(57)【要約】【課題】小型で高周波駆動が可能な損失の少ないステップダウンコンバータを提供することを目的とする。【解決手段】入力電圧側と出力電圧側の間に、直列に接続された２つのスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２と、この２つのスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の間と−側（ＧＮＤ）間に接続されたコンデンサＣ１と、出力電圧側に接続された基準電圧比較器および平滑コンデンサＣ３を有し、かつ上記基準電圧比較器により上記２つのスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２を交互にスイッチングする制御回路を設けた構成にすることにより、小型で高周波駆動が可能で、損失の少ないステップダウンコンバータを提供することができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧側と出力電圧側との間に、直列に接続された２つのスイッチング素子と、この２つのスイッチング素子の間と−側（ＧＮＤ）間に接続されたコンデンサと、出力電圧側に接続された基準電圧比較器および平滑コンデンサを有し、かつ上記基準電圧比較器により上記２つのスイッチング素子を交互にスイッチングする制御回路を設けたステップダウンコンバータ。
【請求項２】
入力電圧側と出力電圧側の間に、直列に接続された２つのスイッチング素子と、この入力電圧側のスイッチング素子に並列に接続されたコンデンサと、出力電圧側に接続された基準電圧比較器および平滑コンデンサを有し、かつ上記基準電圧比較器により上記２つのスイッチング素子を交互にスイッチングする制御回路を設けたステップダウンコンバータ。
【請求項３】
直列に接続された２つのスイッチング素子と、この入力電圧側のスイッチング素子に並列に接続されたコンデンサを有する回路を並列に２回路設けた請求項２に記載のステップダウンコンバータ。
【請求項４】
制御回路がスイッチング素子のスイッチング周波数またはスイッチング時間を制御するものである請求項１に記載のステップダウンコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気製品および電子機器に使用するステップダウンコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年パソコンや通信機器においては高速化・高密度化が求められており、マイクロプロセッサやデジタルＩＣの配線微細化が急速に進みつつある。これにともない電源の電圧も１Ｖ以下の低電圧・大電流のステップダウンコンバータが望まれている。
【０００３】
この種の一般的なステップダウンコンバータを図６に示す。同図において入力電圧側に平滑コンデンサＣ３２が設けられ、入力電圧側と出力電圧側の間にはスイッチング素子Ｔｒ３１とコイルＬ３１が直列に接続され、このスイッチング素子Ｔｒ３１とコイルＬ３１の間と−側（ＧＮＤ）間にスイッチング素子Ｔｒ３２が接続されており、さらに、出力電圧側に平滑コンデンサＣ３３と基準電圧比較器が接続されて、この基準電圧比較器により上記スイッチング素子Ｔｒ３１とスイッチング素子Ｔｒ３２を制御する制御回路が設けられた構成を有している。
【０００４】
この回路の動作は、先ずスイッチング素子Ｔｒ３１をＯＮしてコイルＬ３１に電流Ｉ１を流してコイルＬ３１を励磁し、次にスイッチング素子Ｔｒ３１をＯＦＦしてスイッチング素子Ｔｒ３２をＯＮして励磁したコイルＬ３１より電流Ｉ２を取り出すようにしたもので、スイッチング素子Ｔｒ３１とスイッチング素子Ｔｒ３２を交互にＯＮ−ＯＦＦしてコイルＬ３１の電流を取り出す同期整流方式としたものである。
【０００５】
また、上記出力電圧側の制御は、負荷抵抗Ｒ３１が小さいと出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔが低くなるため、これを基準電圧比較器で検出し、制御回路でスイッチング素子Ｔｒ３１とスイッチング素子Ｔｒ３２のスイッチング周波数を高くしたり、スイッチングパルス幅を広げる等の制御を行うことにより、出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔを高くすることができる。
【０００６】
また、負荷抵抗Ｒ３１が大きいと出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔが高くなるため、上記と同様にして、制御回路でスイッチング素子Ｔｒ３１とスイッチング素子Ｔｒ３２のスイッチング周波数を低くしたり、スイッチングパルス幅を狭くする等の制御を行うことにより、出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔを低くすることができる。
【０００７】
これにより、負荷抵抗Ｒ３１が変わっても出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔを一定に保つことができる。なお、スイッチング素子Ｔｒ３２はダイオードで代用する場合もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記回路構成を有するステップダウンコンバータは、体積の大きなコイルＬ３１を用いているため、高周波駆動が困難で、かつ、周波数を高くするほどコイルＬ３１の鉄損が大きくなるという欠点がある。
【０００９】
また、この回路構成ではコイルＬ３１に必ず入力電圧側の電圧Ｖｉｎがスイッチング素子Ｔｒ３１とスイッチング素子Ｔｒ３２に加わるため各スイッチング素子での損失が大きくなるという欠点もある。
【００１０】
本発明はこのような従来の課題を解決し、小型で高周波駆動の可能な損失の少ないステップダウンコンバータを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の請求項１に記載の発明は、入力電圧側と出力電圧側との間に、直列に接続された２つのスイッチング素子と、この２つのスイッチング素子の間と−側（ＧＮＤ）間に接続されたコンデンサと、出力電圧側に接続された基準電圧比較器および平滑コンデンサを有し、かつ上記基準電圧比較器により上記２つのスイッチング素子を交互にスイッチングする制御回路を設けたものであり、この構成により、一方のスイッチング素子がＯＮの場合にはコンデンサに電荷が充電されて、もう一方のスイッチング素子がＯＮの場合には出力電圧側に電荷が供給できるため、▲１▼高周波を通しやすいコンデンサの充放電により電荷を移動して電圧を変換するため、高周波で駆動することができる。▲２▼コイルを用いないので高周波領域でも鉄損を発生しない。▲３▼周波数を可変することにより電圧・電流を容易に変換することができるという作用を有する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、入力電圧側と出力電圧側の間に、直列に接続された２つのスイッチング素子と、この入力電圧側のスイッチング素子に並列に接続されたコンデンサと、出力電圧側に接続された基準電圧比較器および平滑コンデンサを有し、かつ上記基準電圧比較器により上記２つのスイッチング素子を交互にスイッチングする制御回路を設けたものであり、入力電圧側のスイッチング素子に並列にコンデンサを接続することにより、コンデンサには最大でも、ステップダウン分の電圧しか加わらないため、コンデンサの定格電圧を低くすることができ、小型化・大電流化を図ることができるという作用を有する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、直列に接続された２つのスイッチング素子と、この入力電圧側のスイッチング素子に並列に接続されたコンデンサを有する回路を並列に２回路設けたものであり、この構成により、一方の回路が充電中に他方の回路が放電するため、電圧の変動を小さくでき、電流供給も２倍にすることができるという作用を有する。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、制御回路がスイッチング素子のスイッチング周波数またはスイッチング時間を制御するものであり、この構成により、スイッチング周波数、または、スイッチングパルス幅を制御することにより、出力電圧の電圧Ｖｏｕｔを一定に保つことができ、スイッチング素子に加わる電圧は最大でも、Ｗ＝（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）×Ｉの関係からスイッチング素子での損失を少なくすることができるという作用を有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施の形態におけるステップダウンコンバータについて図１〜図５を用いて説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態におけるステップダウンコンバータの回路図である。同図において入力電圧側と出力電圧側の−側（ＧＮＤ）は共通で、入力電圧側に平滑コンデンサＣ２が接続され、＋側は直列に接続した２つのスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２と、このスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の間と−側（ＧＮＤ）間にコンデンサＣ１が接続され、出力電圧側には基準電圧比較器と平滑コンデンサＣ３が接続されている。また、上記スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２のスイッチング周波数およびスイッチング幅を制御する制御回路が設けられている。
【００１７】
この制御回路は、出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔを基準電圧比較器の基準電圧と比較し、この基準電圧よりも出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔが低い場合は、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の周波数上昇もしくはスイッチング幅を広げるように制御したり、また、基準電圧よりも出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔが高い場合は、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の周波数下降もしくはスイッチング幅を狭くするように制御するようにして、出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔを一定に保つようにする。
【００１８】
なお、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２は低抵抗のパワーＭＯＳＦＥＴ、コンデンサＣ１には機能性高分子電解コンデンサ、平滑コンデンサＣ２，Ｃ３は大容量のアルミ電解コンデンサを用いることができる。
【００１９】
図２（ａ），（ｂ）は、上記ステップダウンコンバータの回路構成によるスイッチング素子と出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔのスイッチングタイミングチャートを示したものである。同図（ａ）は、コンデンサＣ１の充放電がほぼ完全にできる周波数でスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２をスイッチングした状態を示したもので、スイッチング素子Ｔｒ１がＯＮの状態で入力電圧側の電圧ＶｉｎまでコンデンサＣ１を充電し、スイッチング素子Ｔｒ２がＯＮの状態で出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔまで放電している（Ｖｃｌ参照）。出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔは、コンデンサＣ３によって平滑されるものの、負荷Ｒ１が低くなるとリップル電圧が増す。
【００２０】
同図（ｂ）は、コンデンサＣ１の充放電が途中になる周波数でスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２をスイッチングした状態で、コンデンサＣ１をスイッチング素子Ｔｒ１がＯＮの状態で入力電圧側の電圧Ｖｉｎ途中まで充電し、スイッチング素子Ｔｒ２がＯＮの状態で出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔ途中まで放電している（Ｖｃｌ参照）。出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔは、コンデンサＣ３によって平滑されるものの、負荷Ｒ１が低くなるとリップル電圧が増すが、充放電の切り替えが早いため、上記図２（ａ）よりもリップルは小さくなる。
【００２１】
上記において、図２（ａ）の状態よりも周波数を下げると、充放電回数が少なくなるため、出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔは減少する。また、周波数は一定で、スイッチング素子Ｔｒ１またはスイッチング素子Ｔｒ２のスイッチング時間を短くすると、コンデンサＣ１の充電または放電が妨げられるため、出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔは減少する。このような上記特性を用いて周波数やスイッチング時間を可変することにより、出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔを一定に保つことができる。
【００２２】
図３は本発明の他の実施の形態によるステップダウンコンバータの回路図である。同図は上記図１のコンデンサＣ１を入力電圧側のスイッチング素子Ｔｒ１１と並列に接続したものであり、コンデンサＣ１１には最大でも、ステップダウン分の電圧しか加わらないため、コンデンサＣ１１の定格電圧を低くすることができ、小型化・大電流化を図ることができる。
【００２３】
図４も本発明の他の実施の形態によるステップダウンコンバータの回路図であり、図５にこれのスイッチングタイミングチャートを示す。
【００２４】
図４において、基本回路構成は図３と同様であるが、入力電圧側と出力電圧側の間に、直列に接続された２つのスイッチング素子Ｔｒ２３，Ｔｒ２４と、その入力電圧側のスイッチング素子Ｔｒ２３と並列に接続されたコンデンサ２２を有する回路を並列に２回路設けたものである。
【００２５】
この回路構成の動作は、図５に示すように、制御回路によりスイッチング素子Ｔｒ２１，Ｔｒ２２およびスイッチング素子Ｔｒ２３とＴｒ２４がそれぞれ交互にスイッチングし、かつ、２つの回路のそれぞれのスイッチング素子が逆転してスイッチングするようにしたものである。
【００２６】
このような回路構成により、一方の回路が充電中に他方の回路が放電するため、電圧の変動が極めて小さくできると共に電流供給も２倍になる。
【００２７】
上記において、周波数を下げると、充放電回数が少なくなるため、出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔは減少する。また、周波数は一定で、それぞれのスイッチング素子のスイッチング時間を短くすると、コンデンサＣ２１およびコンデンサＣ２２の充電または放電が妨げられるため、出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔは減少する。このような上記特性を用いて周波数やスイッチング時間を可変することにより、出力電圧の電圧Ｖｏｕｔを一定に保つことができる。
【００２８】
また、上記回路構成の特有の効果として、負荷に応じて一方の回路駆動を止めることにより周波数を一気に１／２に落とすことができる。逆に高負荷時には一方の回路を起動して周波数を一気に２倍に上げることができ、急激な負荷変動に対し対応することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、入力電圧側と出力電圧側との間に、直列に接続された２つのスイッチング素子と、この２つのスイッチング素子の間と−側（ＧＮＤ）間に接続されたコンデンサと、出力電圧側に接続された基準電圧比較器および平滑コンデンサを有し、かつ上記基準電圧比較器により上記２つのスイッチング素子を交互にスイッチングする制御回路を設けた構成にすることにより、一方のスイッチング素子がＯＮの場合にはコンデンサに電荷が充電されて、もう一方のスイッチング素子がＯＮの場合には出力電圧側の電圧Ｖｏｕｔに電荷が供給できるため、▲１▼高周波を通しやすいコンデンサの充放電により、電荷を移動して電圧を変換するため、高周波で駆動することができる。▲２▼コイルを用いてないので高周波領域でも鉄損を発生しない。▲３▼周波数を可変することにより電圧・電流を容易に変換することができることから、小型で高周波駆動が可能で、損失の少ないステップダウンコンバータを提供することができるものである。
【００３０】
また、スイッチング素子を直列に接続した回路を並列に２回路設け、２回路のそれぞれのスイッチング素子を逆転してスイッチングすることにより、リップルが少なく負荷変動に対応しやすいステップダウンコンバータを提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるステップダウンコンバータの回路図
【図２】同要部である回路構成によるスイッチングタイミングチャート
【図３】本発明の他の実施の形態におけるステップダウンコンバータの回路図
【図４】本発明の他の実施の形態におけるステップダウンコンバータの回路図
【図５】同図４の回路構成によるスイッチングタイミングチャート
【図６】従来のステップダウンコンバータの回路図
【符号の説明】
Ｔｒ１，Ｔｒ２　スイッチング素子
Ｃ１　コンデンサ
Ｃ２，Ｃ３　平滑コンデンサ
Ｒ１　負荷抵抗
ＰＷ　電源
【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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