(57)【要約】【課題】従来のＤＣＤＣコンバータは出力にリップルが重畳し、特に軽負荷での不連続動作時には出力電圧がほぼ出力リップル相当変動するという短所を有している。  前記に鑑み、本発明は不連続動作領域での出力リップルによる出力電圧変動を抑え、低リップル・高安定度の出力電圧を提供する。【解決手段】検出したコイル電流からＤＣＤＣコンバータの動作状態を検出し、その動作状態に合わせてｎ個のスイッチをオン・オフさせることによりＬＣフィルタのインダクタンス値を可変し、最適なインダクタンス値を設定する。これにより、不連続動作領域での出力リップルによる出力電圧変動を抑え、低リップル・高安定度の出力電圧を供給することが出来る。【選択図】図１
2006109559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣＤＣコンバータのＬＣフィルタのコイルを、ｎ個のコイルとそれと並列にｎ−１個のスイッチを接続した形式で構成することにより、ｎ−１個のスイッチをそれぞれオン・オフさせることでＬＣフィルタのインダクタンス値を１倍〜ｎ倍の間で任意に可変できることを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記ＬＣフィルタの、オンしているスイッチの抵抗成分を電流の検出に用いることを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記の検出したコイル電流からＤＣＤＣコンバータの動作状態を検出し、その動作状態に合わせてｎ個のスイッチをオン・オフさせることによりＬＣフィルタのインダクタンス値を可変し、最適なインダクタンス値を設定する。これにより、不連続動作領域での出力リップルによる出力電圧変動を抑え、低リップル・高安定度の出力電圧を供給することが可能なことを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＤＣＤＣコンバータのＬＣフィルタの構成およびコイル電流の検出に関し、低リップル・高安定な出力電圧を実現するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯機器等の駆動時間を延ばすためにパワーマネジメントが重視されている。このなかで、レギュレータと比較して電力変換効率の高いＤＣＤＣコンバータが主流となってきている。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平９−２３２６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図６のような従来のＤＣＤＣコンバータは出力にリップルが重畳し、図７に示すように特に軽負荷での不連続動作時には出力電圧がほぼ出力リップル相当変動するという短所を有している。
【０００５】
前記に鑑み、本発明は不連続動作領域での出力リップルによる出力電圧変動を抑え、低リップル・高安定度の出力電圧を供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するため、本発明によるＤＣＤＣコンバータはＬＣフィルタのコイルを、ｎ個のコイルとそれと並列にｎ個のスイッチを接続した構成を備えている。
【０００７】
本発明によるＤＣＤＣコンバータは、ｎ個のスイッチをオン・オフさせることでＬＣフィルタのインダクタンス値を可変することができる。
【０００８】
コイルに流れる電流ＩＬは、下記の計算式より求められる。
【０００９】
【数１】
2006109559.tif 000003
【００１０】
出力リップルは、出力のコンデンサに対してコイル電流ＩＬで充電を行うことにより発生するため、ＩＬの変化量を抑えることで出力リップルを低減することが可能である。
【００１１】
本発明では、（１）式のＬ値を可変することにより、コイル電流ＩＬの変化量を減らし、ひいては出力リップルを低減させることが可能である。
【００１２】
次にＳＷのオン抵抗でＤＣＤＣコンバータの動作状態を検出する手法に関して説明する。ここでは、Ｌが３個、ＳＷが２個の構成を例に説明する。
【００１３】
Ｌ１〜３、ＳＷ１，２はぞれぞれ同じ種類のものを使用することで、インダクタンス値、オン抵抗値ともにほぼ均一の値と考えられるため、ＳＷのオン抵抗をＲｓｗ、ＬのインダクタンスをｊωＬ、Ｌに流れるコイル電流をＩＬとして表す。
【００１４】
まず、ＳＷ１のみオンしている場合を考えると、ＳＷ１とＬ１の合成インピーダンスは
【００１５】
【数２】
2006109559.tif 000004
【００１６】
で表される。
【００１７】
また、ＳＷ１，２共にオンしている場合を考えると、ＳＷ１，２とＬ１，２の合成インピーダンスは
【００１８】
【数３】
2006109559.tif 000005
【００１９】
と考えられる。
【００２０】
ここで、オンしているＳＷの両端に発生する電圧は、
【００２１】
【数４】
2006109559.tif 000006
【００２２】
【数５】
2006109559.tif 000007
【００２３】
となり、合成インピーダンスが一定であれば、コイル電流ＩＬの変化が即ちオンしているＳＷの両端の電圧ΔＶＳＷの変化で求められる。
【００２４】
この電圧ΔＶＳＷに対し、ピーク検波と平均化を行うことで求められるＶｐｅａｋとＶａｖを比較することにより、ＤＣＤＣコンバータが連続動作を行っているか、あるいは非連続動作を行っているかを判別することが可能である。
【００２５】
この判別結果を元に、Ｌと並列に接続しているＳＷに対してオン・オフ制御を行うことで最適なＬ値を選択し、出力リップルの少ない状態を維持することが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によるＤＣＤＣコンバータによると、最適なインダクタンス値に設定することにより、不連続動作領域での出力リップルによる出力電圧変動を抑え、低リップル・高安定度の出力電圧を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態による低リップル・高安定度のＤＣＤＣコンバータについて、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
まず、図１に示すように、１のＳＷ制御回路と２のハイサイドスイッチとローサイドスイッチの代わりとなる３のダイオードと、ＬＣフィルタを構成する４〜７のコイルとそれに並列に接続される１１〜１３のスイッチと９のコンデンサで構成され、１０が出力端子となるＤＣＤＣコンバータで、４〜６のコイルに並列に接続される１１〜１３のＳＷをそれぞれ個別にオン・オフさせることにより、コイルのインダクタンスをＬからｎ倍のＬまで任意の値に可変可能である。
【００２９】
（第２の実施形態）
まず、図２に示すように、１のＳＷ制御回路と２のハイサイドスイッチとローサイドスイッチの代わりとなる３のダイオードと、ＬＣフィルタを構成する４〜７のコイルとそれに並列に接続される１１〜１３のスイッチと、コイル間に接続される１４〜１６，１９のスイッチと９のコンデンサで構成され、１０は出力端子、１１〜１３のスイッチが接続される１８のＶｉｌｓｅｎ出力と１４〜１６，１９のスイッチが接続される１７のＶｉｌｒｅｆ出力を備えるＤＣＤＣコンバータで、スイッチ１１と１４は同時にオン・オフ制御される。また、スイッチ１２と１５、スイッチ１３と１６も同様である。スイッチ１９はスイッチ１１〜１３がオフの時にオンする。
【００３０】
ここで、任意のインダクタンスに設定するために、任意のスイッチをオンさせた時、そのオンさせたスイッチの両端の電圧が１７のＶｉｌｒｅｆ出力と１８のＶｉｌｓｅｎ出力にそれぞれ出力される。このとき、コイル、スイッチのオン抵抗で構成される合成インピーダンスは一定のため、１７のＶｉｌｒｅｆ出力と１８のＶｉｌｓｅｎ出力の差ΔＳＷから８のコイル電流ＩＬの状態を求めることが出来る。
【００３１】
（第３の実施形態）
まず、図３に示すように、１のＳＷ制御回路と２のハイサイドスイッチとローサイドスイッチの代わりとなる３のダイオードと、ＬＣフィルタを構成する４〜７のコイルとそれに並列に接続される１１〜１３のスイッチと、コイル間に接続される１４〜１６，１９のスイッチと９のコンデンサで構成され、１０は出力端子、１１〜１３のスイッチが接続される１８のＶｉｌｓｅｎ出力と１４〜１６，１９のスイッチが接続される１７のＶｉｌｒｅｆ出力と１７のＶｉｌｒｅｆ出力と１８のＶｉｌｓｅｎ出力間の電圧差のピークを求めるための２０のＰｅａｋＤＥＴと、１７のＶｉｌｒｅｆ出力と１８のＶｉｌｓｅｎ出力間の電圧差の平均値を求めるための２１のＬＰＦと、２０のＰｅａｋＤＥＴの出力を任意の比に分割するための２２〜２４の抵抗と、２５，２６のコンパレータと、２７，２８，２９の論理回路と、その論理回路の出力信号によって制御される３０のＳＷ１〜ｎＯＮ／ＯＦＦ制御回路で構成されるＤＣＤＣコンバータで、その動作を図４を用いて説明する。
【００３２】
図４（ａ）は８のコイル電流を示す。（ｂ）はスイッチの両端の電圧ΔＶＳＷで１８のＶｉｌｓｅｎと１７のＶｉｌｒｅｆの電圧差に相当する。（ｃ）はΔＶＳＷを２０のＰｅａｋＤＥＴでピーク検波したもので、コイル電流ＩＬの変化量ΔＩＬに相当する。（ｄ）はΔＶＳＷを２１のＬＰＦで平均化したもので、コイル電流ＩＬの変化量ΔＩＬを時間で積分したΔＩＬａｖに相当する。（ｅ）は２０のＰｅａｋＤＥＴ出力を（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）倍した値と、２１のＬＰＦ出力を２５のコンパレータで比較した値で、ΔＩＬａｖがΔＩＬの（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）倍以上の場合にＨｉが出力される。同様に（ｆ）は２０のＰｅａｋＤＥＴ出力をＲ３／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）倍した値と、２１のＬＰＦ出力を２５のコンパレータで比較した値で、ΔＩＬａｖがΔＩＬのＲ３／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）倍以下の場合にＨｉが出力される。（ｇ）は２５のコンパレータ出力Ｖｃｐｈと２６のコンパレータ出力Ｖｃｐｌを２７のＲＳ−ＦＦに入力した場合の出力で、ΔＩＬとΔＩＬａｖの関係により、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３で設定される任意の比、例えば、ΔＩＬａｖがΔＩＬの４０％以上であればＨｉを出力し、ΔＩＬａｖがΔＩＬの２０％以下であればＬｏを出力する。（ｈ）は２５のコンパレータ出力Ｖｃｐｈと２６のコンパレータ出力ＶｃｐｌのＯＲ出力で、例えばΔＩＬａｖがΔＩＬの２０％以上かつ４０％以下の場合のみＬｏを出力し、それ以外ではＨｉを出力する。この２８のＯＲ出力はＳＷ０のオン・オフ信号と共に２９のＡＮＤへ入力され、（ｉ）にその出力を示す。３０のＳＷ１〜ｎＯＮ／ＯＦＦ制御回路は２９のＡＮＤ出力のＬ→Ｈのタイミングで、２７のＲＳ−ＦＦ出力がＨｉの場合にはＳＷ１からＳＷｎの方向へオンさせるスイッチをシフトして行く。また、逆に２７のＲＳ−ＦＦ出力がＬｏの場合にはＳＷｎからＳＷ１の方向へオンさせるスイッチをシフトして行く。
【００３３】
これらの動作により、ＤＣＤＣコンバータのコイル電流の状態から、適切なインダクタンス値になるようにスイッチをオン・オフさせる制御を行うことにより、不連続動作時には最大のインダクタンス値での動作となりコイル電流ＩＬの変化量を抑え、ひいては図５に示すように出力のリップル電圧を最小とすることが可能である。これにより、負荷電流に関係なく常に低リップル・高安定度のＤＣＤＣコンバータを提供する。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明にかかるＤＣＤＣコンバータは、低リップル・高安定度の特性を有し、充電器など大電流かつ高精度の電圧を要求される電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態による可変インダクタンス形式のＤＣＤＣコンバータ例を示す図
【図２】第２の実施形態によるコイル電流検出方法を備えた可変インダクタンス形式のＤＣＤＣコンバータ例を示す図
【図３】第３の実施形態によるコイル電流検出方法と、それに応じてインダクタンス値を可変制御する低リップル・高安定度のＤＣＤＣコンバータ例を示す図
【図４】同動作を説明する図
【図５】同出力電圧の変動を説明する図
【図６】従来のＤＣＤＣコンバータ例を示す図
【図７】同出力電圧の変動を説明する図
【符号の説明】
【００３６】
１  ＳＷ制御回路
２  ハイサイドスイッチ
３  ローサイドスイッチのダイオード
４  コイル１
５  コイル２
６  コイルｎ−１
７  コイルｎ
８  コイル電流ＩＬ
９  コンデンサ
１０  ＤＣＤＣコンバータ出力
１１  スイッチ１
１２  スイッチ２
１３  スイッチｎ−１
１４  スイッチ１
１５  スイッチ２
１６  スイッチｎ−１
１７  検出電圧Ｖｉｌｒｅｆ
１８  検出電圧Ｖｉｌｓｅｎ
１９  スイッチｎ
２０  ピーク検波回路
２１  ＬＰＦ
２２  抵抗１
２３  抵抗２
２４  抵抗３
２５  コンパレータ１
２６  コンパレータ２
２７  ＲＳ−ＦＦ
２８  ＯＲ
２９  ＡＮＤ
３０  ＳＷ１〜ｎＯＮ／ＯＦＦ制御回路
【図１】
2006109559.tif 000008
【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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