(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力直流電圧を入力する入力部と、前記入力部に両端が接続された第１の分枝と、出力直流電圧を出力する出力部と、前記出力部に両端が接続された第２の分枝と、前記出力部に両端が接続され、インダクタを前記第１の分枝と共有する第３の分枝と、を有し、
前記第１の分枝は、直列に接続された第１のスイッチと、前記インダクタと、第２のスイッチと、を有し、
前記第２の分枝は、出力コンデンサを有し、
前記第３の分枝は、直列に接続された第１の整流器と、前記インダクタと、第２の整流器と、を有する昇降圧コンバータであって、
前記第１及び第２のスイッチのオンオフを調整して前記出力直流電圧を制御する制御部と、
前記第１のスイッチに流れる電流を検出する電流検出部と、
前記入力直流電圧が前記出力直流電圧以上の時に、前記電流検出部の出力値が、前記入力直流電圧又は前記出力直流電圧の関数である第１の電流制限値に達すると、所定の時間だけ前記第１のスイッチをオフ状態にし、前記入力直流電圧が前記出力直流電圧より低い時は動作しない第１の過電流制限部と、
前記電流検出部の出力値が、前記入力直流電圧又は前記出力直流電圧の関数である第２の電流制限値に達すると、所定の時間だけ前記第２のスイッチをオフ状態にする第２の過電流制限部と、
を有する昇降圧コンバータ。
【請求項２】
前記第１の電流制限値は、前記入力直流電圧が高いほど大きくなるように設定され、前記第２の電流制限値は、前記入力直流電圧が高いほど小さくなるように設定された請求項１に記載の昇降圧コンバータ。
【請求項３】
前記第２の電流制限値は、前記出力直流電圧が高いほど大きくなるように設定された請求項１に記載の昇降圧コンバータ。
【請求項４】
前記入力直流電圧と前記出力直流電圧が等しい場合に、前記第１の電流制限値と前記第２の電流制限値とが等しくなるように設定された請求項２又は請求項３に記載の昇降圧コンバータ。
【請求項５】
前記電流検出部は前記第１の分枝に挿入された検出抵抗であり、
前記第１及び第２の過電流制限部は、前記入力直流電圧を分割する第１の抵抗対と、前記第１の抵抗対の内の一端が接地された抵抗と並列に接続された定電流回路とを有し、前記第１の抵抗対及び前記定電流回路の分割電圧を出力する第４の分枝を共有し、
前記第１の過電流制限部は、前記第４の分枝と、前記入力直流電圧と前記検出抵抗の出力電圧とを分割してその分割電圧を出力する第２の抵抗対と、前記第４の分枝の出力電圧と前記第２の抵抗対の出力電圧とを入力してそれらの比較結果を出力する第１の比較器と、を有し、
前記第２の過電流制限部は、前記第４の分枝と、前記出力直流電圧と前記検出抵抗の出力電圧とを分割してその分割電圧を出力する第３の抵抗対と、前記第４の分枝の出力電圧と前記第３の抵抗対の出力電圧とを入力してそれらの比較結果を出力する第２の比較器と、を有し、
前記第２の抵抗対と前記第３の抵抗対の分割比が等しくなるように設定された請求４に記載の昇降圧コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリ等の直流電圧を入力して制御された直流電圧を負荷に供給する昇降圧コンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
出力直流電圧よりも高い電圧から低い電圧まで変化する入力直流電圧を入力し、一定の出力直流電圧を出力する昇降圧コンバータが、各種電子機器に用いられている。昇降圧コンバータとしては、特許第１２１０６９６号公報に記載されたものが知られている。これを従来例１の昇降圧コンバータとして図６に示す。図６において、従来例１の昇降圧コンバータ６０１の入力部１には、電圧Ｅｉの直流電源１３が接続されており、その出力部８には負荷１４が接続されている。昇降圧コンバータ６０１は、入力部１、第１のスイッチ２、ダイオードからなる第１の整流器３、インダクタ４、第２のスイッチ５、ダイオードからなる第２の整流器６、出力コンデンサ７及び出力部８を有する。出力部８は、電圧Ｖｏの出力直流電圧を負荷１４に供給する。
【０００３】
入力部１は、従来例及び実施例において直流電源１３と昇降圧コンバータとを接続する端子である。しかしこれに限られず入力部１は、１つのプリント基板上に配置された電池等の直流電源と昇降圧コンバータとを接続する導体経路等であっても良い。同様に出力部８は、従来例及び実施例において昇降圧コンバータと負荷１４とを接続する端子である。しかしこれに限られず出力部８は、１つのプリント基板上に配置された昇降圧コンバータと負荷とを接続する導体経路等であっても良い。
【０００４】
第１のスイッチ２と第２のスイッチ５は、制御部６１によって、それぞれデューティ比δ１、δ２で周期的にオンオフされる（１周期の時間長を１とする。）。これらデューティ比の関係は１≧δ１＞δ２≧０とし、さらに、第２のスイッチ５のオン期間は第１のスイッチ２のオン期間のみに発生するように設定される。まず、第１のスイッチ２と第２のスイッチ５がともにオン状態の時、インダクタ４には入力直流電圧Ｅｉが印加され、磁気エネルギーが蓄えられていく。次に、第１のスイッチ２がオン状態で、第２のスイッチ５がオフ状態の時は、インダクタ４には入力直流電圧Ｅｉと出力直流電圧Ｖｏとの差Ｅｉ−Ｖｏが印加され、電流は第２の整流器６を介して出力コンデンサ７へ流れる。そして、第１のスイッチ２と第２のスイッチ５がともにオフ状態の時には、インダクタ４は出力直流電圧Ｖｏが印加され、蓄積した磁気エネルギーを放出する電流源として機能する。インダクタ４の出力電流は第２の整流器６を介して出力コンデンサ７及び負荷１４に流れ、第１の整流器３を通じてインダクタ４に戻る。この状態が終わると、再び第１のスイッチ２と第２のスイッチ５がともにオン状態となる。
【０００５】
以上のような動作が繰返され、インダクタ４に蓄積・放出される磁気エネルギーが均衡している時、次式が成り立つ。
Ｖｏ／Ｅｉ＝δ１／（１−δ２）
制御部６１がδ１及びδ２を調整することにより、出力直流電圧Ｖｏを入力直流電圧Ｅｉに対し、理論上任意の電圧値に制御できる。以後、このような動作状態を昇降圧モードと呼ぶ。また、第１のスイッチ２が常時オン状態の場合、δ１＝１であるから昇降圧コンバータはＶｏ＞Ｅｉの昇圧コンバータの変換特性を示す。以後、このような動作状態を昇圧モードと呼ぶ。さらに、第２のスイッチ５が常時オフ状態の場合、δ２＝０であるから昇降圧コンバータはＶｏ＜Ｅｉの降圧コンバータの変換特性を示す。以後、このような動作状態を降圧モードと呼ぶ。制御部６１は入力直流電圧Ｅｉを検知し、Ｅｉが制御したい出力直流電圧値Ｅｏよりも高い場合は降圧モード、低い場合は昇圧モード、所定の差異内にある場合は昇降圧モードを選択するものとする。
【０００６】
昇降圧コンバータは、出力端の短絡等の異常事態により容易に破壊されないように過電流保護機能を有することが好ましい。図７ａ、図７ｂ、図８ａ及び図８ｂを用いて、過電流保護機能を有する従来例２及び従来例３の昇降圧コンバータを説明する。
図７ａは従来例２の昇降圧コンバータ７０１の構成を示す図である。従来例２の昇降圧コンバータ７０１は、過電流を検出する抵抗７２、及び制御部６１に代えて制御部７１を有する点で、従来例１の昇降圧コンバータ６０１と異なる。それ以外の点は同一である。図７ａにおいて、図６と同一のブロックには同一の符号を付している。図６と同一ブロックについては説明を省略する。
図７ａにおいて、抵抗７２は、昇降圧コンバータ７０１の出力電流を検出する。制御部７１は、従来例１の制御部６１と同様の機能を有する他、抵抗７２の両端電圧を入力し、抵抗７２での電圧降下が所定値（一定値）を越えないようにδ１とδ２の値を制限する。昇降圧コンバータに限らず、最も一般的な過電流保護の方法である。図７ｂはその垂下特性である。
【０００７】
図８ａは従来例３の昇降圧コンバータ８０１の構成を示す図である。従来例３の昇降圧コンバータ８０１は、過電流を検出する抵抗８２、８３、及び制御部６１に代えて制御部８１を有する点で、従来例１の昇降圧コンバータ６０１と異なる。それ以外の点は同一である。図８ａにおいて、図６と同一のブロックには同一の符号を付している。図６と同一ブロックについては説明を省略する。
図８ａにおいて、抵抗８２は第１のスイッチ２を流れる電流を検出する。同様に抵抗８３は第２のスイッチ５を流れる電流を検出する。制御部８１は、従来例１の制御部６１と同様の機能を有する他、抵抗８２の両端電圧及び抵抗８３の両端電圧を入力し、抵抗８２、８３での電圧降下が所定値（一定値）に達するとスイッチを強制的にオフ状態にする。高周波でスイッチングするスイッチの１スイッチング周期ごとに過電流動作するため、パルスバイパルス過電流保護と呼ばれる方法である。保護機能が高速に応答できるスイッチの過電流保護の方法として、昇降圧コンバータに限らず、一般的な過電流保護の方法である。図８ｂはその垂下特性である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７ａに示した従来例２の昇降圧コンバータの過電流保護方法では、スイッチの過電流保護としては応答が遅いという問題点がある。また、図８ａに示した従来例３の昇降圧コンバータの過電流保護方法では、各スイッチに対して保護機能が高速に応答できるが、図８ｂに示すように過電流保護機能が動作する出力電流値が入力電圧によって変動し、垂下特性も安定しないという問題点がある。例えば昇圧モードの過電流動作で、第２のスイッチ５に過電流保護が働く場合（図８ｂのＥｏ＞Ｅｉのカーブ）、出力直流電圧が垂下して入力直流電圧に等しくなると、第２のスイッチ５が常時オフ状態となる。この場合、第１のスイッチ２に過電流保護が働くまで出力電流は大きくなる。一方、昇圧モードの過電流動作で、第１のスイッチ２が過電流保護によってターンオフすると、動作モードが変わるので出力電圧もしくは出力電流が急変する。
本発明は、過電流保護機能が動作する出力電流値の入力電圧による変動を抑制し、良好な垂下特性を有するようにパルスバイパルス過電流保護機能を改善した昇降圧コンバータの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る昇降圧コンバータは下記の構成を有する。
第１の発明は、入力直流電圧を入力する入力部と、前記入力部に両端が接続された第１の分枝と、出力直流電圧を出力する出力部と、前記出力部に両端が接続された第２の分枝と、前記出力部に両端が接続され、インダクタを前記第１の分枝と共有する第３の分枝と、を有し、前記第１の分枝は、直列に接続された第１のスイッチと、前記インダクタと、第２のスイッチと、を有し、前記第２の分枝は、出力コンデンサを有し、前記第３の分枝は、直列に接続された第１の整流器と、前記インダクタと、第２の整流器と、を有する昇降圧コンバータであって、前記第１及び第２のスイッチのオンオフを調整して前記出力直流電圧を制御する制御部と、前記第１のスイッチに流れる電流を検出する電流検出部と、前記入力直流電圧が前記出力直流電圧以上の時に、前記電流検出部の出力値が、前記入力直流電圧又は前記出力直流電圧の関数である第１の電流制限値に達すると、所定の時間だけ前記第１のスイッチをオフ状態にし、前記入力直流電圧が前記出力直流電圧より低い時は動作しない第１の過電流制限部と、前記電流検出部の出力値が、前記入力直流電圧又は前記出力直流電圧の関数である第２の電流制限値に達すると、所定の時間だけ前記第２のスイッチをオフ状態にする第２の過電流制限部と、を有する昇降圧コンバータである。
【００１０】
第２の発明は、前記第１の電流制限値は、前記入力直流電圧が高いほど大きくなるように設定され、前記第２の電流制限値は、前記入力直流電圧が高いほど小さくなるように設定された第１の発明の昇降圧コンバータである。
【００１１】
第３の発明は、前記第２の電流制限値は、前記出力直流電圧が高いほど大きくなるように設定された第１の発明の昇降圧コンバータである。
【００１２】
第４の発明は、前記入力直流電圧と前記出力直流電圧が等しい場合に、前記第１の電流制限値と前記第２の電流制限値とが等しくなるように設定された第２の発明又は第３の発明の昇降圧コンバータである。
【００１３】
第５の発明は、前記電流検出部は前記第１の分枝に挿入された検出抵抗であり、前記第１及び第２の過電流制限部は、前記入力直流電圧を分割する第１の抵抗対と、前記第１の抵抗対の内の一端が接地された抵抗と並列に接続された定電流回路とを有し、前記第１の抵抗対及び前記定電流回路の分割電圧を出力する第４の分枝を共有し、前記第１の過電流制限部は、前記第４の分枝と、前記入力直流電圧と前記検出抵抗の出力電圧とを分割してその分割電圧を出力する第２の抵抗対と、前記第４の分枝の出力電圧と前記第２の抵抗対の出力電圧とを入力してそれらの比較結果を出力する第１の比較器と、を有し、前記第２の過電流制限部は、前記第４の分枝と、前記出力直流電圧と前記検出抵抗の出力電圧とを分割してその分割電圧を出力する第３の抵抗対と、前記第４の分枝の出力電圧と前記第３の抵抗対の出力電圧とを入力してそれらの比較結果を出力する第２の比較器と、を有し、前記第２の抵抗対と前記第３の抵抗対の分割比が等しくなるように設定された第４の発明の昇降圧コンバータである。
【００１４】
本発明は、過電流保護機能が動作する出力電流値の入力電圧による変動が少なく、垂下特性の良好なパルスバイパルス過電流保護機能を有する昇降圧コンバータを実現出来るという作用を有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る昇降圧コンバータの好ましい実施の形態について添付の図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
《実施例１》
図１〜４を用いて、本発明の実施例１の昇降圧コンバータを説明する。
図１は本発明に係る実施例１の昇降圧コンバータ１０１の構成を示す回路図である。図１に示すように、実施例１の昇降圧コンバータ１０１の入力部１には電圧Ｅｉの直流電源１３が接続されており、その出力部８には負荷１４が接続されている。昇降圧コンバータ１０１は、入力部１、第１のスイッチ２、ダイオードからなる第１の整流器３、インダクタ４、第２のスイッチ５、ダイオードからなる第２の整流器６、出力コンデンサ７、出力部８、制御部９、検出抵抗１００からなる電流検出部１０、第１の過電流制限部１１及び第２の過電流制限部１２を有する。出力部８は、電圧Ｖｏの出力直流電圧を負荷１４に供給する。第１のスイッチ２と第２のスイッチ５は、制御部９によって、それぞれデューティ比δ１、δ２で周期的にオンオフされる（１周期の時間長を１とする。）。これらデューティ比の関係は１≧δ１＞δ２≧０とし、さらに、第２のスイッチ５のオン期間は第１のスイッチ２のオン期間のみに発生するように設定される。
【００１７】
以上のような昇降圧コンバータとしての構成は従来のものと同様なので詳細な説明は省略する。昇降圧モードにおいて、  Ｖｏ／Ｅｉ＝δ１／（１−δ２）  の変換式が得られ、δ１＝１では昇圧モード、δ２＝０では降圧モードとなるのも同様である。制御部９は入力直流電圧Ｅｉを検知し、Ｅｉが制御したい出力直流電圧値Ｅｏよりも高い場合は降圧モード、低い場合は昇圧モード、所定の差異内にある場合は昇降圧モードを選択するものとする。
【００１８】
次に本実施例の過電流保護動作について説明する。
抵抗値Ｒを有する検出抵抗１００よりなる電流検出部１０は、第１のスイッチ２と直列に接続され、第１のスイッチ２に流れる電流Ｉによる電圧降下Ｒ・Ｉを検出信号として出力する。第１の過電流制限部１１は、入力直流電圧Ｅｉが高いほど大きくなる第１の電流制限値Ｖ１を下記の式により設定する。
Ｖ１＝ａ・Ｅｉ＋Ｖ１０                                        （１）
ａはａ＞０を満たす定数であり、入力直流電圧Ｅｉによる過電流動作設定点の変動を補正する。
第２の過電流制限部１２は、入力直流電圧Ｅｉが高いほど小さく、出力直流電圧Ｖｏが低いほど小さくなる第２の電流制限値Ｖ２を下記の式により設定する。Ｖ２＝−ｂ・Ｅｉ＋ｃ・Ｖｏ＋Ｖ２０                            （２）
ｂ，ｃはｂ＞０、ｃ＞０を満たす定数であり、入力直流電圧Ｅｉによる過電流動作設定点の変動を補正すると共に、過電流垂下特性を改善する。
【００１９】
また、第１の電流制限値Ｖ１と第２の電流制限値Ｖ２は、Ｅｉ＝Ｖｏの時に等しくなるように設定する。即ち、ａ＋ｂ−ｃ＝０  且つ、Ｖ１０＝Ｖ２０＝Ｖ０として、  Ｖ１＝ａ・Ｅｉ＋Ｖ０，  Ｖ２＝−ｂ・Ｅｉ＋（ａ＋ｂ）Ｖｏ＋Ｖ０とする。このように設定すると、
Ｖ１−Ｖ２＝（ａ＋ｂ）（Ｅｉ−Ｖｏ）                          （３）
となるので、Ｅｉ≧Ｖｏ  においては  Ｖ１≧Ｖ２  となる。
第１の過電流制限部１１は、入力直流電圧Ｅｉと出力直流電圧Ｖｏを検知し、Ｅｉ≧Ｖｏの場合に、第１の電流制限値Ｖ１と検出信号Ｒ・Ｉを比較し、検出信号が第１の電流制限値に達すると第１のスイッチ２をオフ状態にする指令を制御部９に伝送する。制御部９は、第１のスイッチ２をオフ状態にする。第１の過電流制限部１１は、Ｅｉ＜Ｖｏの場合に動作しない。
また、第２の過電流制限部１２は、検出信号Ｒ・Ｉを第２の電流制限値Ｖ２と比較し、検出信号Ｒ・Ｉが第２の電流制限値Ｖ２に達すると第２のスイッチ５をオフ状態にするする指令を制御部９に伝送する。制御部９は、第２のスイッチ５をオフ状態にする。
【００２０】
まず、入力直流電圧Ｅｉ＞制御したい出力直流電圧Ｅｏ（目標出力直流電圧）の降圧モードにおける過電流保護動作を説明する。出力電流が過大となり、検出信号Ｒ・Ｉが第１の制限信号Ｖ１に達すると第１のスイッチ２がオフ状態にされる。第１のスイッチ２のオン時間が、制御部９によって設定されるよりも短くなるので、実際の出力直流電圧Ｖｏは目標出力直流電圧Ｅｏから低下する。このため制御部９は、実際の出力直流電圧ＶｏをＥｏに近づけるように（回路動作を安定化するように）第１のスイッチ２のオン時間を延ばす方向に働く。しかし、第１のスイッチ２は、第１の過電流制限部１１によって実際のオン時間は制限された動作となる。
【００２１】
一方、第２のスイッチ５は、Ｅｉ＞ＶｏであるのでＶ１＞Ｖ２となり（（３）式参照）、第１の過電流制限部１１が働くような状況では、既に第２の過電流制限部１２が動作して、結果的に第２のスイッチ５は常時オフ状態となる。あるいは、制御部９の機能として、降圧モードとなる入力直流電圧Ｅｉでは、第２のスイッチ５を常時オフ状態としてもよい。
【００２２】
第１の過電流制限部１１によって制限される電流値をＩｐ１（＝Ｖ１／Ｒ）、インダクタ４のインダクタンスをＬ、スイッチング周期をＴとすると、降圧モードにおいて、出力電流Ｉｏは次式で表される。
Ｉｏ＝Ｉｐ１−（Ｖｏ／Ｅｉ）（Ｅｉ−Ｖｏ）Ｔ／（２Ｌ）            （４）
この式（４）はＶｏ＝Ｅｏとし、Ｉｐ１，Ｌ，Ｔを固定とすると、Ｅｉが大きいほどＩｏが小さくなる傾向を示す。
入力電圧Ｅｉが高いほど、第１のスイッチ２のデューティδ１は小さくなり、第１のスイッチ２を流れる電流のピーク値は高くなる。入力電圧Ｅｉの変動にかかわらず過電流動作点となる出力電流Ｉｏを一定に保つことが好ましい。実施例１においては、Ｅｉが大きいほど制限電流値Ｉｐ１を大きくすることにより、過電流動作点となる出力電流ＩｏのＥｉによる変動を抑制できる。第１の電流制限値Ｖ１を、入力直流電圧Ｅｉが高いほど大きくなるように  Ｖ１＝ａ・Ｅｉ＋Ｖ０  （１）  と設定したのはこのためである。
図２（ａ）は本発明の実施例１の昇降圧コンバータのＥｉ＞Ｅｏである場合の垂下特性を示す図である。垂下特性は、負荷１４の抵抗値を無限大から次第に小さくした場合の出力電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏとの関係を意味する。式（４）において、ＶｏはＥｏから０へ変動する。Ｖｏの低下とともにＩｏは一旦減少した後に再び増加し、Ｖｏ＝０でＩｏ＝Ｉｐ１となる。
【００２３】
次に、昇降圧モードで、Ｅｉ≧Ｅｏの場合の過電流保護動作を説明する。Ｅｉ≧ＶｏよりＶ１≧Ｖ２が成立する（（３）式参照）。出力電流Ｉｏが過大となり、検出信号Ｒ・Ｉが第２の制限信号Ｖ２に達すると第２のスイッチ５がオフ状態にされる。第２のスイッチ５のオン時間が、制御部９によって設定されるよりも短くなるので、実際の出力直流電圧Ｖｏは目標出力直流電圧Ｅｏから低下する。このため制御部９は実際の出力直流電圧Ｖｏを目標直流電圧Ｅｏに近づけるように、第１のスイッチ２及び第２のスイッチ５のオン時間を延ばす方向に働く。しかし、第２のスイッチ５のオン時間は第２の過電流制限部１２によって制限されるため、延びるのは第１のスイッチ２のオン時間のみである。
【００２４】
更に出力電流Ｉｏが増大すると、やがて検出信号Ｒ・Ｉが第１の制限信号Ｖ１に達し、第１のスイッチ２がオフ状態にされるようになる。このように検出信号Ｒ・Ｉが第１の電流制限値Ｖ１に達するような状況では、第１のスイッチ２のオフ状態が終了して再び各スイッチがオン状態になろうとする際、インダクタ４が過大な出力電流Ｉｏを流し続けている故に、検出信号Ｒ・Ｉが第２の電流制限値Ｖ２以上になっている。即ち、結果的に第２のスイッチ５は常時オフ状態となる。従って、この場合の過電流保護動作は前述の降圧モードの場合と同様になる。
【００２５】
昇降圧モードでＥｉ＜Ｅｏの場合の過電流保護動作を説明する。Ｅｉ＜ＶｏよりＶ１＜Ｖ２が成立する（（３）式参照）。出力電流Ｉｏが過大となり、検出信号Ｒ・Ｉが第２の電流制限値Ｖ２に達すると第２のスイッチ５がオフ状態にされる。第２のスイッチ５のオン時間が、制御部９によって設定されるよりも短くなるので、実際の出力直流電圧Ｖｏは目標出力直流電圧Ｅｏから低下する。このため制御部９は実際の出力直流電圧Ｖｏを目標直流電圧Ｅｏに近づけるように、第１のスイッチ２及び第２のスイッチ５のオン時間を延ばす方向に働く。しかし、第２のスイッチ５のオン時間は第２の過電流制限部１２によって制限されるため、延びるのは第１のスイッチ２のオン時間のみである。しかしＥｉ＜Ｖｏであるため、第１の過電流制限部１１は動作せず、第１のスイッチ２は常時オン状態の昇圧モードになる。従って、昇降圧モードでＥｉ＜Ｅｏの場合の過電流保護動作は、次に説明する昇圧モードの過電流保護動作と同様になる。
【００２６】
昇圧モード（Ｅｉ＜Ｖｏ）の過電流保護動作を説明する。Ｅｉ＜Ｖｏにおいては、第１の過電流制限部１１は動作しない。出力電流Ｉｏが過大となり、検出信号Ｒ・Ｉが第２の電流制限値Ｖ２に達すると第２のスイッチ５がオフ状態にされる。第２のスイッチ５のオン時間が、制御部９によって設定されるよりも短くなるので、実際の出力直流電圧Ｖｏは目標出力直流電圧Ｅｏから低下する。このため制御部９は実際の出力直流電圧Ｖｏを目標直流電圧Ｅｏに近づけるように、第２のスイッチ５のオン時間を延ばす方向に働く。しかし、第２のスイッチ５は、第２の過電流制限部１２によって実際のオン時間は制限された動作となる。一方、第１のスイッチ２は、常時オン状態のままである。第２の過電流制限部１２によって制限される電流値をＩｐ２（＝Ｖ２／Ｒ）とすると、昇圧モードにおいて、出力電流Ｉｏは次式で表される。
Ｉｏ＝（Ｅｉ／Ｖｏ）｛Ｉｐ２−（Ｅｉ／Ｖｏ）（Ｖｏ−Ｅｉ）Ｔ／（２Ｌ）｝（５）この式（５）は、Ｖｏ＝Ｅｏとし、Ｉｐ１，Ｌ，Ｔを固定とすると、Ｅｉが大きいほどＩｏが大きくなる傾向を示す。実施例１においては、Ｅｉが大きいほど制限電流値Ｉｐ２を小さくすることにより（（２）式参照）、過電流動作点となる出力電流ＩｏのＥｉによる変動を抑制できる。
【００２７】
また、垂下特性は、ＶｏをＥｏから低下させることにより得ることができる。Ｉｐ２が固定値の場合、Ｖｏの低下とともにＩｏは大きくなる。やがてＶｏ＝Ｅｉ  で  Ｉｏ＝Ｉｐ２  となり、第２のスイッチ５は常時オフ状態となる。垂下特性を改善するには、Ｖｏの低下とともに制限電流値Ｉｐ２を小さくすればよい。第２の電流制限値Ｖ２を、入力直流電圧Ｅｉが高いほど小さく、そして出力直流電圧Ｖｏが低いほど小さくなるように  Ｖ２＝−ｂ・Ｅｉ＋（ａ＋ｂ）Ｖｏ＋Ｖ０  （２）と設定したのはこのためである。
【００２８】
出力直流電圧Ｖｏが低下して、入力直流電圧Ｅｉに至ると、第１の過電流制限部１１が動作するようになる。この時、第１の電流制限値Ｖ１は第２の電流制限値Ｖ２と等しいので、常時オン状態であった第１のスイッチ２がターンオフするようになる。即ち、降圧モードの過電流垂下特性となる。Ｖｏ＝Ｅｉの時にＶ１＝Ｖ２となるように設定したのは、昇圧モードの過電流動作から降圧モードの過電流動作へ連続的に切換わるようにするためである。
図２（ｂ）は本発明の実施例１の昇降圧コンバータのＥｉ＜Ｅｏである場合の垂下特性を示す図である。
【００２９】
図３は第１の過電流制限部１１の具体的な回路構成を示す。第１の過電流制限部１１は、抵抗１１０及び１１１、定電流回路１１２、比較器１１３及び１１４を有する。抵抗１１０、１１１の抵抗値をそれぞれ、Ｒ１１０，Ｒ１１１とし、定電流回路１１２の電流をＩ１とする。抵抗１１０及び１１１並びに定電流回路１１２は、入力直流電圧を分割し、分割電圧を出力する。比較器１１３は、当該分割電圧をその非反転入力端子に入力し、検出抵抗１００の出力電圧（入力直流電圧から検出抵抗１００で電圧降下した電圧）を反転入力端子に入力し、それらの比較結果を制御部９に出力する。検出抵抗１００の出力電圧が抵抗１１０等の分割電圧より低くなると（検出抵抗１００での降下電圧Ｒ・Ｉが、抵抗１１０での降下電圧Ｖ１より低くなると）、比較器１１３はＨｉｇｈレベル（過電流検出信号）を出力する。比較器１１３の出力がＨｉｇｈになると、制御部９は第１のスイッチ２をオフ状態とし、スイッチング周期の残りをオフ状態に維持する。
【００３０】
抵抗１１０での降下電圧Ｖ１（過電流制限閾値）は、  Ｖ１＝Ｒ１１０（Ｅｉ＋Ｒ１１１・Ｉ１）／（Ｒ１１０＋Ｒ１１１）である。これと（１）式とを比較すると、Ｒ１１０／（Ｒ１１０＋Ｒ１１１）＝ａ，Ｒ１１０・Ｒ１１１・Ｉ１／（Ｒ１１０＋Ｒ１１１）＝Ｖ０  となる。実施例１においては、これらの等式が成立するようにＲ１１０、Ｒ１１１、Ｉ１の値を決定している。
【００３１】
比較器１１４は、出力直流電圧Ｖｏをその非反転入力端子に入力し、入力直流電圧Ｅｉをその反転入力端子に入力し、それらの比較結果を出力する。比較器１１４の出力端子は、比較器１１３の非反転入力端子に接続されている。入力直流電圧Ｅｉ＜出力直流電圧Ｖｏ  の時比較器１１４がＬｏｗレベルを出力し（実施例１の比較器１１４はオープンコレクタ出力である。）、比較器１１３の非反転入力端子の電圧は０Ｖになる。これにより比較器１１３はＬｏｗレベル（過電流ではない状態を示す。）を出力する。比較器１１４により、第１の過電流制限部１１は、入力直流電圧Ｅｉ＜出力直流電圧Ｖｏ  の時に動作しない。
【００３２】
図４は第２の過電流制限部１２の具体的な回路構成を示す。第２の過電流制限部１２は、抵抗１２０〜１２３、カレントミラーを構成するＰＮＰトランジスタ１２４及び１２５（その電流値は、（Ｅｉ−Ｖｂｅ）／Ｒ１２２）、カレントミラーを構成するＮＰＮトランジスタ１２６及び１２７（その電流値は、（Ｖｏ−Ｖｂｅ）／Ｒ１２３）、定電流回路１２８、比較器１２９で構成される。抵抗１２０と１２２と１２３の抵抗値をそれぞれ、Ｒ１２０，Ｒ１２２，Ｒ１２３とし、定電流回路１２８の電流をＩ２とし、トランジスタのベース・エミッタ電圧をＶｂｅする。抵抗１２０での降下電圧Ｖ２（過電流制限閾値）は、  Ｖ２＝Ｒ１２０（−Ｅｉ／Ｒ１２２＋Ｖｏ／Ｒ１２３＋Ｉ２＋Ｖｂｅ／Ｒ１２２−Ｖｂｅ／Ｒ１２３）となる。これと（２）式とを比較すると、Ｒ１２０／Ｒ１２２＝ｂ，Ｒ１２０／Ｒ１２３＝ａ＋ｂ，Ｒ１２０（Ｉ２＋Ｖｂｅ／Ｒ１２２−Ｖｂｅ／Ｒ１２３）＝Ｖ０である。実施例１においては、これらの等式が成立するように各素子の値を決定している。
【００３３】
この電圧Ｖ２と検出抵抗１００での電圧降下Ｒ・Ｉを、比較器１２９が比較する。比較器１２９の出力がＨｉｇｈレベル（過電流検出信号）になると、制御部９は第２のスイッチ５をオフ状態とし、スイッチング周期の残りをオフ状態に維持する。
以上のように本実施例による昇降圧コンバータは、過電流保護機能が動作する出力電流値の入力電圧による変動を抑制することができ、さらに良好な垂下特性を有する。
【００３４】
《実施例２》
図５を用いて、本発明の実施例１の昇降圧コンバータを説明する。
図５は本発明に係る実施例２の昇降圧コンバータの構成のうち、第１及び第２の過電流制限部に相当する部分の回路図である。その他の部分については、図１に示した実施例１の昇降圧コンバータと同様であるので省略した。本実施例２の昇降圧コンバータでは、第１及び第２の過電流制限部が共有する部分がある。以下のその動作を説明する。
本実施例２の昇降圧コンバータの過電流制限部は、抵抗１３０〜１３５、定電流回路１３６、比較器１３７〜１３９を有する。第１及び第２の過電流制限部が共有する部分は、抵抗１３０と抵抗１３１と定電流回路１３６である。抵抗１３０と１３１の抵抗値をそれぞれ  Ｒ１３０，Ｒ１３１とし、抵抗分割比ｋ＝Ｒ１３０／（Ｒ１３０＋Ｒ１３１）とし、定電流回路１３６の電流をＩｘとすると、抵抗１３０の電圧降下Ｖｘは、Ｖｘ＝ｋ（Ｅｉ＋Ｒ１３１・Ｉｘ）となる。Ｅｉ−Ｖｘが比較器１３７及び比較器１３８の非反転入力端子に接続される。
【００３５】
第１の過電流制限部に相当する部分は、上記共有部分と抵抗１３２と抵抗１３３と比較器１３７である。検出抵抗１００での電圧降下Ｒ・Ｉは抵抗１３２と抵抗１３３で分割される。各抵抗値をそれぞれ  Ｒ１３２，Ｒ１３３とし、分割比ｋ１＝Ｒ１３３／（Ｒ１３２＋Ｒ１３３）とすると、抵抗１３３の電圧降下Ｖ３は、Ｖ３＝ｋ１・Ｒ・Ｉとなる。（Ｅｉ−Ｖ３）が比較器１３７の反転入力端子に接続される。比較器１３７の出力がＨｉｇｈレベル（過電流検出信号）になると、制御部９は第１のスイッチ２をオフ状態とし、スイッチング周期の残りをオフ状態に維持する。従って、第１の電流制限値Ｖ１は、Ｖ１＝Ｒ・Ｉｐ１＝（ｋ／ｋ１）（Ｅｉ＋Ｒ１３１・Ｉｘ）となる。実施例１と同様に、Ｖ１＝ａ・Ｅｉ＋Ｖ０とすると、ｋ／ｋ１＝ａ，（ｋ／ｋ１）（Ｒ１３１・Ｉｘ）＝Ｖ０となる。実施例２においては、これらの等式が成立するように各素子の値を決定している。
【００３６】
比較器１３９は、出力直流電圧Ｖｏをその非反転入力端子に入力し、入力直流電圧Ｅｉをその反転入力端子に入力し、それらの比較結果を出力する。比較器１３７及び１３９の出力端子は共通の線に接続されている（実施例１においては比較器１３７〜１３９はオープンコレクタ出力である。）。入力直流電圧Ｅｉ＜出力直流電圧Ｖｏ  の時比較器１３９がＬｏｗレベルを出力し、比較器１３７及び１３９の出力端子の電圧はＬｏｗレベル（過電流ではない状態を示す。）になる。比較器１３９により、第１の過電流制限部１１は、入力直流電圧Ｅｉ＜出力直流電圧Ｖｏ  の時に動作しない。
【００３７】
次に、第２の過電流制限部に相当する部分は、上記共用部分と抵抗１３４と抵抗１３５と比較器１３８である。抵抗１３４及び１３５は、検出抵抗１００の出力電圧と昇降圧コンバータの出力部８の出力電圧Ｖｏとを入力して分割し、分割電圧を出力する。各抵抗値をそれぞれ  Ｒ１３４，Ｒ１３５とし、分割比ｋ２＝Ｒ１３５／（Ｒ１３４＋Ｒ１３５）すると、抵抗１３４の電圧降下Ｖ４は、Ｖ４＝（１−ｋ２）・（Ｅｉ−Ｒ・Ｉ−Ｖｏ）となる。比較器１３８は、その非反転入力端子に抵抗１３０、１３１及び定電流回路１３６の分割電圧を入力し、その反転入力端子に抵抗１３４及び１３５の分割電圧（Ｅｉ−Ｒ・Ｉ−Ｖ４）を入力し、比較結果を出力する。比較器１３７の出力がＨｉｇｈ（過電流検出信号）になると、制御部９は第２のスイッチ５をオフ状態とし、スイッチング周期の残りをオフ状態に維持する。従って、第２の電流制限値Ｖ２は、Ｖ２＝Ｒ・Ｉｐ２＝｛（ｋ−１＋ｋ２）／ｋ２｝・Ｅｉ＋｛（１−ｋ２）／ｋ２｝・Ｖｏ＋（ｋ／ｋ２）（Ｒ１３１・Ｉｘ）となる。実施例１と同様に、Ｖ２＝−ｂ・Ｅｉ＋（ａ＋ｂ）Ｖｏ＋Ｖ０とすると、（ｋ−１＋ｋ２）／ｋ２＝−ｂ，（１−ｋ２）／ｋ２＝ａ＋ｂ，（ｋ／ｋ２）（Ｒ１３１・Ｉｘ）＝Ｖ０となる。ここで、ｋ１＝ｋ２であれば、以上の各式が矛盾無く成立する。実施例２においては、これらの等式が成立するように各素子の値を決定している。
以上のように本実施例による昇降圧コンバータは、安価で簡単な回路構成によって、過電流保護機能が動作する出力電流値の入力電圧による変動を抑制するとともに、良好な垂下特性を示す過電流制限部を有する。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、過電流保護機能が動作する出力電流値の入力電圧による変動が少なく、良好な垂下特性の過電流制限部を具備する昇降圧コンバータを実現できるという有利な効果が得られる。
また、本発明によれば過電流保護機能が改善されることにより、構成部品の電流ストレスが軽減されるので、安価で小型な昇降圧コンバータを実現できるという有利な効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の昇降圧コンバータの構成を示す回路図
【図２】図２（ａ）は本発明の実施例１の昇降圧コンバータのＥｉ＞Ｅｏである場合の垂下特性を示す図、図２（ｂ）はそのＥｉ＜Ｅｏである場合の垂下特性を示す図
【図３】本発明の実施例１の昇降圧コンバータの第１の過電流制限部の構成を示す図
【図４】本発明の実施例１の昇降圧コンバータの第２の過電流制限部の構成を示す図
【図５】本発明の実施例２の昇降圧コンバータの第１及び第２の過電流制限部の構成を示す図
【図６】従来例１の昇降圧コンバータの構成を示す回路図
【図７ａ】従来例２の昇降圧コンバータの構成を示す回路図
【図７ｂ】従来例２の昇降圧コンバータの構成を示す回路の垂下特性を示す図
【図８ａ】従来例３の昇降圧コンバータの構成を示す回路図
【図８ｂ】従来例３の昇降圧コンバータの構成を示す回路の垂下特性を示す図
【符号の説明】
１      入力部
２      第１のスイッチ
３      第１の整流器
４      インダクタ
５      第２のスイッチ
６      第２の整流器
７      出力コンデンサ
８      出力部
９、６１、７１、８１      制御部
１０    電流検出部
１１    第１の過電流制限部
１２    第２の過電流制限部
１３    直流電源
１４    負荷
１０１、６０１、７０１、８０１  昇降圧コンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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