(57)【要約】【課題】広範囲な入力電圧に対して効率の低下を適切に防止できるＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。【解決手段】電源制御部７は、ドレイン又はソースの一方が、入力電源の通電経路に配置されるコイル５の何れか一端に接続されるＭＯＳ１〜ＭＯＳ４をＰＷＭ制御によりスイッチング動作させる。そして電源制御部７は、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧となるように昇圧動作を行う際に、ＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙの最大値Ｄｍａｘを入力電圧Ｖｉｎに応じて設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を検出する入力電圧検出部（１２）と、
出力電圧を検出する出力電圧検出部（１１）と、
入力電源の通電経路に配置されるコイル（５）と、
導通端子の一端が、前記コイルの何れか一端に接続される１つ以上のスイッチング素子（ＭＯＳ１〜ＭＯＳ４）と、
前記スイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によりスイッチング動作させることで、前記出力電圧が目標電圧となるように昇圧動作を行う際に、前記ＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙの最大値を前記入力電圧に応じて設定する制御部（７）とを備えるＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記制御部は、前記入力電圧が高くなるのに応じて前記最大値を減少させる請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
電源入力端子とグランドとの間に接続される第１及び第２スイッチング素子（ＭＯＳ１，ＭＯＳ２）の直列回路と、
前記コイルの一端とグランドとの間に接続される第３スイッチング素子（ＭＯＳ３）と、
前記コイルの一端と出力端子との間に接続される第４スイッチング素子（ＭＯＳ４）とを備え、
前記コイルの他端は、前記第１及び第２スイッチング素子の共通接続点に接続されており、
前記制御部は、前記入力電圧をＶｉｎ，前記出力電圧をＶｏｕｔとすると、前記第３及び第４スイッチング素子をスイッチング動作させて昇圧動作を行う際の前記最大値Ｄｍａｘを、以下の式
Ｄｍａｘ＝１−｛Ｖｉｎ／（２Ｖｏｕｔ）｝
で設定する請求項２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記制御部は、前記第１及び第２スイッチング素子も併せてスイッチング動作させることで、前記出力電圧が目標電圧となるように昇降圧動作を行い、
前記入力電圧をＶｉｎ，前記出力電圧をＶｏｕｔとすると、前記昇降圧動作を行う際の前記最大値Ｄｍａｘを、以下の式
Ｄｍａｘ＝Ｖｉｎ／｛２（Ｖｏｕｔ＋Ｖｉｎ）｝
で設定する請求項３記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータを備える電子制御装置。
【請求項６】
入力電圧を検出する入力電圧検出部（２３）と、
負荷電流を、前記入力電圧に応じて前記ＤＣ−ＤＣコンバータの最大電流能力以下に設定する負荷電流制御部（２３）とを備える請求項５記載の電子制御装置。
【請求項７】
前記負荷電流制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの平均合成抵抗値をＲとすると、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧動作を行う期間の負荷電流の最大値Ｉｏｕｔｍａｘを、以下の式
Ｉｏｕｔｍａｘ＝Ｖｉｎ・２／（４・Ｖｏｕｔ・Ｒ）
で設定する請求項６記載の電子制御装置。
【請求項８】
請求項４記載のＤＣ−ＤＣコンバータと、
入力電圧を検出する入力電圧検出部と、
負荷電流を、前記入力電圧に応じて前記ＤＣ−ＤＣコンバータの最大電流能力以下に設定するため、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの平均合成抵抗値をＲとすると、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが昇降圧動作を行う期間の負荷電流の最大値Ｉｏｕｔｍａｘを、以下の式
Ｉｏｕｔｍａｘ＝［Ｖｉｎ・２／｛４（Ｖｏｕｔ・＋Ｖｉｎ）｝＋Ｖｏｕｔ］／Ｒ
で設定する負荷電流制御部とを備える電子制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも昇圧機能を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ，及び当該コンバータを備える電子制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、ＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙと負荷電流との関係を示す曲線は上方に凸となる２次特性を示す。つまり、Ｄｕｔｙには負荷電流を最大にする極値が存在し、Ｄｕｔｙがその極値を超えるとＤＣ−ＤＣコンバータの効率が低下する。このため、Ｄｕｔｙの最大値を制限してスイッチング動作を行うＤＣ−ＤＣコンバータが提案されている。
【０００３】
尚、特許文献１は、上述のように効率の低下を防止するためではないが、起動時にソフトスタートを行う目的でＤｕｔｙの最大値を制限する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７９１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の特性はＤＣ−ＤＣコンバータに入力される電圧に依存しているため、広範囲な入力電圧に対応する場合には最適な最大値からの乖離が大きくなることがあり、効率の低下防止が十分であるとは言えなかった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、広範囲な入力電圧に対して効率の低下を適切に防止できるＤＣ−ＤＣコンバータ，及び当該コンバータを備える電子制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータによれば、制御部は、導通端子の一端が、入力電源の通電経路に配置されるコイルの何れか一端に接続される１つ以上のスイッチング素子を、ＰＷＭ制御によりスイッチング動作させる。そして制御部は、出力電圧が目標電圧となるように昇圧動作を行う際に、ＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙの最大値を入力電圧に応じて設定する。このように構成すれば、入力電圧が変動した場合でも、Ｄｕｔｙの最大値を適宜変化させてＤＣ−ＤＣコンバータの効率が低下することを防止できる。
【０００８】
具体的には、請求項２に記載したように、制御部は、入力電圧が高くなるのに応じて最大値を減少させることで、入力電圧の変動に応じて出力電流が最大となるようにＤｕｔｙの最大値を設定し、入力電圧の上昇に伴う効率の低下を防止する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態であり、ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す図
【図２】電源制御部のフローチャート
【図３】入力電圧Ｖｉｎが異なる場合に、Ｄｕｔｙと出力電流Ｉｏｕｔとの関係を示す図
【図４】昇圧動作を行う場合の各ＭＯＳＦＥＴのスイッチング状態を示す図
【図５】第２実施形態であり、ＤＣ−ＤＣコンバータが昇降圧動作を行う場合の各ＭＯＳＦＥＴのスイッチング状態を示す図
【図６】入力電圧Ｖｉｎが異なる場合に、Ｄｕｔｙと出力電流Ｉｏｕｔとの関係を示す図
【図７】第３実施形態であり、電子制御装置の構成を示す機能ブロック図
【図８】マイクロコンピュータのフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、電源入力端子とグランドとの間に２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳ１及びＭＯＳ２の直列回路が接続されている。ＭＯＳ１及びＭＯＳ２の共通接続点と電源出力端子との間には、コイル５及びＮチャネルＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳ４の直列回路が接続されている。電源出力端子とグランドとの間には、コンデンサ６が接続されている。ＭＯＳ４のドレインとグランドとの間には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであるＭＯＳ３が接続されている。これらのＭＯＳ１〜ＭＯＳ４のスイッチングは、電源制御部７によりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。尚、ＭＯＳ１〜ＭＯＳ４はそれぞれ第１〜第４スイッチング素子に相当し、それらのソース及びドレインは導通端子に相当する。
【００１１】
電源制御部７は、Ｄｕｔｙ決定部１１，ＭａｘＤｕｔｙ算出部１２，ＭａｘＤｕｔｙ制限部１３及びＳＷ制御部１４を備えている。Ｄｕｔｙ決定部１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖｏｕｔを参照し、当該電圧Ｖｏｕｔが目標電圧となるようにＰＷＭ制御における要求Ｄｕｔｙを決定し（図２，Ｓ１）、ＭａｘＤｕｔｙ制限部１３に入力する。ＭａｘＤｕｔｙ算出部１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１の入力電圧Ｖｉｎを参照して前記Ｄｕｔｙの最大値であるＭａｘＤｕｔｙを算出し（図２，Ｓ２）、ＭａｘＤｕｔｙ制限部１３に入力する。
【００１２】
ＭａｘＤｕｔｙ制限部１３は、Ｄｕｔｙ決定部１１により決定されたＤｕｔｙが、ＭａｘＤｕｔｙ算出部１２より入力される最大値を超える際には（図２，Ｓ３で「ＹＥＳ」）、前記最大値に制限したＤｕｔｙをＳＷ制御部１４に入力する（Ｓ４）。ＳＷ制御部１４は、入力されたＤｕｔｙに応じてＭＯＳ１〜４のスイッチング動作を行う（Ｓ５）。尚、Ｄｕｔｙ決定部１１は出力電圧検出部に相当し、ＭａｘＤｕｔｙ算出部１２は入力電圧検出部に相当する。そして、ＭａｘＤｕｔｙ制限部１３及びＳＷ制御部１４が請求項１の「制御部」に相当する。
【００１３】
次に、本実施形態の作用について説明する。図２のステップＳ２におけるＭａｘＤｕｔｙの算出は、図３に実線で示すように、入力電圧Ｖｉｎのレベルに応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１の出力電流Ｉｏｕｔが最大値を下回らないように行う。図中に破線で示すのは従来のＤｕｔｙ制限値であり、例えばＶｉｎ＝３．５Ｖについて出力電流Ｉｏｕｔが最大となるＤｕｔｙを、入力電圧Ｖｉｎが変動する際にも一律に適用していた。
【００１４】
図４に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成する際には、ＭＯＳ１を連続ＯＮに、つまりＤｕｔｙを１００％にすると共にＭＯＳ２を連続ＯＦＦに、つまりＤｕｔｙを０％にする。そして、ＭＯＳ３をＤｕｔｙ値ＤでＯＮ，Ｄｕｔｙ値（１−Ｄ）でＯＦＦすると共に、ＭＯＳ４をＤｕｔｙ値ＤでＯＦＦ，Ｄｕｔｙ値（１−Ｄ）でＯＮする。
【００１５】
この場合、図３に示す出力電流Ｉｏｕｔは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の平均合成抵抗をＲとすると、（１）式で表される。
Ｉｏｕｔ＝｛（１−Ｄ）Ｖｉｎ−（１−Ｄ）２Ｖｏｕｔ｝      …（１）
（１）式の分子をＤｕｔｙ値Ｄで微分し、解が「０」となる時のＤｕｔｙ値をＤｍａｘとすると、（２）式で表される。
Ｄｍａｘ＝１−｛Ｖｉｎ／（２Ｖｏｕｔ）｝      …（２）
したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇圧動作を行う際には、（２）式に従いＭａｘＤｕｔｙを算出することで、入力電圧Ｖｉｎ，出力電圧Ｖｏｕｔに応じて出力電流Ｉｏｕｔが最大となるように制御できる。
【００１６】
以上のように本実施形態によれば、電源制御部７は、ドレイン又はソースの一方が、入力電源の通電経路に配置されるコイル５の何れか一端に接続されるＭＯＳ１〜ＭＯＳ４をＰＷＭ制御によりスイッチング動作させる。そして電源制御部７は、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧となるように昇圧動作を行う際に、ＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙの最大値Ｄｍａｘを入力電圧Ｖｉｎに応じて設定する。このように構成すれば、入力電圧Ｖｉｎが変動した場合でも、最大値Ｄｍａｘを適宜変化させて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の効率が低下することを防止できる。
【００１７】
具体的には、電源入力端子とグランドとの間にＭＯＳ１及びＭＯＳ２の直列回路を接続し、コイル５の一端とグランドとの間にＭＯＳ３を接続し、前記一端と電源出力端子との間にＭＯＳ４を接続する。また、コイル５の他端をＭＯＳ１及びＭＯＳ２の共通接続点に接続する。そして電源制御部７は、ＭＯＳ３及びＭＯＳ４をスイッチング動作させて昇圧動作を行う際の最大値Ｄｍａｘを（２）で算出することで、入力電圧Ｖｉｎが高くなるのに応じて最大値Ｄｍａｘを減少させるようにした。したがって、入力電圧Ｖｉｎの変動に応じて出力電流Ｉｏｕｔが最大となるように最大値Ｄｍａｘを設定し、入力電圧Ｖｉｎの上昇に伴う効率の低下を防止できる。
【００１８】
（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇降圧動作により出力電圧Ｖｏｕｔを生成する際には、図５に示すように、ＭＯＳ１及びＭＯＳ３をＤｕｔｙ値ＤでＯＮ，Ｄｕｔｙ値（１−Ｄ）でＯＦＦすると共に、ＭＯＳ２及びＭＯＳ４をＤｕｔｙ値ＤでＯＦＦ，Ｄｕｔｙ値（１−Ｄ）でＯＮする。
【００１９】
この場合、図６に示す出力電流Ｉｏｕｔは、（３）式で表される。
Ｉｏｕｔ＝｛（１−Ｄ２）Ｖｏｕｔ＋Ｄ（１−Ｄ）Ｖｉｎ｝／Ｒ  …（３）
第１実施形態と同様に（３）式の分子をＤｕｔｙ値Ｄで微分し、解が「０」となる時のＤｕｔｙ値をＤｍａｘとすると、（４）式で表される。
Ｄｍａｘ＝Ｖｉｎ／｛２（Ｖｏｕｔ＋Ｖｉｎ）｝        …（４）
すなわち、第２実施形態のようにＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇降圧動作を行う際には、（４）式によりＤｕｔｙの最大値Ｄｍａｘを算出することで、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００２０】
（第３実施形態）
図７に示すように、第３実施形態では、電子制御装置２１にＤＣ−ＤＣコンバータ１０を備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖｏｕｔは、図中に「ＬＤＯ（Low Drop Out）１〜３」で示す３つのレギュレータ２２（１），２２（２）及び２２（３）に入力されている。レギュレータ２２（１）は、マイクロコンピュータ２３用のコア電源を生成し、マイコン２３に供給する。レギュレータ２２（１）は、マイコン２３が内蔵する例えばＡ／Ｄコンバータのような周辺回路用の電源を生成してマイコン２３に供給する。レギュレータ２２（３）は、センサ２４の駆動電源を生成してセンサ２４に供給する。
【００２１】
また、マイコン２３には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０においてレベルシフトされた入力電圧信号が入力されている。上記のレベルシフトは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の外部で行われても良いし、マイコン２３内の入力部で行われても良い。マイコン２３は負荷電流制御部に相当する。
【００２２】
次に、第３実施形態の作用について説明する。マイコン２３は、前記入力電圧信号を参照して閾値電圧Ｖｔｈと比較する（Ｓ１１）。入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回ると（ＹＥＳ）、入力電圧Ｖｉｎに応じて出力電流Ｉｏｕｔの最大値Ｉｏｕｔｍａｘを算出する（Ｓ１２）。そして、電子制御装置２１の消費電流が最大値Ｉｏｕｔｍａｘを超えないように、マイコン２３の動作モードを、低消費電力モードに移行させる（Ｓ１３）。低消費電力モードにおいては、例えばシステムクロック信号の周波数を低下させたり、図示しない周辺回路の一部に対する電源の供給を遮断することで、消費電力を低減する。
【００２３】
第１実施形態のように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇圧動作を行う場合のＤｕｔｙの最大値Ｄｍａｘは（２）式であるから、（１）式に最大値Ｄｍａｘを代入することで得られる最大値Ｉｏｕｔｍａｘは、（５）式となる。
Ｉｏｕｔｍａｘ＝Ｖｉｎ・２／（４・Ｖｏｕｔ・Ｒ）      …（５）
また、第２実施形態のように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇降圧動作を行う場合のＤｕｔｙの最大値Ｄｍａｘは（４）式であるから、（３）式に最大値Ｄｍａｘを代入することで得られる最大値Ｉｏｕｔｍａｘは、（６）式となる。
Ｉｏｕｔｍａｘ＝［Ｖｉｎ・２／｛４（Ｖｏｕｔ・＋Ｖｉｎ）｝＋Ｖｏｕｔ］／Ｒ
…（６）
【００２４】
以上のように第３実施形態によれば、電子制御装置２１にＤＣ−ＤＣコンバータ１０を備え、マイコン２３が、電子制御装置２１の消費電流が最大値Ｉｏｕｔｍａｘを超えないように制御する。具体的には、最大値Ｉｏｕｔｍａｘを、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇圧動作を行う際には（５）式で設定し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇降圧動作を行う際には（６）式で設定するようにした。このように構成すれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の効率を維持した状態で電子制御装置２１を動作させることができる。
【００２５】
（その他の実施形態）
スイッチング素子はＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限ることなく、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いたり、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ等を用いても良い。
Ｄｕｔｙの最大値Ｄｍａｘは、必ずしも（２）式，（４）式で設定する必要はない。
昇圧動作又は昇降圧動作を行うためのスイッチング素子の具体的構成は、図１に示すものに限らない。導通端子の一端が、入力電源の通電経路に配置されるコイルの何れか一端に接続される１つ以上のスイッチング素子により構成されるものであれば良い。
【００２６】
電子制御装置の構成は図７に示すものに限ることなく、少なくとも実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータを備えるものであれば良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００２７】
図面中、ＭＯＳ１〜ＭＯＳ４はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、５はコイル、７は電源制御部、１０はＤＣ−ＤＣコンバータ、１１はＤｕｔｙ決定部、１２はＭａｘＤｕｔｙ算出部、１３はＭａｘＤｕｔｙ制限部、１４はＳＷ制御部を示す。
【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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