの低周波電圧利得は、以下の式[3]によって与えられ得る。
【0034】
【0035】
式[3]によって示されるように、負荷Lloadのインダクタンスは低周波極を追加する。低周波極位置p
Load
(負荷極周波数)は、負荷インダクタンスLload、直列抵抗RSNSおよびESRに関連し、以下の式[4]で与えられる。
【0036】
【0037】
様々な例において、この極の比較的低い周波数は、それがシステム帯域幅内にあることを引き起こし得る。極がシステム帯域幅内にあるとき、補償がないと、差動コントローラ200内で不安定になる可能性がある。いくつかの例では、負荷インダクタンスLloadによって追加された極は、本明細書に記載のように、補償ネットワーク246によって相殺される。電流センス増幅器A1もまた、少なくとも1つの極を有し得る。しかしながら、様々な例において、電流センス増幅器A1は、その極または複数の極をシステム帯域幅の外側に位置決めするように選択される。したがって、電流センス増幅器A1の1つの極または複数の極は、差動コントローラ200に大きな影響を有し得ない。
【0038】
負荷電流信号IMONはトランスコンダクタンス増幅器GM1に提供され、トランスコンダクタンス増幅器GM1は設定電圧VSETも受信する。この例では、VSETは電圧源VR4によって駆動される。差動コントローラ200がDCモータを駆動する例では、設定電圧VSETは、マイクロコントローラまたは他のシステム構成要素によって提供され得、モータの所望の速度に比例し得る。
【0039】
トランスコンダクタンス増幅器GM1は、設定電圧VSETと負荷電流信号IMONとの間の差に比例する出力電流を作り出す。この構成では、負荷電流信号IMONはトランスコンダクタンス増幅器GM1の非反転入力に提供され、設定電圧VSETはトランスコンダクタンス増幅器GM1の反転入力に提供される。トランスコンダクタンス増幅器GM1は、負荷電流信号IMONと設定電圧VSETとの間の比較に応じて電流をシンクまたはソースする。
【0040】
補償ネットワーク246が、トランスコンダクタンス増幅器GM1の出力とコモンモード制御電圧VCMCとの間に接続されている。トランスコンダクタンス増幅器GM1の出力における電圧VCPは、トランスコンダクタンス増幅器GM1および補償ネットワークによってシンクまたはソースされる電流に依存し得る。コモンモード制御電圧VCMCが一定であるとき、負荷電流信号IMONから電圧VCPまでの小信号利得は以下の式[5]によって与えられる。
【0041】
【0042】
式[5]において、gm1はトランスコンダクタンス増幅器GM1のトランスコンダクタンスであり、roはトランスコンダクタンス増幅器GM1の小信号出力インピーダンスである。抵抗Rz並びにコンデンサCcおよびCc2は補償ネットワーク246の一部である。式[5]は、1つの零点と2つの極を有しており、補償ネットワーク246がタイプ2補償ネットワークであることを示している。
【0043】
差動コントローラ200のループ利得は、以下の式[6a]および[6b]によって与えられるように、システムのループの周りの利得を考慮することによって見つけることができる。
【0044】
【0045】
式[6a]および[6b]は、差動コントローラ200が3つの極と1つの零点を有することを示している。零点は、以下の式[7]によって与えられる周波数f
z1
に位置する。
【0046】
【0047】
補償ネットワーク246の抵抗RzおよびコンデンサCcの値は、負荷インダクタンスに関連付けられた極の周波数でシステム零点を置くように選択され得る(上記の式[4])。これにより、例示の差動コントローラ200には2つの極が残る。支配極は、コンデンサCcおよびトランスコンダクタンス増幅器GM1の小信号出力インピーダンスroに関連付けられている。二次極は、抵抗RzおよびコンデンサC2に関連付けられている。
【0048】
バックコンバータ202、204の閉ループ‐3db周波数は、差動コントローラ200のシステムクロスオーバー周波数を超えてもよく、二次極周波数より大きくてもよい。いくつかの例では、差動コントローラ200が45度を超える位相マージンを有することになる場合、二次極の位置は、ユニティ利得周波数またはそれより大きい周波数に置かれ得る。差動コントローラ200が単極ロールオフを有するとき、システムループユニティ利得周波数は、DCループ利得に支配極の周波数を掛けたものに等しく、以下の式[8]によって与えられる。
【0049】
【0050】
差動コントローラ200は、それぞれ制御信号V1、V2を生成する増幅器A3、A4を含む。増幅器A3は、制御信号V1が電圧VCPに等しくなるように、ユニティ利得バッファとして構成され得る。増幅器A4は、‐Ry/Rxに等しい閉ループ利得を有する反転増幅器として構成され得る。制御信号V1とV2との間の電圧差は、VCPとVCMCとの間の電圧差に依存し、次式によって与えられる。
(【0051】以降は省略されています)

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