(57)【要約】【課題】二次電池からの広い入力電圧範囲に対して単一の装置で動作可能であり、しかも簡素な構成のスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】電池パックを構成する二次電池１に入力端子が接続されたスイッチ回路２と、スイッチ回路の出力端子が入力端子に接続された平滑回路３と、平滑回路の出力端子が一方の入力端子に接続されたコンパレータ５と、コンパレータの他方の入力端子に接続された基準電圧源６と、スイッチ回路の制御端子とコンパレータの出力端子間に直列に接続された第１コンデンサ７とを備え、第１コンデンサを介して制御端子に入力されるコンパレータの出力に基づいてスイッチ回路の動作が制御され、平滑回路の出力が外部への出力として供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池パックを構成する二次電池に入力端子が接続されたスイッチ回路と、
前記スイッチ回路の出力端子が入力端子に接続された平滑回路と、
前記平滑回路の出力が一方の入力端子に供給されるコンパレータと、
前記コンパレータの他方の入力端子に接続された基準電圧源と、
前記スイッチ回路の制御端子と前記コンパレータの出力端子間に直列に接続された第１コンデンサとを備え、
前記第１コンデンサを介して前記制御端子に入力される前記コンパレータの出力に基づいて前記スイッチ回路の動作が制御され、前記平滑回路の出力が外部への出力として供給されることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記スイッチ回路は、第１スイッチ素子、第１ダイオード、及び第１抵抗から構成され、
前記第１スイッチ素子は、前記二次電池と前記平滑回路の間に接続され、
前記第１ダイオードは、アノードが前記第１スイッチ素子の制御端子に接続され、カソードが前記第１スイッチ素子の入力端子に接続され、
前記第１抵抗は、前記第１ダイオードと並列に接続されている請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記平滑回路は、第２ダイオード、コイル、及び第２コンデンサから構成され、
前記第２ダイオードは、アノードがグランドに接続され、カソードが前記第１スイッチ素子の出力端子と前記コイルの一端の間に接続され、
前記コイルの他端とグランド間に前記第２コンデンサが接続され、
前記コイルと前記第２コンデンサの接続点が前記平滑回路の出力端子に接続されている請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記二次電池と前記スイッチ回路の間に電圧変動抑制回路が接続されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記電圧変動抑制回路は、第２スイッチ素子、第３スイッチ素子、第２抵抗、第３抵抗、第３ダイオード、及び第２コンデンサから構成され、
前記第２抵抗は、一端が前記二次電池に接続され、他端が前記第３スイッチ素子の入力端子に接続され、
前記第２スイッチ素子は、入力端子が前記二次電池に接続され、出力端子が前記第３スイッチ素子の制御端子に接続され、制御端子が前記第３スイッチ素子の入力端子に接続され、
前記第３抵抗は、一端が前記第３スイッチ素子の制御端子に接続され、他端がグランドに接続され、
前記第３スイッチ素子の出力端子に前記第３ダイオードのアノードが接続され、
前記第３ダイオードのカソードが前記スイッチ回路の入力端子に接続され、
前記第２コンデンサは、一端が前記第３ダイオードのカソードに接続され、他端がグランドに接続されている請求項４に記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記電圧変動抑制回路は、第４抵抗、及び第５抵抗を更に備え、
前記第４抵抗は、一端が前記第３スイッチ素子の入力端子に接続され、他端が前記第２スイッチ素子の制御端子に接続され、
前記第５抵抗は、一端が前記第２スイッチ素子の制御端子に接続され、他端がグランドに接続されている請求項５に記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記電圧変動抑制回路は、第４スイッチ素子を更に備え、
前記第４スイッチ素子は、入力端子が前記第３抵抗の他端に接続され、出力端子がグランドに接続され、
前記第４スイッチ素子の制御端子は、外部のスイッチ制御部からオン・オフの制御が可能なように構成された請求項５に記載のスイッチング電源装置。
【請求項８】
前記スイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、またはＩＧＰＴのいづれかにより構成されている請求項２、５〜７のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池からの直流電圧を安定化して供給するスイッチング電源装置に関し、特に、広範囲な入力電圧に対応可能なスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個の二次電池を組にした電池パックは、直列接続する二次電池の数を多くすることにより、高い出力電圧を得ることができる。
【０００３】
電池パックには一般的に、マイコン等で構成されるＢＭＳ（battery managing system) が内蔵され、その動作電圧は、電池パックからの直流電圧をスイッチング電源装置により安定化して供給される。高電圧化した電池パックの電池電圧を安定化するスイッチング電源装置では、高電圧をスイッチングするための、ＭＯＳＦＥＴやトランジスタで代表されるスイッチ素子を、コンパレータで構成されるオン・オフを制御する低電圧回路により駆動する必要がある。
【０００４】
コンパレータ出力電圧を、スイッチ素子を駆動できる電圧にクランプするために、従来、例えば特許文献１に開示されたようなトランスを用いる方法が知られている。トランスによるスイッチ駆動回路を用いたスイッチング電源装置の一例を、図８にブロック図で示す。
【０００５】
このスイッチング電源装置は、二次電池１からの直流電圧を、スイッチ回路１００、及び平滑回路３を通して安定化し、出力端子４から負荷または電圧源に供給するように構成されている。平滑回路３の出力電圧は、コンパレータ５の一方の入力端子にも供給され、コンパレータ５の他方の入力端子には基準電圧源６の電圧が供給される。コンパレータ５の出力はスイッチ回路１００に供給され、動作の制御に用いられる。
【０００６】
スイッチ回路１００は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子８、トランス１０１、及びツェナーダイオード１０２から構成されている。トランス１０１の１次巻線の一端には、コンパレータ５の出力端子が接続され、他端は接地される。トランス１０１の２次巻線の一端にはツェナーダイオード１０２のアノードが接続され、ツェナーダイオード１０２のカソードはスイッチ素子８のゲート端子に接続されている。スイッチ素子８のソースにはトランス１０１の２次巻線の他端が接続される。
【０００７】
コンパレータ５から電圧が印加されるとトランス１０１の１次巻線の一端から他端、または他端から一端に電流が流れる。トランス１０１の１次巻線に印加される電圧に応じた電圧が２次巻線に伝達され、ツェナーダイオード１０２を介してスイッチ素子８のゲート端子に印加されて、スイッチ素子８がスイッチングする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２７９２２５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１のトランス駆動を用いて、スイッチング電源を広範囲な入力電圧に対応させる場合、入力電圧が高くなるとトランスが磁気飽和し、信号を伝達できなくなる可能性がある。これに対処するためには、入力電圧の範囲に応じた異なる定数のトランスを用いて、複数のスイッチング電源を設けることが必要となる。
【００１０】
広範囲の入力電圧をサポートするために複数のスイッチング電源を備えれば、当然、スイッチング電源の装置規模が大きくなり、コストも増加するという問題が発生する。入力電圧が、電池パックを構成する二次電池からの直流電圧である場合は、充電状態によって電圧が大きく変動するため、特に対応が困難である。
【００１１】
従って本発明は、二次電池からの広い入力電圧範囲に対して単一の装置で動作可能であり、しかも簡素な構成のスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のスイッチング電源装置は、電池パックを構成する二次電池に入力端子が接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力端子が入力端子に接続された平滑回路と、前記平滑回路の出力が一方の入力端子に供給されるコンパレータと、前記コンパレータの他方の入力端子に接続された基準電圧源と、前記スイッチ回路の制御端子と前記コンパレータの出力端子間に直列に接続された第１コンデンサとを備え、前記第１コンデンサを介して前記制御端子に入力される前記コンパレータの出力に基づいて前記スイッチ回路の動作が制御され、前記平滑回路の出力が外部への出力として供給されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成のスイッチング電源装置は、スイッチ回路に対して、スイッチ回路のオン・オフ制御のためのコンパレータの出力信号を、コンデンサ結合させることで、単一で広い入力電圧範囲で動作可能であり、従来のトランスを用いた構成と比べて簡素な装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図
【図２】同スイッチング電源装置の具体的な構成を示す回路図
【図３】実施の形態２におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図
【図４】同スイッチング電源装置の具体的な構成を示す回路図
【図５】同スイッチング電源装置の電圧変動抑制回路の動作波形を示す図
【図６】実施の形態３におけるスイッチング電源装置の構成を示す回路図
【図７】実施の形態４におけるスイッチング電源装置の構成を示す回路図
【図８】従来例のスイッチング電源装置の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のスイッチング電源装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００１６】
すなわち、前記スイッチ回路は、第１スイッチ素子、第１ダイオード、及び第１抵抗から構成され、前記第１スイッチ素子は、前記二次電池と前記平滑回路の間に接続され、前記第１ダイオードは、アノードが前記第１スイッチ素子の制御端子に接続され、カソードが前記第１スイッチ素子の入力端子に接続され、前記第１抵抗は、前記第１ダイオードと並列に接続されている構成とすることができる。
【００１７】
また、前記平滑回路は、第２ダイオード、コイル、及び第２コンデンサから構成され、前記第２ダイオードは、アノードがグランドに接続され、カソードが前記第１スイッチ素子の出力端子と前記コイルの一端の間に接続され、前記コイルの他端とグランド間に前記第２コンデンサが接続され、前記コイルと前記第２コンデンサの接続点が前記平滑回路の出力端子に接続されている構成とすることができる。
【００１８】
また、前記二次電池と前記スイッチ回路の間に電圧変動抑制回路が接続されている構成とすることができる。電圧変動抑制回路を設けることで、二次電池からの入力電圧が瞬間的に高い電圧や低い電圧に変動したときも、コンデンサとスイッチ回路の間の電圧が、入力電圧の変動に追従できるため、継続して動作することができる。また、電圧変動抑制回路は、出力側の部品破損等に起因する短絡事故による過電流を検出してしたときには安全に停止する保護回路としても動作することができる。
【００１９】
前記電圧変動抑制回路は、第２スイッチ素子、第３スイッチ素子、第２抵抗、第３抵抗、第３ダイオード、及び第２コンデンサから構成され、前記第２抵抗は、一端が前記二次電池に接続され、他端が前記第３スイッチ素子の入力端子に接続され、前記第２スイッチ素子は、入力端子が前記二次電池に接続され、出力端子が前記第３スイッチ素子の制御端子に接続され、制御端子が前記第３スイッチ素子の入力端子に接続され、前記第３抵抗は、一端が前記第３スイッチ素子の制御端子に接続され、他端がグランドに接続され、前記第３スイッチ素子の出力端子に前記第３ダイオードのアノードが接続され、前記第３ダイオードのカソードが前記スイッチ回路の入力端子に接続され、前記第２コンデンサは、一端が前記第３ダイオードのカソードに接続され、他端がグランドに接続されている構成とすることができる。
【００２０】
この構成において、前記電圧変動抑制回路は、第４抵抗、及び第５抵抗を更に備え、前記第４抵抗は、一端が前記第３スイッチ素子の入力端子に接続され、他端が前記第２スイッチ素子の制御端子に接続され、前記第５抵抗は、一端が前記第２スイッチ素子の制御端子に接続され、他端がグランドに接続されている構成とすることができる。
【００２１】
また、前記電圧変動抑制回路は、第４スイッチ素子を更に備え、前記第４スイッチ素子は、入力端子が前記第３抵抗の他端に接続され、出力端子がグランドに接続され、前記第４スイッチ素子の制御端子は、外部のスイッチ制御部からオン・オフの制御が可能なように構成することができる。
【００２２】
前記スイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、またはＩＧＰＴのいづれかにより構成することができる。
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。基本的には図８に示した従来例と同様であり、電池パックを構成する二次電池１にスイッチ回路２の入力端子が接続され、スイッチ回路２の出力端子は平滑回路３の入力端子に接続されている。平滑回路３の出力が、出力端子４を介して外部への出力として負荷または電圧源に供給される。
【００２５】
また、平滑回路３の出力は、コンパレータ５の一方の入力端子に供給され、コンパレータ５の他方の入力端子には基準電圧源が接続されている。コンパレータ５の出力信号は、コンデンサ７を介してスイッチ回路２の制御端子に供給される。これにより、コンパレータ５の出力に基づいてスイッチ回路２の動作が制御される。
【００２６】
以上の構成において、二次電池１からスイッチ回路２に入力された直流電圧は、スイッチ回路２及び平滑回路３を通して安定化された後、出力端子４から外部に供給される。平滑回路３の出力電圧は、コンパレータ５により基準電圧源６の電圧と比較され、コンパレータ５の出力信号に基づき、スイッチ回路２のオン・オフ動作が制御される。
【００２７】
この構成のコンデンサ７による結合は、トランス結合と異なり、広範囲の電圧の信号を伝達でき、しかも簡素で小型である。二次電池１からの供給電圧に応じた定数の変更の必要性が少ないため、１つのスイッチング電源装置により、広範囲の入力電圧に対する動作が可能である。
【００２８】
本実施の形態のスイッチング電源装置の具体的な構成について、図２を参照して説明する。この図は、図１に示した要素のうち、スイッチ回路２、及び平滑回路３について具体的に示したものであり、他の要素は上述の説明のとおりである。
【００２９】
スイッチ回路２は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子８、ツェナーダイオード９、及び抵抗１０から構成される。スイッチ素子８は、二次電池１と平滑回路３の間に接続されている。スイッチ素子８としては、ＭＯＳＦＥＴに限らず、トランジスタ、ＩＧＰＴ等を用いることができる。ツェナーダイオード９は、アノードがスイッチ素子８のゲートに接続され、カソードがスイッチ素子８の入力端子に接続されている。抵抗１０は、ダイオード９と並列に接続されている。コンデンサ７の出力側端子は、スイッチ素子８のゲートに接続されている。
【００３０】
平滑回路３は、ダイオード１１、コイル１２、及びコンデンサ１３から構成される。ダイオード１１は、アノードがグランドに接続され、カソードがスイッチ素子８の出力端子とコイル１２の一端の間に接続されている。コイル１２の他端とグランド間にコンデンサ１３が接続され、コイル１２とコンデンサ１３の接続点が出力端子４に接続されている。
【００３１】
この構成において、ツェナーダイオード９は、コンデンサ７を介して伝達されたコンパレータ５の出力信号の交流分を、スイッチ素子８を駆動できる電圧にクランプする機能を有するとともに、ＶＧＳ耐圧保護の機能を有する。抵抗１０は、スイッチ素子８のオフを保障する。ダイオード１１はフライホイール・ダイオードであり、コイル１２は電気エネルギーを蓄えるチョーク・コイルである。コンデンサ１３により出力電圧を平滑化する。
【００３２】
＜実施の形態２＞
図３は、実施の形態２におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、図１に示した構成に加えて、二次電池１とスイッチ回路２の間に電圧変動抑制回路１４が接続されていることが特徴である。
【００３３】
電圧変動抑制回路１４は、スイッチ回路２へ供給する電圧の変動を抑制する。図２に示した構成において、スイッチ素子８のゲート電圧がスイッチ素子８のソース電圧に追従する時間は、コンデンサ７の容量と抵抗１０の値によって決まる。そのため、急峻な入力電圧変動に際してスイッチ素子８のゲート電圧がソース電圧に追従できずに、スイッチ素子８が誤動作する場合もある。この問題を解消するため、電圧変動抑制回路１４を組み込んで、急峻な電圧変動を緩やかな電圧変動に抑制する。
【００３４】
本実施の形態のスイッチング電源装置の具体的な構成について、図４を参照して説明する。この図は、電圧変動抑制回路１４について具体的に示したものであり、スイッチ回路２、及び平滑回路３の構成は、図２を参照して説明したものと同様である。
【００３５】
電圧変動抑制回路１４は、ＮＰＮトランジスタからなるスイッチ素子１５、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子１６、抵抗１７、抵抗１８、ダイオード１９、及びコンデンサ２０から構成される。抵抗１７は、一端が二次電池１に接続され、他端がスイッチ素子１６の入力端子に接続されている。スイッチ素子１５は、入力端子が二次電池１に接続され、出力端子がスイッチ素子１６の制御端子に接続され、制御端子がスイッチ素子１６の入力端子に接続されている。
【００３６】
抵抗１８は、一端がスイッチ素子１６の制御端子に接続され、他端がグランドに接続されている。ダイオード１９のアノードは、スイッチ素子１６の出力端子に接続され、カソードがスイッチ回路２のスイッチ素子８の入力端子に接続されている。コンデンサ２０は、一端がダイオード１９のカソードに接続され、他端がグランドに接続されている。
【００３７】
電圧変動抑制回路１４は、二次電池１からの入力電圧が瞬間的に高い電圧に変動したときに、コンデンサ２０に向かって発生する突入電流により抵抗１７の両端に生じた電位差で、スイッチ素子１５をオフ状態からオン状態に変化させる。このときオン状態にあるスイッチ素子１６を流れる電流を小さく制限することで、スイッチ素子１６は定電流源として作用し、スイッチ素子８のソース電圧の上昇を緩やかに抑制する。
【００３８】
一方、二次電池１からの入力電圧が瞬間的に低い電圧に変動し、コンデンサ２０の電圧以下になったとき、ダイオード１９がカットオフし、コンデンサ２０にチャージされていた電荷が放電され、スイッチ素子８のソース電圧の下降を緩やかに抑制する。ダイオード１９の実装位置は、コンデンサ２０より入力側であれば、スイッチ素子１６と抵抗１７の間でも、抵抗１７と二次電池１の間でもよい。
【００３９】
また電圧変動抑制回路１４は、スイッチング電源の出力側に部品破損等に起因する短絡事故で過電流が発生したときにも、抵抗１７の両端に生じる電位差で、スイッチ素子１５をオフ状態からオン状態に変化させる。これにより、オン状態にあるスイッチ素子１６を流れる電流が小さく制限され、スイッチ素子１６のソース電圧が低下して、スイッチイング電源を停止させる保護回路としても動作する。
【００４０】
図５は、電圧変動抑制回路１４の出力電圧波形を説明するものである。横軸が時間、縦軸が電圧を示す。実線Ａは、二次電池１からの入力電圧、破線Ｂは、電圧変動抑制回路１４の出力電圧を示す。
【００４１】
二次電池１からの入力電圧Ａが瞬間的に高い電圧に変動したとき、スイッチ素子１５で電流が小さく制限されて定電流出力となり、出力電圧Ｂはリニアに緩やかに上昇することが判る。一方、入力電圧Ａが瞬間的に低い電圧に変動したとき、ダイオード１９がカットオフし、コンデンサ２０にチャージされていた電荷が放電され、出力電圧Ｂが緩やかに下降することが判る。
【００４２】
＜実施の形態３＞
図６は、実施の形態３におけるスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。本実施の形態は、電圧変動抑制回路１４ａの構成が、図４の電圧変動抑制回路１４の構成から変更されていることが特徴である。
【００４３】
本実施の形態における電圧変動抑制回路１４ａは、図４の電圧変動抑制回路１４に対して、抵抗２１及び抵抗２２を追加した構成を有する。抵抗２１は、一端がスイッチ素子１６の入力端子に接続され、他端がスイッチ素子１５の制御端子に接続されている。抵抗２２は、一端がスイッチ素子１５の制御端子に接続され、他端がグランドに接続されている。
【００４４】
この構成によれば、抵抗２１と抵抗２２により、スイッチ素子１５の制御端子に入力される信号電圧を分圧する。負荷が一定のとき、入力電圧が高い場合はスイッチング電源装置の消費電流は少ないが、入力電圧が低い場合は消費電流が多くなる。これに起因して誤って電流が制限されることを防ぐためには、負荷の消費電流と二次電池１の電圧に応じて、抵抗１７の値を変更する必要がある。これに対して、スイッチ素子１５の制御信号電圧を分圧することで、入力電圧が高いほどスイッチ素子１６を通過する電流量を少なくできるため、二次電池１の電圧に関わらず、抵抗１７の抵抗値を一定にできる。
【００４５】
＜実施の形態４＞
図７は、実施の形態４におけるスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。本実施の形態は、電圧変動抑制回路１４ｂの構成が、図４に示した電圧変動抑制回路１４の構成から変更されていることが特徴である。
【００４６】
本実施の形態における電圧変動抑制回路１４ｂは、図４の電圧変動抑制回路１４に対して、スイッチ素子２３を更に備えている。スイッチ素子２３は、入力端子が抵抗１８の他端に接続され、出力端子がグランドに接続されている。スイッチ素子２３の制御端子は、外部のスイッチ制御部２４からオン・オフの制御が可能なように構成されている。
【００４７】
この構成のスイッチ素子２３は、スイッチ素子１６を外部から直接制御するために設けられる。すなわち、スイッチ制御部２４から印加するスイッチオン・オフ制御信号２５により、スイッチ素子２３を制御する。スイッチ素子２３をオフにしたときスイッチ素子１６は、スイッチ素子１５の動作状態に関わりなくオフになる。一方、スイッチ素子２３をオンにしたときは、スイッチ素子１６はオンになり、図４に示した実施の形態２の構成と同様に動作する。
【００４８】
スイッチオン・オフ制御信号２５は、二次電池１から入力する直流電圧とは無関係に動作させることが可能なため、外部のスイッチ制御部２４から任意のタイミングでスイッチ素子１６をオフとして、スイッチング電源装置を強制的に停止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のスイッチング電源装置は、二次電池からの広い入力電圧範囲に対して単一の装置で動作可能であって、しかも構成が簡素であり、電池パックに内蔵する装置として有用である。
【符号の説明】
【００５０】
１  二次電池
２、１００  スイッチ回路
３  平滑回路
４  出力端子
５  コンパレータ
６  基準電圧源
７、１３、２０  コンデンサ
８、１５、１６、２３  スイッチ素子
９  ツェナーダイオード
１０、１７、１８、２１、２２  抵抗
１１、１９、１０２  ダイオード
１２  コイル
１４、１４ａ、１４ｂ  電圧変動抑制回路
２４  スイッチ制御部
２５  スイッチオン・オフ制御信号
１０１  トランス
【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７】
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【図８】
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