(57)【要約】【課題】起動時の過電流を防止しながら効率的に動作するＤＣ／ＤＣコンバータを、回路規模を大きくすることなく実現する。【解決手段】互いに直列的に接続されたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の状態に応じてコイル電流が制御される。ＰＷＭ制御部１１は、互いに論理が反転する第１および第２のＰＷＭ信号を生成する。マスク信号生成回路２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の起動時に、デューティがゼロから１００パーセントまで徐々に大きくなっていくＰＷＭ信号であるマスク信号を生成する。スイッチング素子Ｑ１は、第１のＰＷＭ信号により駆動される。スイッチング素子Ｑ２は、第２のＰＷＭ信号とマスク信号との論理積信号により駆動される。【選択図】図１
2007295759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列的に接続された第１および第２のスイッチング素子と、
前記第１および第２のスイッチング素子に接続するコイルと、
前記コイルに接続するコンデンサと、
前記第１および第２のスイッチング素子を駆動するための互いに反転している第１および第２のＰＷＭ信号を生成する信号生成手段と、
前記第１および第２のスイッチング素子の駆動を開始するときに、前記第２のＰＷＭ信号のデューティの上限値を徐々に大きくしていくデューティ制限手段、
を有するＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記デューティ制限手段は、
デューティがゼロから徐々に大きくなっていくＰＷＭ信号であるマスク信号を生成するマスク信号生成回路と、
前記第２のスイッチング素子を駆動する駆動信号として前記第２のＰＷＭ信号と前記マスク信号との論理積信号を出力する論理積回路、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記第１のスイッチング素子には直流電源が接続され、前記第２のスイッチング素子は接地電位に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記信号生成手段は、前記第１および第２のスイッチング素子の駆動を開始するときには、前記第１のＰＷＭ信号としてそのデューティをゼロから徐々に大きくしていく
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
互いに直列的に接続された第１および第２のスイッチング素子と、
前記第１および第２のスイッチング素子に接続するコイルと、
前記コイルに接続するコンデンサと、
互いに反転している第１および第２のＰＷＭ信号を生成する信号生成手段と、
前記第１および第２のスイッチング素子の駆動を開始するときに、デューティがゼロから１００パーセントまで徐々に大きくなっていくＰＷＭ信号であるマスク信号を生成するマスク信号生成回路と、
前記第２のＰＷＭ信号と前記マスク信号との論理積信号を生成する論理積回路を有し、
前記第１のスイッチング素子は前記第１のＰＷＭ信号により駆動され、前記第２のスイッチング素子は前記論理積信号により駆動される
ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータの起動時または再起動時の動作に係わる。
【背景技術】
【０００２】
図４は、一般的な同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータの一例の構成を示す図である。ここでは、直流電源から与えられる入力電圧Ｖinを降圧して出力電圧Ｖout を生成するＤＣ／ＤＣコンバータ１０を示す。
【０００３】
図４において、１組のスイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、互いに直列的に接続されている。スイッチング素子Ｑ１には直流電源が接続されており、スイッチング素子Ｑ２は接地されている。また、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続点と出力端子との間には、コイルＬが設けられている。さらに、コイルＬの出力側には、出力電流を平滑化するための出力コンデンサＣout が設けられている。
【０００４】
ＰＷＭ制御部１１は、出力電圧Ｖout と目標電圧との誤差をゼロにするための１組のＰＷＭ信号を生成する。１組のＰＷＭ信号は、互いにその論理が反転した状態であり、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の制御端子に与えられる。そして、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、与えられるＰＷＭ信号に従って、交互にオン／オフ状態を繰り返す。このフィードバック系により、出力電圧Ｖout は目標電圧に保持される。
【０００５】
ところで、ＤＣ／ＤＣコンバータの起動時に発生し得る過電流（または、突入電流）を防止するために、ソフトスタート機能を備える構成が知られている。図４に示すＤＣ／ＤＣコンバータ１０においてソフトスタート機能を実現する場合は、スイッチング素子Ｑ１のデューティをゼロから徐々に上昇させるようにＰＷＭ信号を生成すればよい。
【０００６】
特許文献１には、上述のようなＤＣ／ＤＣコンバータ（スイッチングレギュレータ）にシリーズレギュレータを追加した電源装置が記載されている。この電源装置においては、シリーズレギュレータからスイッチングレギュレータへの切り替え時にソフトスタート動作が行われる。このとき、スイッチングレギュレータが所定の状態に達するまではシリーズレギュレータの出力が電源装置の出力として負荷に供給され、スイッチングレギュレータが所定の状態に達した時点で電源装置の出力がスイッチングレギュレータに切り替えられる。
【特許文献１】特開２００５−１６８２３０号公報（図１、明細書の段落００１７〜００２０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図４に示すＤＣ／ＤＣコンバータ１０においては、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、互いに反転したＰＷＭ信号により駆動される。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の起動時にソフトスタートを行う場合、スイッチング素子Ｑ１のデューティは、上述したように、ゼロから徐々に上昇するように制御される。そうすると、スイッチング素子Ｑ２のデューティは、１００パーセントから開始されることになる。
【０００８】
しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の使用態様によっては、その起動時に出力コンデンサＣout に電荷が残っていることがある。そして、この状態でスイッチング素子Ｑ２のデューティが１００パーセントから開始されると、出力コンデンサＣout に蓄積されている電荷がスイッチング素子Ｑ２を介して一気に流れることになる。そうすると、出力コンデンサＣout に残っている電荷量によっては大電流が発生し、回路素子を破壊するおそれがある。あるいは、回路素子を破壊しないとしても、出力コンデンサＣout に残っている電荷を無駄に消費してしまう。なお、この問題は、出力コンデンサＣout に電荷が残っている場合に限らず、出力端子にバッテリ等が接続される場合にも起こり得る。
【０００９】
特許文献１に記載の電源装置によれば、上述のような無駄な電流を低減することができる。しかし、この構成では、回路規模が大きくなるだけでなく、発熱量の増加および製造コストの上昇を招いてしまう。
【００１０】
本発明の課題は、起動時の過電流を防止しながら効率的に動作するＤＣ／ＤＣコンバータを、回路規模を大きくすることなく実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のＤＣ／ＤＣコンバータは、互いに直列的に接続された第１および第２のスイッチング素子と、前記第１および第２のスイッチング素子に接続するコイルと、前記コイルに接続するコンデンサと、前記第１および第２のスイッチング素子を駆動するための互いに反転している第１および第２のＰＷＭ信号を生成する信号生成手段と、前記第１および第２のスイッチング素子の駆動を開始するときに前記第２のＰＷＭ信号のデューティの上限値を徐々に大きくしていくデューティ制限手段、を有する。
【００１２】
上記構成のＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、その起動時に、第２のスイッチング素子を駆動するための信号のデューティがゼロから徐々に大きくなっていく。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータの起動時にコンデンサに電荷が残っている場合であっても、その電荷が第２のスイッチング素子を介して一気に流れることはない。
【００１３】
前記デューティ制限手段は、デューティがゼロから徐々に大きくなっていくＰＷＭ信号であるマスク信号を生成するマスク信号生成回路と、前記第２のスイッチング素子を駆動する駆動信号として前記第２のＰＷＭ信号と前記マスク信号との論理積信号を出力する論理積回路、から構成されるようにしてもよい。この構成によれば、回路規模をさほど大きくすることなく、第２のスイッチング素子を駆動するための信号のデューティを制限できる。
【００１４】
上記ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、例えば、前記第１のスイッチング素子には直流電源が接続され、前記第２のスイッチング素子は接地電位に接続されるように構成される。また、前記信号生成手段は、前記第１および第２のスイッチング素子の駆動を開始するときには、前記第１のＰＷＭ信号としてそのデューティをゼロから徐々に大きくしていくようにしてもよい。この構成によれば、ソフトスタート過程において大きな電流が接地側のスイッチング素子を介して流れることはない。
【００１５】
本発明の他の態様のＤＣ／ＤＣコンバータは、互いに直列的に接続された第１および第２のスイッチング素子と、前記第１および第２のスイッチング素子に接続するコイルと、
前記コイルに接続するコンデンサと、互いに反転している第１および第２のＰＷＭ信号を生成する信号生成手段と、前記第１および第２のスイッチング素子の駆動を開始するときにデューティがゼロから１００パーセントまで徐々に大きくなっていくＰＷＭ信号であるマスク信号を生成するマスク信号生成回路と、前記第２のＰＷＭ信号と前記マスク信号との論理積信号を生成する論理積回路、を有する。そして、前記第１のスイッチング素子は前記第１のＰＷＭ信号により駆動され、前記第２のスイッチング素子は前記論理積信号により駆動される。この構成においても、上述のＤＣ／ＤＣコンバータと同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータの起動時にコンデンサに電荷が第２のスイッチング素子を介して一気に流れることはない。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、起動時の過電流を防止しながら効率的に動作するＤＣ／ＤＣコンバータを、回路規模を大きくすることなく提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。ここでは、実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１は、直流電源としてのバッテリ２１から与えられる入力電圧Ｖinを降圧して出力電圧Ｖout を生成する。なお、図１および図４において共通して使用する符号は、同じ回路要素を指し示すものとする。すなわち、実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１は、図４に示すＤＣ／ＤＣコンバータ１０に対してマスク信号生成回路２およびＡＮＤ回路（論理積回路）３を追加することにより実現することができる。
【００１８】
図１において、スイッチング素子Ｑ１（第１のスイッチング素子）、スイッチング素子Ｑ２（第２のスイッチング素子）、コイルＬ（コイル）、出力コンデンサＣout （コンデンサ）、ＰＷＭ制御部（信号生成手段）１１は、基本的に、図４を参照しながら説明した通りである。
【００１９】
ＰＷＭ制御部１１は、出力電圧Ｖout と目標電圧との誤差をゼロにするための制御信号として、第１および第２のＰＷＭ信号を生成する。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の起動時には、第１のＰＷＭ信号は、そのデューティがゼロから徐々に大きくなるように制御され、第２のＰＷＭ信号は、そのデューティが１００パーセントから徐々に小さくなるように制御されものとする。これによりソフトスタート機能が提供される。
【００２０】
第１および第２のＰＷＭ信号は、互いにその論理が反転している。そして、第１のＰＷＭ信号は、そのままスイッチング素子Ｑ１の制御端子に与えられる。また、第２のＰＷＭ信号は、ＡＮＤ回路３の一方の入力端子に与えられる。なお、ＡＮＤ回路３の他方の入力端子には、マスク信号生成回路２により生成されるマスク信号が与えられる。そして、ＡＮＤ回路３は、第２のＰＷＭ信号とマスク信号との論理積信号をスイッチング素子Ｑ２の制御端子に与える。
【００２１】
マスク信号生成回路２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の起動時に、そのデューティがゼロから１００パーセントまで徐々に大きくなっていくＰＷＭ信号であるマスク信号を生成する。マスク信号生成回路２は、例えば、図２に示すように、三角波信号生成回路３１、閾値信号生成回路３２、コンパレータ３３を備える。三角波信号生成回路３１は、所定の周期で電圧上昇過程および電圧下降過程を繰り返す三角波信号を生成する。閾値信号生成回路３２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の起動を表す起動指示をトリガとして、時間経過と共にゼロから所定電位まで単調増加（または、所定電位からゼロまで単調下降）する閾値信号を生成する。ここで、閾値信号生成回路３２として抵抗を介してコンデンサを充電する回路（または、抵抗を介してコンデンサに蓄積されている電荷を放電する回路）を使用すれば、閾値信号の電位はそのＣＲの時定数で変化する。また、定電流源およびコンデンサで閾値信号生成回路３２を構成すれば、閾値信号の電位はほぼ直線的に変化することになる。そして、コンパレータ３３は、三角波信号の電位と閾値信号の電位とを比較する。
【００２２】
上記構成のＤＣ／ＤＣコンバータ１において、マスク信号は、第２のＰＷＭ信号に対してアクティブロー信号として作用する。すなわち、マスク信号が常にＬレベルであるときは、第２のＰＷＭ信号の各パルスはＡＮＤ回路３により遮断され、スイッチング素子Ｑ２は常にオフ状態となる。そうすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、スイッチング素子Ｑ２に並列に接続されているダイオードを利用する不連続モードで動作する。不連続モードとは、各スイッチングサイクルにおいてコイル電流が流れない期間が存在する動作モードである。一方、マスク信号が常にＨレベルであるときは、第２のＰＷＭ信号はそのままスイッチング素子Ｑ２に与えられる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２が交互に駆動され、連続モードで動作する。連続モードとは、各スイッチングサイクルにおいてゼロクロス点を除いて常にコイル電流が流れている動作モードである。なお、ＰＷＭ制御部１１は、動作モードに依存しない伝達関数で第１および第２のＰＷＭ信号を生成する。
【００２３】
図３は、実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１の起動時の動作を説明するタイミングチャートである。なお、スイッチング素子Ｑ１を駆動するための第１のＰＷＭ信号は、ソフトスタートを実現するために、そのデューティがゼロから徐々に大きくなっていくものとする。また、第２のＰＷＭ信号は、第１のＰＷＭ信号の反転信号であるので、そのデューティは１００パーセントから徐々に小さくなっていく。
【００２４】
マスク信号生成回路２は、三角波信号と閾値信号との比較結果を表すマスク信号を生成する。この実施例では、閾値信号は、図面を見やすくするために、直線的に電位が下降する信号である。マスク信号は、図３に示すように、デューティがゼロから徐々に大きくなっていくＰＷＭ信号である。なお、マスク信号のデューティが１００パーセントまで上昇すると（すなわち、常にＨレベル）、以降、その状態が保持される。
【００２５】
スイッチング素子Ｑ２の駆動信号は、ＡＮＤ回路３における第２のＰＷＭ信号とマスク信号との論理積の結果として得られる。ここで、第２のＰＷＭ信号の各パルスの幅は、マスク信号の対応するパルスの幅により制限される。すなわち、マスク信号は、第２のＰＷＭ信号のデューティの上限を制限する信号として作用する。
【００２６】
コイル電流は、スイッチング素子Ｑ１がオン状態に制御されている期間は直線的に増加し、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態に制御されている期間は直線的に減少する。このとき、スイッチング素子Ｑ２がオン状態に制御されている期間は、負のコイル電流（すなわち、回生電流）が流れることが可能になる。図３に示す例では、第２サイクル以降のスイッチングサイクルで回生電流が発生している。また、第１〜第３サイクルは、コイル電流がゼロになる期間が存在する不連続モードで動作しているが、第４サイクル以降は、ゼロクロス点を除いてコイル電流が連続して流れる連続モードで動作する。
【００２７】
このように、実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１においては、その起動時に、スイッチング素子Ｑ２の駆動信号のデューティが小さな値から徐々に上昇していくように制御される。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の起動時に出力コンデンサＣout に電荷が残っていたとしても、その電荷がスイッチング素子Ｑ２を介して一気に流れることはない。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１を構成する回路素子の破壊のおそれはなく、また、出力コンデンサＣout に残っている電荷を無駄に消費してしまうこともない。さらに、これらの効果は、マスク信号生成回路２およびＡＮＤ回路３を追加することにより得られるものであり、特許文献１に記載のようなパワー回路を必要としないので、ＤＣ／ＤＣコンバータの回路規模が大きくなることもない。
【００２８】
なお、上述の実施例は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の起動時について説明したが、ＤＣ／ＤＣコンバータの再起動時にも同様の動作により同様の効果が得られる。「ＤＣ／ＤＣコンバータ１の再起動」とは、例えば、温度上昇に伴ってＤＣ／ＤＣコンバータ１がエラー停止した後、温度が所定値以下に低下したときに動作を再開するケース等を想定する。
【００２９】
また、上述の実施例は、ＤＣ／ＤＣコンバータが降圧動作をする場合を示したが、本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータが昇圧動作を行う場合にも適用可能である。例えば、図１において負荷の代わりに補助バッテリが接続され、その補助バッテリを利用してバッテリ２１を充電する場合には、昇圧動作が行われる。この場合、マスク信号を利用してスイッチング素子Ｑ１の駆動信号のデューティを制限する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。
【図２】マスク信号生成回路の実施例である。
【図３】実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの起動時の動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】一般的な同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータの一例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１      ＤＣ／ＤＣコンバータ
２      マスク信号生成回路
３      ＡＮＤ回路（論理積回路）
１１    ＰＷＭ制御部
２１    バッテリ（直流電源）
３１    三角波信号生成回路
３２    閾値信号生成回路
３３    コンパレータ
【図１】
2007295759.tif 000003
【図２】
2007295759.tif 000004
【図３】
2007295759.tif 000005
【図４】
2007295759.tif 000006