(57)【要約】【課題】入力電圧が目標出力電圧近傍にある時、どうしても出力電圧変動が生じ、定電圧特性がそこなわれる。本発明の目的は、前記電圧変動を抑えることが可能な昇降圧ＤＣ―ＤＣコンバータを提供することにある。【解決手段】昇降圧，降圧両動作を必要とするＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、出力電圧と基準電圧との間の誤差検出手段と，発振器の発振電圧と誤差検出手段とを比較する位相比較手段と、前記誤差比較手段の出力パルス波信号からデューティを検出する手段と、前記検出されたデューティが所定値に達したとき降圧動作から昇降圧動作へ、または昇降圧動作から降圧動作へ切り替える手段とでＤＣ−ＤＣコンバータを構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧の変化範囲が安定化出力電圧の範囲を含み、昇圧と降圧の両動作を必要とするＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、出力電圧と基準電圧との差電圧と発振器の発振電圧とを比較する誤差比較手段と、前記誤差比較手段が出力するパルス波のデューティを検出する手段と、前記デューティがあらかじめ定められた第１の値に達したことを検出し降圧動作から昇降圧動作へ、また前記デューティがあらかじめ定められた第２の値に達したことを検出し昇降圧動作から降圧動作へ切り替えるように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
請求項１において、降圧動作から昇降圧動作へ切り替える時の降圧動作時の第１デューティ値設定手段と、昇降圧動作から降圧動作へ切り替える時の昇降圧動作時の第２デューティ値設定手段、とを有することを特徴とする昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
請求項２において、前記第１デューティ値は前記第２デューティ値よりも大きい値を設定することを特徴とする昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
請求項１において、入力電圧端子とインダクタとの間に接続された第１のスイッチ手段と、出力電圧端子と前記インダクタとの間に一端が接続され他端がアースに接続された第２のスイッチ手段と、前記降圧動作時は前記第２のスイッチが常時オフとなるようなスイッチング制御信号を出力し、前記昇降圧動作時は前記第１，第２スイッチが共にオンオフスイッチングをおこなうスイッチ制御手段を備えたことを特徴とする昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項５】
請求項４において、前記制御手段が、前記降圧動作では前記第１のスイッチに対しては誤差比較手段の出力信号を、第２のスイッチに対してはスイッチング制御信号出力手段の出力信号によるスイッチング制御を有効とし、昇降圧動作において第１及び第２のスイッチに対して誤差比較手段の出力信号によるスイッチング制御を有効とするゲート手段をさらに備えることを特徴とする昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項６】
請求項１において、前記パルス波のデューティを検出する手段は、抵抗、コンデンサと比較器から構成されることを特徴とする昇降圧ＤＣ−ＤＣ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、スイッチングによる定電圧電源の構成に係り、特に自動車のバッテリのように電圧変動が大きいＤＣ電源から、安定したＤＣ電圧を供給できる電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平１０−２２５１０８号公報
安定化されていない入力電圧の変化範囲が、安定化目標出力電圧の範囲を含み、昇圧と降圧の両動作を必要とするＤＣ−ＤＣコンバータについては、動作安定性および効率向上の観点から種々の技術が開発されている。例えば前記特許文献１は、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータについて開示がある。図８は前記特許文献１に記載されている昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの概略構成図である。前記特許文献１に記載されている図そのものではないが、図は本願発明と対比した形で概略構成を示した。１は入力電源、２はスイッチ、３はダイオード、４はインダクタ、５はスイッチ、６はダイオード、７はコンデンサ、８は誤差増幅器、９は発振器、１０は位相比較器、１１はスイッチ制御器、１３は基準電源、１４は入力電圧出力電圧比較器、などから構成されている。
【０００３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力電圧ＶＩＮと出力電圧ＶＯＵＴとを直接的または間接的に比較して、入力電圧のほうが出力電圧より低い場合（ＶＩＮ＜ＶＯＵＴ）にはスイッチの２を常時オンし、スイッチ５をスイッチング動作して、昇圧動作を行う。また、入力電圧のほうが出力電圧より高い場合（ＶＩＮ＞ＶＯＵＴ）には、スイッチ２をスイッチング動作とし、スイッチ５を常時オフして降圧動作をおこなうことで、高効率の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを実現するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、昇圧動作は、入力電圧の方が出力電圧より低い時にしか動作せず、昇圧動作を行っている時に入力電圧をあげていくと、入力電圧が出力電圧と等しくなる近傍から出力電圧は入力電圧に応じて徐々に上昇していく。また、降圧動作は入力電圧のほうが出力電圧より高い時にしか動作せず、降圧動作を行っている時に入力電圧を下げていくと、入力電圧が出力電圧と等しくなる近傍から出力電圧は入力電圧に応じて徐々に下降していく。ここで、入力電圧と出力電圧が等しくなる付近では、昇圧動作、降圧動作の、両動作のいずれの動作もしない領域がある。
【０００５】
例えば、目標出力電圧を６ｖとしたとき、昇圧動作から降圧動作へ切り替える時の出力電圧を６．５ｖとし、また降圧動作から昇圧動作へと切り替える時の出力電圧を５．５ｖとした場合を想定する。この場合、図９に示したような入力電圧対出力電圧特性となる。この例では，昇圧動作と降圧動作のヒステリシスを持った切り替えを行った場合、これにより１ｖ（６．５ｖと５．５ｖの差電圧）の出力電圧変動がおきることを示している。図９からも明らかなように、出力電圧ＶＯＵＴは、一旦６．５ｖに上昇してから６．０ｖに、逆の場合は一旦５．５ｖになってから６．０ｖに変化しているため，その切り替え時に電圧変動が発生してしまう。
【０００６】
この出力電圧変動を小さくするためには、切り替える時の出力電圧をできるだけ目標出力電圧の中心値に近づければよいが、そのためには出力電圧精度の向上と切り替え電圧精度の向上をはかる必要がある。それを半導体集積回路で実現する場合には、素子面積の増大をもたらし、コスト上昇の要因となる。また、この切り替え動作時の出力電圧変動の対策として、後段にシリーズレギュレータを設ける方法もあるが、半導体集積回路部品の増大になり、コストを上げる要因となってしまう。
【０００７】
さらに出力電圧を検出して、昇圧動作と降圧動作を切り替える方法では、目標出力電圧が変わればそれに応じて比較電圧も変える必要があり、例えば、半導体集積回路でこれを実現しようとする場合、内部回路素子面積の増大となり、コスト上昇の要因となる。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたもので、入力電圧が目標出力電圧近傍にある時の出力電圧変動を抑えることが可能な、昇降圧ＤＣ―ＤＣコンバータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
動作切り替えにおいても電圧変動の少ない昇降圧ＤＣ―ＤＣコンバータを以下の手段により実現することができる。
【００１０】
入力電圧の変化範囲が大きく昇圧と降圧の両動作を必要とするＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、出力電圧と基準電圧との差電圧と発振器の発振電圧とを比較する誤差比較手段と、前記誤差比較手段が出力するパルス波のデューティを検出する手段と、前記デューティがあらかじめ定められた第１の値に達したことを検出し降圧動作から昇降圧動作へ、また前記デューティがあらかじめ定められた第２の値に達したことを検出し昇降圧動作から降圧動作へ切り替えるように制御する制御手段とを備えたことにある。
【００１１】
また、降圧動作から昇降圧動作へ切り替える時の降圧動作時の第１デューティ値設定手段と、昇降圧動作から降圧動作へ切り替える時の昇降圧動作時の第２デューティ値設定手段、とを有することにある。また、前記第１デューティ値は前記第２デューティ値よりも大きい値を設定することにある。
【００１２】
また、入力電圧端子とインダクタとの間に接続された第１のスイッチ手段と、出力電圧端子と前記インダクタとの間に一端が接続され他端がアースに接続された第２のスイッチ手段と、前記降圧動作時は前記第２のスイッチが常時オフとなるようなスイッチング制御信号を出力し、前記昇降圧動作時は前記第１，第２スイッチが共にオンオフスイッチングをおこなうスイッチ制御手段を備えたことにある。
【００１３】
また、前記制御手段が、前記降圧動作では前記第１のスイッチに対しては誤差比較手段の出力信号を、第２のスイッチに対してはスイッチング制御信号出力手段の出力信号によるスイッチング制御を有効とし、昇降圧動作において第１及び第２のスイッチに対して誤差比較手段の出力信号によるスイッチング制御を有効とするゲート手段をさらに備えることにある。また、前記パルス波のデューティを検出する手段は、抵抗、コンデンサと比較器から構成したことにある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて実施例について説明する。図１の（Ａ）は本発明の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの基本構成を示している。入力電源１、スイッチ２、ダイオード３、インダクタ４、スイッチ５、ダイオード６、コンデンサ７、誤差増幅器８、発振器９、位相比較器１０、スイッチ制御器１１、基準電源１３、位相比較器出力状態検出器１２から構成されている。このうち、本発明は、位相比較器出力状態検出器とスイッチ制御器に特徴がある。図１の（Ｂ）は各部の波形を示していて，（ａ）のＶ９は発信器９の出力信号、Ｖ８誤差増幅器８の出力信号である。（ｂ）は位相比較器１０の出力信号で、スイッチ制御器１１および位相比較器出力状態検出器１２に入力される（（ｃ）は後述する図２における波形である）。
【００１５】
図２は、図１における位相比較器出力状態検出器１２の構成例を示す。レベルシフト２１、インバータ２２、インバータ２３、抵抗２４、コンデンサ２５、電源２６、２７〜３０は抵抗である。また、ヒステリシスコンパレータ３１、ワンショットパルス発生器３２、ヒステリシスコンパレータ３４、ワンショットパルス発生器３５から構成されている。位相比較器出力状態検出器１２には、前記位相比較器１０の出力信号１０ａが入力される。そして、インバータ回路素子２３の出力信号Ｖ２３は、前記図１の（Ｂ）の（ｃ）のような波形となる。さらに、図２における積分回路の出力信号Ｖ２５は、前記図１の（Ｂ）の（ｃ）に示す信号となる。そして分圧抵抗による分圧電圧と比較され、位相比較器出力状態検出器１２信号３２ａ、３５ａを出力する。
【００１６】
図３はスイッチ制御器１１の構成例を示す。ＳＲフリップフロップ４１、アンドゲート４２、アンドゲート４３から構成されている。前記図２のワンショットパルス発生器３２，３５の出力信号が入力されスイッチ制御信号１１ａ、１１ｂを出力する。
【００１７】
この場合の入力電圧対デューティ特性を図４に示す。いま入力電圧が目標出力電圧より十分高い状態、例えば入力電圧が９ｖの時は、降圧動作ではそのデューティは０．６であり、ここから入力電圧が下がっていく場合を想定すると、そのデューティは徐々に大きくなり、１．０に近づいていく。降圧動作が安定に動作している状態、例えばそのデューティが０．９に達した時に、降圧動作から昇降圧動作に切り替える。そうするとデューティは一旦低くなるが、入力電圧のさらなる低下に伴い、大きくなっていく。
【００１８】
いま、入力電圧が４ｖから次第に上昇していく場合について説明する。そのデューティは０．６から次第に小さくなっていき、例えばデューティが０．４４に達した時に、昇降圧動作から降圧動作に切り替える。デューティは一旦高くなり、入力電圧のさらなる上昇にともないデューティは小さくなっていく。
【００１９】
ここで降圧動作から昇降圧動作に切り替えた直後に、なんらかの影響で入力電圧が上がった場合は、そのデューティが０．４４に達した時に、昇降圧動作から降圧動作に切り替わる。また、昇降圧動作から降圧動作に切り替わった直後になんらかの影響で入力電圧が下がった場合は、そのデューティが０．９に達した時に降圧動作から昇降圧動作に切り替わる。このように降圧動作から昇降圧への動作切り替え時のデューティと、昇降圧から降圧への動作切り替え時のデューティとを適切に選ぶことにより、切り替える瞬間の過渡状態以外では常に安定な出力電圧が得られることになる。
【００２０】
次に図２に示した位相比較器出力状態検出回路１２の内部動作について説明する。位相比較器出力信号１０ａはレベルシフト２１を介して、電源２６で動作するインバータ回路素子２２に入力される。インバータ回路素子２３通過後、抵抗２４とコンデンサ２５とで構成される積分器により、デューティ信号となる。これを降圧動作から昇降圧動作へ切り替える時のデューティを検出するために、抵抗２７と抵抗２８とで分圧生成されるデューティ設定値電圧と、比較器（ヒステリシスコンパレータ）３１を設ける。例えば、図４に示したデューティ０．９を検出する場合、抵抗２７と抵抗２８との抵抗値の比は１対９に設定される。
【００２１】
また昇降圧動作から降圧動作へ切り替える時のデューティを検出するために抵抗２９と抵抗３０とで分圧生成されるデューティ設定値電圧と、比較器（ヒステリシスコンパレータ）３４を設ける。例えば、図４に示したデューティ０．４４を検出する場合、抵抗２９と抵抗３０との抵抗値の比は、５６対４４に設定することにより実現できる。
【００２２】
電源２６は、このＤＣ−ＤＣコンバータの動作所要電源電圧値よりも低い値に選ぶのがよい。抵抗２４とコンデンサ２５による時定数は、発振器の周波数成分リップルによりコンパレータ３１，３４が誤動作しない十分な値に選ぶことが望ましい。検出信号は、次のワンショットパルス発生回路３２，３５で安定した時間幅を確保し、動作切り替え信号３２ａ、３５ａとして出力される。
【００２３】
次に本実施例図１の動作について説明する。本構成例ではスイッチ２とスイッチ５が同時にオンとなるようにスイッチングする状態（以下昇降圧動作という）と、スイッチ５はオフしたままでスイッチ２がスイッチングする状態（以下降圧動作という）の２つの動作を行う。
昇降圧動作において、入力電圧ＶＩＮと出力電圧ＶＯＵＴと、デューティＤとの間には
ＶＯＵＴ／ＶＩＮ＝Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆ・・・・・・・（１）
Ｄ＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）・・・・・・・・（２）
の関係が成立する。
ここで、Ｔｏｎはオン時間、Ｔｏｆｆはオフ時間を表している。またＤはデューティであり、前記（２）式で表される。
【００２４】
また、降圧動作において入力電圧ＶＩＮと出力電圧ＶＯＵＴとデューティＤの間には
ＶＯＵＴ／ＶＩＮ＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）・（３）
Ｄ＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）・・・・・・・・（４）
の関係が成立する。
ここでは、入力電圧が４Ｖから１５Ｖまで変化する場合に、目標出力電圧を６ＶとするようなＤＣ−ＤＣコンバータを想定し、図４で説明した。
【００２５】
次にスイッチ制御器の動作について説明する。図３において、例えば、昇降圧動作から降圧動作への切り替え信号３５ａがフリップフロップ４１に入力されると、４１ａがローレベル信号となり、信号１１ｂもローレベル信号となり，スイッチ５はオフとなる。また降圧動作から昇降圧動作への切り替え信号３２ａがフリップフロップに入力されると、スイッチ５はスイッチ２とともにスイッチング動作を行う。
【００２６】
さらに降圧動作時に入力電圧がさらに高くなっていくと、そのデューティは再び昇降圧から降圧動作への切り替えデューティ値に達する。そのため再び切り替え信号が入力されるがこれは動作上問題となるものではない。
【００２７】
動作状態とスイッチ２，３のオン、オフ状態、さらに降圧動作状態から昇降圧動作状態に移行する場合のデューティ設定抵抗と切り替え信号および昇降圧動作状態から降圧動作状態に移行する場合のデューティ設定抵抗と切り替え信号を整理して図５に示した。また本発明による入力電圧、出力電圧の関係を図６に示した。従来技術の特性として示した図９の特性に比較して、定電圧特性が改善されていることがわかる。それは電圧値に注目してその動作を切り替えるのではなく、デューティに注目して昇降圧動作、降圧動作の切り替えを行っているためである。
【００２８】
図７は、図１における各部の動作波形を示している。図７の（Ａ）は、入力電圧変動に対するＤＣ−ＤＣコンバータの動作、すなわち降圧動作、昇降圧動作を示している。図７の（Ｂ）は動作切り替えにおけるデューティを示している。すなわち図２における積分回路の出力信号電圧Ｖ２５を表している。図７の（Ｃ），（Ｄ）はワンショットパルス発生器３２，３５の出力信号３２ａ，３５ａを表している（図２の位相比較器出力状態検出回路１２の出力信号である）。また、図７の（Ｅ），（Ｆ）はスイッチ手段２，５の動作を表している。降圧動作領域ではスイッチ手段５はオフのままで、スイッチ手段２がスイッチング動作をおこなう。昇降圧動作領域ではスイッチ手段２，５ともスイッチング動作をおこなう。
【００２９】
図４あるいは図６は出力電圧が６ｖの場合を例に説明した。しかし、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータでは目標出力電圧が例えば抵抗素子で任意に設定できるような形式の場合でも切り替えデューティ値の変更は必要ないので、半導体集積回路で構成するとき内部回路素子面積の増大を招かないという利点がある。
【００３０】
以上 本発明の一実施例について説明したが、本発明は 前記実施例に限定されるものではなく本発明の特許請求の範囲に記載した技術思想における範囲において、設計変更可能なものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば昇圧動作と降圧動作との切り替えを行う昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、切り替え時に発生する出力電圧変動の問題を解決し動作安定性を確保したＤＣ―ＤＣコンバータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの全体基本構成図である。
【図２】位相比較器出力状態検出器の構成を示す図である。
【図３】スイッチ制御器の例を示す図である。
【図４】デューティ対入力電圧特性例を示す図である。
【図５】スイッチング動作を示す図である。
【図６】本願発明の効果を表す図である。
【図７】動作説明のための波形を示す図である。
【図８】従来のＤＣ−ＤＣコンバータの基本構成図である。
【図９】従来のＤＣ−ＤＣコンバータの入出力特性例である。
【符号の説明】
１；入力電源  ２；スイッチ  ３；ダイオード  ４；インダクタ  ５；スイッチ  ６；ダイオード  ７；コンデンサ  ８；誤差増幅器  ９；発振器  １０；位相比較器  １１；スイッチ制御器  １２；位相比較器出力状態検出器  １３；基準電源  ２２，２３；インバータ回路素子  ２４；抵抗  ２５；コンデンサ  ２６；電源  ２７〜３０；分圧抵抗  ３１，３４；ヒステリシスコンパレータ  ３２，３５；ワンショットパルス発生器  ３２ａ；降圧から昇降圧動作切り替え信号  ３５ａ；昇降圧から降圧動作切り替え信号  ４１；ＳＲフリップフロップ  ４２，４３；アンドゲート。
【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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【図９】
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