【手続補正書】
【提出日】平成16年12月14日(2004.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  単一基準DC/DCコンバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】  誘導性電気エネルギー蓄積手段、スイッチング手段及び制御手段を有するDC/DCコンバータであって、前記制御手段が、前記エネルギー蓄積手段からある量の電気エネルギーを前記DC/DCコンバータの出力に転送するように前記スイッチング手段を選択的に動作させて所望の出力電圧を供給するように構成されるようなDC/DCコンバータにおいて、前記制御手段が、電気エネルギーを転送するための前記スイッチング手段を最小及び最大デューティサイクルを有する2状態スイッチングサイクルに基づいて動作的に制御するように構成されることを特徴とするDC/DCコンバータ。
【請求項２】  前記制御手段は前記出力電圧を基準電圧と比較するように構成され、前記スイッチング手段は、前記出力電圧が前記基準電圧よりも低ければ次のスイッチングサイクルで前記最大デューティサイクルが用いられ、前記出力電圧が前記基準電圧よりも高ければ次のスイッチングサイクルで前記最小デューティサイクルが用いられるように制御される請求項１に記載のDC/DCコンバータ。
【請求項３】  前記出力電圧をパルス幅変調(PWM)モードスイッチングサイクルで制御するように前記制御手段が構成される請求項１又は２に記載のDC/DCコンバータ。
【請求項４】  入力電圧を受けるための第1及び第2入力端子と、
出力電圧を供給するための第1及び第2出力端子と、
第1及び第2接続端を持つと共に当該第1接続端が前記第1入力端子に接続されるコイルと、
前記コイルの前記第2接続端から前記第2入力端子に伝導経路を設けるように動作的に接続される第1スイッチング手段と、
前記コイルの前記第2接続端から前記第1出力端子に伝導経路を設けるように動作的に接続される第2スイッチング手段と、
前記第2スイッチング手段に並列に接続されると共に前記コイルの前記第2接続端から前記第1出力端子に伝導経路を設けるように動作的に接続されるダイオード手段と、
前記第1出力端子と前記第2出力端子との間に接続されるキャパシタ手段と、
前記第1及び第2スイッチング手段を、閉状態即ち伝導状態と開状態即ち非伝導状態とに動作的にスイッチングするように構成された制御手段と、
前記出力電圧を前記基準電圧と比較して、前記最小及び最大デューティサイクルに基づいて前記スイッチング手段をスイッチングするために制御信号を前記制御手段に供給するように構成されるコンパレータ手段と、を有する請求項１、２又は３に記載のDC/DCコンバータ。
【請求項５】  前記スイッチング手段が半導体スイッチング手段、特にMOS(金属酸化物半導体)トランジスタ手段を有する請求項２、３又は４に記載のDC/DCコンバータ。
【請求項６】  前記DC/DCコンバータの入力端子における入力電圧よりも高い出力電圧を前記DC/DCコンバータの出力端子において供給するアップコンバージョンモードで動作するように前記制御手段が構成される請求項１乃至５のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。
【請求項７】  請求項１乃至６のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータを有する電源装置。
【請求項８】  請求項１乃至６のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータを有する携帯電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導性電気エネルギー蓄積手段、スイッチング手段及び制御手段を有するDC/DCコンバータであって、前記制御手段が、前記エネルギー蓄積手段からある量の電気エネルギーを前記DC/DCコンバータの出力に転送するように前記スイッチング手段を選択的に動作させて所望の出力電圧を供給するように構成されるようなDC/DCコンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種類のDC/DCコンバータは出願人名義の国際特許出願公開第WO95/34121号から既知である。
【０００３】
実際上は、上の種類のDC/DCコンバータは、電気エネルギーがエネルギー蓄積手段に連続的に蓄積される連続モード、即ちPWM(パルス幅変調)モードか、又は、エネルギー蓄積手段が完全に放電され得る不連続モード、即ちPFM(パルス周波数変調)モードで動作することが可能である。
【０００４】
PWMモードで動作する単一出力DC/DCコンバータにおいては、典型的なスイッチングサイクルは、エネルギーがエネルギー蓄積手段に蓄積される第1段階と、エネルギーがエネルギー蓄積手段からコンバータの出力に転送される第2段階とを有する。PWMモードで動作するDC/DCコンバータの出力電力は前記PWMモードのデューティサイクルにより制御され、このデューティサイクルは、第1段階の長さとスイッチングサイクルの長さ全体つまり第1及び第2段階の合計との比である。
【０００５】
既知のDC/DCコンバータの出力電圧を制御するには、上位出力電圧基準レベルと下位出力電圧基準レベルとを有する電圧ウィンドウが必要とされる。このような電圧ウィンドウを用いて出力電圧を制御することは、出力電圧にランダムな低周波リップルを生じさせ、当然出力電圧に広がりを生じさせる。電圧ウィンドウを低減させることによりこれらの影響は低減させることができるが、この低減は用いられる電圧コンパレータにおけるプロセスのばらつきのために制限されている。
【０００６】
リップルの大きさはエネルギー蓄積手段を充電及び放電する電流に直接関連し、コンバータが動作されるデューティサイクルに直接関連する。比較的大量の電気エネルギーがエネルギー蓄積手段に蓄積及び放電されることを意味する高いデューティサイクルは電流を増加させ、これにより出力リップルを増加させる。これに対し、低いエネルギー転送を意味する低いデューティサイクルは電流を減少させ、従って出力電圧における低い周波数リップルを減少させる。エネルギー蓄積手段が比較的高い電流を放電すると、スイッチングサイクルの第2段階中に出力電圧の比較的高い電圧降下が発生する。制御目的の出力電圧がこの第2段階中に測定されると、デューティサイクル及び放電電流は測定の精度に直接的な悪影響を与える。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、出力電圧を制御するために単一電圧基準レベルを用い、これにより電圧測定のリップル電圧への依存度を低減させるような上記の種類のDC/DCコンバータを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的は、前記制御手段が、電気エネルギーを転送するためのスイッチング手段を最小及び最大デューティサイクルを有する2状態スイッチングサイクルに基づいて動作的に制御するように構成される、本発明によるDC/DCコンバータにより解決される。
【０００９】
本発明は、出力電圧が基準電圧により設定される所望の値より上である間はコンバータはさほど重く負荷がかかっておらず、引き続きのスイッチングサイクル中にエネルギー蓄積手段にほとんどエネルギーを転送する必要がなく、これにより上に開示されるように出力において電圧リップルを低減させるという見識に基づいている。出力電圧が所望の値より下に降下した場合にのみ、出力電圧を必要なレベルまで回復させるために、引き続きのスイッチングサイクル中に、より大量の電気エネルギーがエネルギー蓄積手段に蓄積されなければならない。結果として、制御手段が単一基準電圧及び2状態デューティサイクルコントロールを用いてコンバータの非常に安定した制御を提供するという比較的簡単なデザインであり得ると同時に、全体の電圧リップルは低減される。
【００１０】
本発明の好適な実施例ではDC/DCコンバータは、
入力電圧Vinを受けるための第1及び第2入力端子と、
出力電圧Voutを供給するための第1及び第2出力端子と、
第1及び第2接続端を持つと共に当該第1接続端が前記第1入力端子に接続されるコイルと、
前記コイルの前記第2接続端から前記第2入力端子に伝導経路を設けるように動作的に接続される第1スイッチング手段と、
前記コイルの前記第2接続端から前記第1出力端子に伝導経路を設けるように動作的に接続される第2スイッチング手段と、
前記第2スイッチング手段に並列に接続されると共に前記コイルの前記第2接続端から前記第1出力端子に伝導経路を設けるように動作的に接続されるダイオード手段と、
前記第1出力端子と前記第2出力端子との間に接続されるキャパシタ手段と、
前記第1及び第2スイッチング手段を、閉状態即ち伝導状態と開状態即ち非伝導状態とに動作的にスイッチングするように構成された制御手段と、
前記出力電圧Voutを前記基準電圧Vrefと比較して、最小及び最大デューティサイクルに基づいて前記スイッチング手段をスイッチングするために制御信号を前記制御手段に供給するように構成されるコンパレータ手段と、を有する。
【００１１】
好適にはMOS(金属酸化物半導体)トランジスタ手段として構築されるスイッチング手段が用いられ、このスイッチング手段の制御端子(ゲート)は、トランジスタの伝導又は非伝導状態を制御するための制御手段と接続されている。
【００１２】
本発明によるDC/DCコンバータは、電池により電力を供給される機器等(これらに限定されるわけではない)の携帯電子機器に適用されれば特に利点を有する。
【００１３】
ここで本発明は、DC/DCアップコンバータを例示的実施例として示す添付の図を参照してより詳細に説明される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に基づく単一出力を持つDC/DCアップコンバータを示す。
【００１５】
コンバータ1は、コイルLの形を取る誘導性電気エネルギー蓄積手段と第1スイッチング手段S1とを有し、これらは第1入力端子2と第2入力端子3との間に直列に接続されている。コイルLと第1スイッチング手段S1との接続は、第2スイッチング手段S2を介して第1出力端子4に接続する。ダイオードDは第2スイッチング手段S2と並列に接続され、第1入力端子2から第1出力端子4への電流伝導経路を提供する。第2入力端子3と第2出力端子5とは共通の伝導経路、例えばアース又は電子機器の体積を通じて接続する。平滑キャパシタCは第1及び第2出力端子4、5の間に接続する。
【００１６】
コンバータ1は、入力端子2、3における入力電圧Vinに応答して制御又は調整された出力電圧Voutを出力端子4、5において供給するように動作する。この目的のため、コントローラ又は制御手段6がスイッチング順序に従って第1及び第2スイッチング手段S1及びS2を動作させるために設けられ、ここで出力電圧Voutは入力電圧Vinよりも高い。第1及び第2スイッチング手段S1及びS2の制御はそれぞれ矢印7、8で図式的に示される。
【００１７】
出力電圧Voutをコンパレータ手段の入力端子10に供給される単一基準電圧Vrefと比較するために、コンパレータ手段9が設けられる。コンパレータ手段9の出力は、矢印11により図式的に示されるように制御手段6の入力に接続する。
【００１８】
図３は、コイルLを通じる電流Iがゼロにならないような、パルス幅変調(PWM)変換における典型的なスイッチングサイクルでのコイル電流I対時間tを示す。第1段階Φ1中にはエネルギーはコイルL中に蓄積又は蓄積される一方、PWMスイッチングサイクルの第2段階Φ2では蓄積されたエネルギーはコンバータ1の出力端子4、5に出力される。第1段階Φ1では、第1スイッチング手段S1は閉じており、つまり電流伝導状態にあり、その一方で第2スイッチング手段S2は開いている、つまり非電流伝導状態にある。第1段階Φ1中には電流は電気エネルギーを蓄積しているコイルLのみを通じて流れる。この段階中には、コイルLを通じる電流Iは増加する。第2段階Φ2では、第1スイッチング手段S1は開いており第2スイッチング手段S2は閉じている。この段階では、エネルギーはコンバータ1の出力端子4、5の間に接続された負荷12に出力されるため、コイルを通じる電流Iは降下する。これは図２に示されるように出力電圧Voutにおけるリップル20を生じ、この周波数はコンバータ1のスイッチング周波数に等しい。
【００１９】
出力電圧のリップル20は出力キャパシタCの充電及び放電並びにこのキャパシタCの等価直列抵抗(ESR)を通じる電流によっても引き起こされる。リップル20の大きさは、コンバータ1のデューティサイクルにより制御されるコイル電流Iに直接関連する。
【００２０】
デューティサイクルDは、D = t1/(t1+t2)= t1/Tとして規定され、ここで、
t1=第1スイッチング手段S1が閉じている第1段階Φ1の時間の長さ、
t2=第2スイッチング手段S2が閉じている第2段階Φ2の時間の長さ、そして
T = t1 + t2である。
【００２１】
本発明によれば、制御手段6は2状態デューティサイクルに従うと共に最小値Dmin及び最大値Dmaxを持つ第1及び第2スイッチング手段S1及びS2をスイッチングするように構成され、最小値Dmin及び最大値Dmaxは次のように規定される。
【００２２】
Dmax = t1max/(t1max + t2min)
ここでt1max=t1の時間の最大長さ、t2min=t2の時間の最小長さである。
【００２３】
Dmin = t1min/(t1min + t2 max)
ここでt1min=t1の時間の最小長さ、t2max=t2の時間の最大長さである。また、
T = t1max + t2min = t1min + t2max
である。
【００２４】
図２に示されるように、出力電圧Voutは、矢印15、16、17、18、19で示されるように変換サイクルの終わり(t=T)のサンプル時点に測定される。本発明によれば、サンプル時点15及び18のようにサンプル時点において出力電圧Voutが基準レベルVrefよりも上にあれば、引き続きのスイッチングサイクルは最小デューティサイクルDminを有するようになる。サンプル時点16、17及び19で示されるようにサンプル時点において出力電圧Voutが基準電圧Vrefよりも下に降下すれば、引き続きのスイッチングサイクルは最大デューティサイクルDmaxを有するようになる。
【００２５】
従って、本発明に基づいてスイッチング手段を2状態サイクルで制御することにより、単一基準レベルVrefが出力電圧Voutを制御するように適用されることが可能である。
【００２６】
図4は本発明に基づく単一基準DC/DCコンバータ制御手段6の動作を図示する状態図を示す。
【００２７】
最大デューティサイクルDmaxの状態Φ1から開始して、サイクル中の時間tがt1maxよりも上であれば、スイッチング手段S1及びS2は最大デューティサイクルで変換サイクルの状態Φ2にスイッチングされる。これは即ち図中では状態Φ2、Dmaxである。デューティサイクルの終わり、つまりt>Tにおいて、出力電圧Voutが基準電圧Vrefよりも小さければ、つまりVout < Vrefであれば、制御手段6は最大デューティサイクルDmaxで変換サイクルに残る。
【００２８】
同様に、制御手段6が変換サイクル中に最小デューティサイクルDminで、即ち状態Φ1、Dminで動作し、t > t1minであれば、スイッチング手段S1及びS2はエネルギーがコンバータ1の出力に転送される状態Φ2にスイッチングされる。デューティサイクルの終わり、即ちt>Tには、Vout > Vrefであれば、コンバータは変換サイクルに最小デューティサイクルDminで残る。
【００２９】
変換サイクルの終わり、即ちt > Tにおいて、出力電圧がVout < Vrefであれば、制御手段は最小デューティサイクルDminの状態Φ2から最大デューティサイクルDmaxの変換サイクルの状態Φ1にスイッチングする。他方で、t > TでVout > Vrefであれば、制御手段6は、変換サイクルの状態Φ2で最大デューティサイクルDmaxから変換サイクルの状態Φ1で最小デューティサイクルDminに変化する。
【００３０】
図１に示されるDC/DCアップコンバータでは、第2スイッチング手段S2はオプションであり、DC/DCコンバータ1の電力変換効率を増加させるために用いられる。
【００３１】
本発明の原理に基づいて動作するDC/DCコンバータは、携帯電子機器13等の電子機器と共に又は電子機器の中で用いられるか、又は別個の電源装置14を形成するように構成されることができ、この両者は図１中で破線により模式的に示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に基づく単一出力DC/DCアップコンバータの回路図。
【図２】  図１に示されるDC/DCコンバータの出力における出力電圧のグラフ図。
【図３】  図１に示されるDC/DCアップコンバータの誘導エネルギー蓄積手段における電流流れのグラフ図。
【図４】  PWMモードで動作する際の図１に示されるDC/DCアップコンバータの本発明に基づくスイッチング順序のモード状態図。