开关电路的制作方法
【专利摘要】一实施方式的开关电路(1)包括：开关元件(10)，其含有第一端子(13)及第二端子(11)，且通过脉冲信号驱动而开关第一端子及第二端子的导通状态；电源部(30)，其对开关元件的第一端子供给电压；负载电路(40)，其与电源部并联连接；无源电路部(50)，其连接于电源部和负载电路的连接点与开关元件的第一端子之间，且在脉冲信号的时钟频率的N倍(N为1以上的整数)的频率下，抑制从连接点流向开关元件的电流；及谐振电路部(60)，其连接于无源电路部与连接点之间，且在N倍的频率下谐振。
【专利说明】开关电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关电路。
【背景技术】
[0002]已知利用了晶体管等开关元件的开关电路(参照专利文献I)。在专利文献I记载的开关电路中，对开关元件的输入端子(例如栅极端子)供给PWM(Pulse WidthModulation，脉宽调制)信号。通过PWM信号的时钟频率(开关频率)，控制开关元件的接通/断开。根据开关元件的接通/断开，输出端子(例如漏极端子)与电感器的连接点的电压发生变动。其结果，可控制一端与该连接点连接的负载电路的驱动。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本专利特开2006-101637号公报
【发明内容】
[0006]发明要解决的课题
[0007]然而，有时与在开关元件的接通状态下流经负载电路的电流不同地，由于开关元件接通/断开的时钟频率(开关频率)的整数倍的信号成分，多余的电流流经负载电路或开关元件，产生不必要的电力消耗。
[0008]因此，本发明的目的在于提供一种可进一步实现电力效率的提升的开关电路。
[0009]用于解决课题的手段
[0010]本发明的一方面的开关电路包括:开关元件，其含有第一端子及第二端子，且通过脉冲信号驱动而开关第一端子及第二端子的导通状态；电源部，其对开关元件的第一端子供给电压；负载电路，其与电源部并联连接；无源电路部，其连接于电源部和负载电路的连接点与开关元件的第一端子之间，且在脉冲信号的时钟频率的N倍(N为I以上的整数)的频率下，抑制从上述连接点流向开关元件的电流；及谐振电路部，其连接于无源电路部与上述连接点之间，且在N倍的频率下谐振。
[0011]在该构成中，开关元件经由无源电路部及谐振电路部而与连接点连接。因此，可通过开关元件的开关动作，控制对连接点供给的来自电源部的电压的状态。其结果，可控制对与电源部并联连接的负载电路施加的电压状态。另一方面，因无源电路部在脉冲信号的时钟频率的N倍的频率下抑制从上述连接点流向开关元件的电流，所以可减少多余的能量消耗。进而，因谐振电路部在上述N倍的频率下谐振，所以对负载电路施加的电压成分中的N倍的频率成分得以减少，因此可减少多余的能量消耗。其结果，可实现功率效率的提升。
[0012]在一实施方式中，从上述开关元件侧观察的无源电路部的阻抗的虚部可为零以上且开关元件的输出寄生电容的电抗的绝对值的2倍以下。在该情况下，从上述开关元件侧观察的无源电路部的阻抗的虚部只要在N倍的频率下为零以上且开关元件的输出寄生电容的电抗的绝对值的2倍以下即可。[0013]在该方式中，无源电路部可在脉冲信号的时钟频率的N倍的频率下，更可靠地抑制从上述连接点流向开关元件的电流。
[0014]在一实施方式中，从上述负载电路侧观察的谐振电路部的阻抗的实部及虚部可在N倍的时钟频率下小于负载电路的阻抗。
[0015]在该方式中，可在上述N倍的频率下进一步降低对负载电路施加的电压，其结果，可减少多余的能量消耗。
[0016]上述脉冲信号可为脉冲信号的脉冲宽度的占空比通过具有比时钟频率低的频率成分的信号而随时间调制的信号。
[0017]无源电路部及谐振电路部对时钟频率的N倍的频率发挥作用，而实质上不对比时钟频率低的频率成分发挥作用。因此，该低的频率成分的信号可容易地通过无源电路部及谐振电路部而传输至负载电路。其结果，通过该信号成分而使对负载电路施加的电压状态发生变动。
[0018]在一实施方式中，无源电路部可由至少一个电抗元件构成，且具有与开关元件的第一端子连接的第一端及与上述连接点连接的第二端。
[0019]在一实施方式中，无源电路部可由至少一个传输线路构成，且具有与开关元件的第一端子连接的第一端及与上述连接点连接的第二端。
[0020]在一实施方式中，谐振电路部可具备由至少一个电抗元件串联连接而成的M个谐振元件。在该方式中，M个谐振元件中的至少一个谐振元件可在N倍的频率下谐振。M个谐振元件可并联连接。
[0021]在一实施方式中，上述谐振电路部可包括M条(M为I以上的整数)传输线路。在该方式中，M条传输线路中的至少一条传输线路可具有与时钟频率的N倍的频率对应的波长的1/4的电气长度。
[0022]发明效果
[0023]根据本发明，可提供一种可进一步实现电力效率的提升的开关电路。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是表示一实施方式的开关电路的概略构成的图。
[0025]图2是用于说明驱动图1所示的开关电路的信号的图。
[0026]图3是表示元件数最少、且针对时钟频率而设计的无源电路部的设计条件的图。
[0027]图4是表示在时钟频率下进行动作的开关电路的构成的一例的图。
[0028]图5是表示针对时钟频率的I次及2次谐波而设计的无源电路部中的元件数最少的无源电路部的设计条件的图。
[0029]图6是表示针对时钟频率的I次及2次谐波而设计的无源电路部的电路构成的例子的图。
[0030]图7是表示针对时钟频率的I次、2次及3次谐波而设计的无源电路部的电路构成的例子的图。
[0031]图8是表示图7(a)所示的电路构成中端子A、B的连接状态的具体例的图。
[0032]图9是表示包括谐振电路部的其它例的开关电路的概略构成的示意图。
[0033]图10是表示一条前端开路短截线中存在多个可同时谐振的谐波次数的图表。[0034]图11是表示由一条传输线路构成无源电路部的情况下的传输线路的配置候选的图。
[0035]图12是表示由两条传输线路构成无源电路部的情况下的传输线路的配置候选的图。
[0036]图13是表示由两条传输线路构成无源电路部的情况下的模拟用的电路的图。
[0037]图14是表示模拟结果的图。
[0038]图15是表示由3条传输线路构成无源电路部的情况下的构成例的图。
【具体实施方式】
[0039]以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在附图的说明中，对同一元素标注同一标号，且省略重复的说明。附图的尺寸比率并非必需与所说明的内容一致。
[0040]利用图1及图2对一实施方式的开关电路进行说明。图1是表不一实施方式的开关电路I的概略构成的电路图。图2是用于说明驱动开关电路I的信号的图。开关电路I的例子为开关电源电路或时变电源电路。
[0041]开关电路I包括开关元件10。在本实施方式中，若无特别说明，开关元件10为绝缘型场效应晶体管(MOSFET)。MOSFET的例子包括功率M0SFET。在该情况下，开关元件10具有接地的源极端子11、与信号源20连接且从信号源20被供给信号的栅极端子12、及与电源部30连接且被供给电压Vdd (例如16V)的漏极端子13。在开关元件10中存在因该构成产生的输出寄生电容Cds。输出寄生电容Cds包括漏极-源极间的输出寄生电容。在图1中，将输出寄生电容Cds表不为电容器14。
[0042]信号源20将用于使开关元件10开关的信号供给至栅极端子12。从信号源20输入至栅极端子12的信号为PWM信号SP。参照图2对PWM信号Sp进行说明。图2是用于说明PWM信号的图。在图2(a)中表不有用于生成P丽信号Sp的两种信号的例子。在图2(b)中表示有PWM信号的一例。PWM信号Sp是，具有第一频率的信号(SI)通过具有比第一频率高的第二频率的信号(S2)调制脉冲宽度的占空比而得的脉冲信号。信号(S2)的例子为三角波或锯齿波信号(参照图2(a))。PWM信号Sp的时钟频率feK、即、使开关元件10开关的开关频率对应于上述第二频率。信号源20的另一端接地。
[0043]返回至图1，说明开关电路I的构成。电源部30为包括直流电源31的直流电源部。从阻止开关元件10的上述第一频率成分流入至直流电源31的观点而言，电源部30可具备电感器32。直流电源31的正极经由电感器32而连接到漏极端子13。以下，将连接漏极端子13与直流电源31的线称为信号路径。直流电源31的负极接地。
[0044]与电源部30并联地连接有负载电路40。负载电路40的例子包括电阻负载及电感负载。负载电路40的一端41连接到直流电源31的正极，负载电路40的另一端42接地。在如图1所示那样具备电感器32的情况下，负载电路40的一端41连接到电感器32的与直流电源31侧相反侧的端。该连接点作为输出端口 P而发挥功能。
[0045]在上述构成中，若从信号源20供给的PWM信号SP输入到开关元件10，则通过PWM信号SP而使漏极端子13与源极端子11的导通状态开关。这样，由于输出端口 P的电压状态发生变动，所以对负载电路40施加的电压状态发生变化。其结果，在负载电路40中流动的电流发生变动。因此，例如若连接高频功率放大器作为负载电路，则可将电源功率效率维持为较高的状态下，使高频信号的输出振幅以较深的深度调制。
[0046]为减少开关动作中的电力消耗，开关电路I在开关元件10与输出端口 P之间具备无源电路部50及谐振电路部60。无源电路部50及谐振电路部60作为在PWM信号Sp中截止时钟频率fa的N次谐波，使具有比时钟频率低的频率、即上述第一频率的信号SI通过的滤波器而发挥功能。以下，对无源电路部50及谐振电路部60进行说明。
[0047]无源电路部50配置于开关元件10与输出端口 P之间。无源电路部50具有与漏极端子13连接的第一端50a及与输出端口 P连接的第二端50b。无源电路部50具有在对开关元件10供给的脉冲信号的时钟频率feK的N倍的频率下满足下述“无源电路部条件”的构成。在以下的说明中，将从开关元件10观察的(或从开关元件10观察的情况下的)无源电路部50的阻抗设为Z，将阻抗Z的虚部设为Zimg。[0048](无源电路部条件)
[0049]阻抗Z的虚部Zimg为零以上，且为输出寄生电容Cds的电抗的绝对值的2倍以下。
[0050]通过满足上述“无源电路部条件”，在N次谐波下输出寄生电容Cds与无源电路部50的合成阻抗变大。其结果，通过无源电路部50而抑制N倍的时钟频率成分的电流在开关元件10中流过。因此，可减少由开关动作引起的在开关元件10中消耗的多余的电力。若无源电路部50以满足“无源电路部条件”的方式构成，则无源电路部50可为由至少一个电抗元件构成的二端口网络。此外，无源电路部50可为由至少一个传输线路(包括短截线(stub)的情况)构成的二端口网络。对无源电路部50的具体例在下面叙述。
[0051]谐振电路部60为在作为脉冲信号的PWM信号Sp的时钟频率&的N倍的频率下谐振的电路。作为谐振状态的例子，从负载电路40侧观察的(或从负载电路40侧观察的情况下的)谐振电路部60的阻抗的实部及虚部在N倍的时钟频率小于负载电路40的阻抗即可。
[0052]在图1中，作为一例，表示有将作为电抗元件的电感器及电容器串联连接而成的M个谐振元件61i~61m并联而成的电路部。各谐振元件61i~61m的一端在将输出端口 P与漏极端子13连接的信号路径上在第二端50b与输出端口 P之间连接。各谐振元件~61?的另一端接地。M个谐振元件6^~61M中的至少一个谐振元件所包括的电感器及电容器各自的元件值为在时钟频率的N倍的频率下谐振的元件值。
[0053]在该构成中，在时钟频率&的N倍的频率下开关元件10进行开关动作的情况下，在谐振电路部60中发生谐振。通过该谐振，谐振电路部60的阻抗的实部及虚部变得小于负载电路40的阻抗，因此与负载电路40相比，电流更容易流向谐振电路部60侧。即，通过开关元件10进行开关动作，对负载电路40施加的电压可具有的时钟频率feK的N倍的频率成分接近于零。因此，在时钟频率&的N次谐波中，可减少由负载电路40引起的多余的能量消耗。
[0054]如上所述，由于在包括无源电路部50及谐振电路部60的开关电路I中，可减少多余的电力消耗，其结果，可实现功率效率的提升。
[0055]以下，例示各种方式的同时对无源电路部50及谐振电路部60的构成具体地进行说明。
[0056](第一实施方式)
[0057]在本实施方式中，将开关电路I也称为开关电路1A。此外，将无源电路部50及谐振电路部60分别称为无源电路部50A及谐振电路部60A。无源电路部50A为不包括电阻且由至少一个电抗构成的二端口网络。如图1所例示，谐振电路部60A为M个谐振元件61^~6 Im的并联电路。
[0058]在该情况下，无源电路部50A的阻抗Z仅为虚部。无源电路部50A以其阻抗Z的虚部Zimg满足上述“无源电路部条件”的方式设计。即，在本实施方式中，无源电路部50A以在时钟频率fa中无源电路部50A与输出寄生电容Cds的合成阻抗成为无限大的方式设计。在该情况下，由于无源电路部50的阻抗的虚部Zimg与输出寄生电容Cds的电抗的绝对值相等，所以满足“无源电路部条件”。以下，将无源电路部50A对于N倍的频率的电抗设为作为角频率ω的函数的ΧΝ(ω)进行说明。此处，例示N的具体数值而对无源电路部50Α进行说明，但关于元件的标号，有时也标注相同的标号。然而，各元件的元件值设定为与所例示的N的值对应的数值。
[0059]首先，对N=I的情况进行说明。N与M并非必需一致，在以下的说明中，设为N=I且M=10图3是表示元件数最少且N=I的情况下的无源电路部的设计条件的图。图3中的横轴表示角频率ω，纵轴表示电抗(Ω)。图3中的实线表示无源电路部50Α的电抗X1(O)，单点划线为基于输出寄生电容Cds的电抗的绝对值的输出寄生电容Cds的电抗曲线。由于图3所示的电抗X1(Q)为一次函数，所以以下式表示。
[0060][数I]
[0061]J-X1(O)=J-CoL510-(I)
[0062]具有式⑴所示的电抗曲线的无源电路部50Α如图4所示那样可由一个作为线圈的电感器510构成。图4是表示N=I的情况下的开关电路的构成的一例的图。负载电路40表示为电阻。式⑴中的L51tlS电感器510的元件值(电感)。在将与时钟频率fa对应的角频率设为ωεκ的情况下，作为无源电路部50Α的电感器510所满足的条件如下所述。
[0063][数2]
[0064]X1(O) =0...(2a)
[0065]
【权利要求】
1.一种开关电路，包括: 开关元件，具有第一端子及第二端子，且通过脉冲信号驱动而开关所述第一端子及第二端子的导通状态； 电源部，对所述开关元件的所述第一端子供给电压； 负载电路，与所述电源部并联连接； 无源电路部，连接于所述电源部和所述负载电路的连接点与所述开关元件的所述第一端子之间，且在所述脉冲信号的时钟频率的N倍的频率下，抑制从所述连接点流向所述开关元件的电流，其中，N为I以上的整数；及 谐振电路部，连接于所述无源电路部与所述连接点之间，且在所述N倍的频率下谐振。
2.如权利要求1的开关电路，其中， 从所述开关元件侧观察的所述无源电路部的阻抗的虚部大于零，且为所述开关元件的输出寄生电容的电抗的绝对值的2倍以下。
3.如权利要求1或2的开关电路，其中， 从所述负载电路侧观察的所述谐振电路部的阻抗的实部及虚部在所述N倍的时钟频率下小于所述负载电路的阻抗。
4.如权利要求1至3的任一项所述的开关电路，其中， 所述脉冲信号是所述脉冲信号的脉冲宽度的占空比通过具有比所述时钟频率低的频率成分的信号而随时间调制的信号。
5.如权利要求1至4的任一项所述的开关电路，其中， 所述无源电路部由至少一个电抗元件构成，且具有与所述开关元件的所述第一端子连接的第一端及与所述连接点连接的第二端。
6.如权利要求1至4的任一项所述的开关电路，其中， 所述无源电路部由至少一个传输线路构成，且具有与所述开关元件的所述第一端子连接的第一端及与所述连接点连接的第二端。
7.如权利要求1至6的任一项所述的开关电路，其中， 所述谐振电路部具备由至少一个电抗元件串联连接而成的M个谐振元件，其中，M为I以上的整数， 所述M个谐振元件中的至少一个谐振元件在所述时钟频率的N倍的频率下谐振。
8.如权利要求1至6的任一项所述的开关电路，其中， 所述谐振电路部包括M条传输线路，其中，M为I以上的整数， 所述M条传输线路中的至少一条传输线路具有与所述时钟频率的N倍的频率对应的波长的1/4的电气长度。
【文档编号】H03F3/217GK103548258SQ201280024953
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年4月2日 优先权日:2011年6月27日
【发明者】初川聪, 志贺信夫, 藤川一洋, 大平孝, 和田和千, 鸟仁图雅, 石冈和也, 泽田和志 申请人:住友电气工业株式会社, 国立大学法人丰桥技术科学大学