(57)【要約】【課題】高倍率昇圧においても負荷電流を引け、電池を入力電源とした場合に、電池電圧が低下して昇圧倍率が高くなっても所望の出力電圧を得られ、電池寿命を長くすることが可能な昇圧型スイッチングレギュレータを提供する。【解決手段】チョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータにおいて、チョッパ用コイルに中間端子を設けて、コイルの中間端子をスイッチング素子と接続する構成で、スイッチング素子のオン期間に流れる電流をチョッパ用コイルの一部を用いて磁気的なエネルギーを蓄積し、スイッチング素子のオフ期間に蓄積されたエネルギーをチョッパ用コイルの全部を利用して負荷側に移行させる構成とした。【選択図】  図１
2007228766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と出力端子の間に直列に接続されたコイルと整流素子と、
前記出力端子に接続され、前記出力端子の電圧を分圧する分圧回路と、
基準電圧回路と、
前記分圧回路と前記基準電圧回路の出力端子を入力端子に接続したエラーアンプと、
発振回路と、
前記発振回路と前記エラーアンプの出力端子を入力端子に接続したPWM制御回路と、
前記PWM制御回路の出力に制御端子を接続し、前記コイルの中間点と接地の間をスイッチングするように接続されたスイッチング素子と、からなる昇圧型スイッチングレギュレータ。
【請求項２】
入力端子と出力端子の間に直列に接続されたコイルと整流素子と、
前記出力端子に接続され、前記出力端子の電圧を分圧する分圧回路と、
基準電圧回路と、
前記分圧回路と前記基準電圧回路の出力端子を入力端子に接続したエラーアンプと、
発振回路と、
前記発振回路と前記エラーアンプの出力端子を入力端子に接続したPWM制御回路と、
前記PWM制御回路の出力に接続した切替回路と、
前記PWM制御回路の出力に接続し、PWM信号を検出して前記切替回路に切替信号を出力するPWM信号検出回路と、
前記切替回路に制御端子を接続し、前記コイルと前記整流素子の接続点と、接地の間をスイッチングするように接続された第１のスイッチング素子と、
前記切替回路に制御端子を接続し、前記コイルの中間点と接地の間をスイッチングするように接続された第２のスイッチング素子と、からなる昇圧型スイッチングレギュレータ。
【請求項３】
前記PWM信号検出回路は、PWM信号のMax_Dutyを検出し、前記切替回路に前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを切り替える信号を出力する機能を有する請求項２に記載の昇圧型スイッチングレギュレータ。
【請求項４】
前記第２のスイッチング素子は、前記コイルの複数の中間点と接地の間をスイッチングする複数のスイッチング素子からなり、前記切替回路によって切り替えて制御される請求項２に記載の昇圧型スイッチングレギュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、DC‐DC変換を行うチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータに関し、特に入出力電圧差が大きいアプリケーションに適するスイッチングレギュレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
DC‐DC変換を行うチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータとして、図３に示す回路構成は良く知られている。図３ではチョッパ用コイル１０５の一方の端子は入力電源１０１と接続し、他方の端子はスイッチング素子１０４及び整流素子１０６と接続する。スイッチング素子１０４のオン期間に流れる電流でチョッパ用コイル１０５に磁気的なエネルギーを蓄積し、スイッチング素子１０４のオフ期間に入力電源１０１及びチョッパ用コイル１０５のエネルギーを、出力用整流素子１０４を介して負荷側の出力平滑用コンデンサ１０７に移行させる。
【０００３】
スイッチング素子１０４に接続するスイッチング制御回路１０８は、出力電圧と出力負荷１０３に流れる出力電流の状況を監視してスイッチング素子１０４のオン、オフ期間を制御することで一定な出力電圧を保ちながら、安定な出力電流を出力負荷１０３に供給することが出来る。
【０００４】
PWM方式のスイッチング制御回路では、常に一定な周波数でスイッチング素子を制御し、入出力電圧と負荷電流に応じてスイッチング素子のオン期間を調整する。スイッチング素子のオン期間がスイッチング周期の中に占める割合をOn_Dutyと呼ぶ。入力電圧が一定の場合、負荷電流が大きければ大きいほど、一定の出力電圧を保つために、ON_Dutyが増えていく。同様に、負荷電流が一定の場合、入力電圧が低ければ低いほど、一定の出力電圧を保つために、ON_Dutyが増えていく。このようにOn_Dutyを制御することで一定な出力電圧を維持することが出来る。
【特許文献１】特開２０００−３２４８０７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図３に示されるような従来の昇圧型スイッチングレギュレータは、入出力電圧差が大きい場合、すなわち高倍率昇圧が必要となるアプリケーションでは負荷電流を引くと出力電圧が落ちってしまうという課題がある。
【０００６】
普通の入出力電圧条件では、ON_Dutyがある程度に増えると、スイッチング素子のオフ期間にコイルが完全に放電しないうちに、スイッチング素子がオンしてしまう。このため、コイル電流が０Ａのときが存在しなくなる電流連続モードという動作モードに入る。電流連続モードに入るとより多くの負荷電流を引くことができる。
【０００７】
電流連続モードに入る時点のON_Dutyを式１からおおまかに算出することができる。式１はコイルの電流変化量をベースにした式で、整流素子とスイッチング素子のエネルギー損失を省略するものである。
【０００８】
【数１】
2007228766.tif 000003
【０００９】
式１
式１から、電流連続モードに入る時点のON_Dutyは得られる。
【００１０】
【数２】
2007228766.tif 000004
【００１１】
式２
ＮはVout／Vin、すなわち昇圧倍率である。
【００１２】
式２から、電流連続モードに入る時点のON_Dutyは昇圧倍率と関わることが判る。高倍率昇圧が必要となるアプリケーション、例えばN=Vout/Vin=8の場合、電流連続モードに入る時点のON_Dutyは８７．５％が必要である。
【００１３】
しかし、昇圧動作では、出力に電流が供給される時間がスイッチング素子のオフ期間のみとなるため、オフ期間をなくしてはいけない。最大ON_Duty即ちMax_Dutyは、通常のスイッチング制御回路では８０％程度である。
【００１４】
従って、高倍率昇圧が必要となるアプリケーションでは、電流連続モードに入る時点のON_DutyはMax_Dutyより大きい場合は、Max_Dutyに制限されるので、電流連続モードで動作できないことがある。この場合は、負荷電流を多く引くと出力電圧が落ちってしまうと言う課題がある。特に、電池が入力電源となるアプリケーションでは、電池の電圧が低下する度に昇圧倍率が高くなり、最初と同じ負荷電流を引いても出力電圧が落ちってしまう。
【００１５】
そこで本発明の目的は、高倍率昇圧が必要となるアプリケーションでより多くの負荷電流を引けるような昇圧型スイッチングレギュレータ、また、電池が入力電源となるアプリケーションで、一定な負荷電流を引く場合、電池電圧が低下することによって昇圧倍率が高くなっても所望の出力電圧を得られるように、電池の使用時間を長くする昇圧型スイッチングレギュレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータは、チョッパ用コイルに中間端子を設けて、コイルの中間端子をスイッチング素子と接続する構成で、スイッチング素子のオン期間に流れる電流をチョッパ用コイルの一部を通して磁気的なエネルギーを蓄積し、スイッチング素子のオフ期間に蓄積されたエネルギーをチョッパ用コイルの全部を利用して負荷側に移行させる。こいうような構成によって、電流連続モードに入る時点のON_Dutyが小さくなり、より多くの出力負荷電流を取れるようになる。また、負荷電流が一定となる場合、昇圧倍率が高くなっても所望の出力電圧を得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の昇圧型スイッチングレギュレータは、高倍率昇圧が必要となるアプリケーションに対して簡単な回路構成で従来の昇圧型スイッチングレギュレータより多くの負荷電流を取れる。また、電池は入力電源となるアプリケーションで、一定な負荷電流を引く場合においては、電池電圧が低下することによって昇圧倍率が高くなっても所望の出力電圧を得られ、電池の使用時間を長くする効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施例のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータのブロック図である。チョッパ用コイル２０１は、一方の端子を入力電源１０１と接続し、他方の端子をスイッチング素子１０４と接続し、さらに中間端子をスイッチング素子１０４と接続する構成とした。
【００２０】
スイッチング素子１０４は、従来のスイッチングレギュレータと同様にPWM制御回路によって制御されるが、スイッチング素子１０４のオン期間に、チョッパ用コイル２０１の一方の端子から中間端子に流れる電流で磁気的なエネルギーを蓄積し、スイッチング素子１０４のオフ期間に、蓄積したエネルギーをチョッパ用コイル２０１の全部を利用して負荷側に移行させる。こいうような構成によって、従来のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータと比べ、電流連続モードに入る時点のON_Dutyが小さくなり、すなわちON_DutyをMax_Dutyより小さくすることにより、多くの出力負荷電流が取れるようになる。
【００２１】
本発明でチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータは、電流連続モードに入る時点のON_Dutyを式３から算出することができる。式３は、コイルに蓄積するエネルギー変化量をベースにした式で、コイルの磁気損失、整流素子とスイッチング素子のエネルギー損失を省略するものである。
【００２２】
【数３】
2007228766.tif 000005
【００２３】
式３
L1はスイッチング素子のオン期間に流れる電流が通るチョッパ用コイルの部分のインダクタンス、Lはチョッパ用コイルの全体のインダクタンスであり、L1=L/Mである。式３から、電流連続モードに入る時点のON_Dutyが得られる。
【００２４】
【数４】
2007228766.tif 000006
【００２５】
式４
高倍率昇圧が必要となるアプリケーションで、例えばN=Vout/Vin=8の場合、従来の回路構成では、電流連続モードに入る時点のON_Dutyは８７．５％が必要であるに対して、本発明の回路構成で、L1=L/8にすれば、電流連続モードに入る時点のON_Dutyは７１．２％あればよいことになる。それによって、Max_Dutyになる前に、電流連続モードで動作させることが可能となり、より多くの出力負荷電流を取れるようになる。
【実施例２】
【００２６】
図２は、本発明の第２の実施例のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータを示すブロック図である。チョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータにおいて、二つのスイッチング素子１０４と３０１を設けた構成となっている。スイッチング素子３０１は、従来と同様にチョッパ用コイル２０１の出力側に接続し、スイッチング素子１０４は第１の実施例と同様にチョッパ用コイルの中間端子に接続する。そして、PWM制御回路１１０のスイッチング信号を、スイッチング素子３０１とスイッチング素子１０４のどちらに出力するか切り替える切替回路３０２と、PWM制御回路１１０のスイッチング信号をモニタして、切替回路３０２に信号を出力するMax_Duty検出回路３０３を設けた。
【００２７】
電池１０１の電圧が高い時には、Max_Duty検出回路３０３は切替回路３０２にスイッチング素子３０１に切替制御する信号を送り、従来のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータと同様の動作を行う。そして、電池電圧が下がってきて昇圧倍率が高くなって来た時に、ON_Dutyは段々大きくなる。ON_DutyがMax_Dutyになったことを検出回路３０３が検出し、Max_Dutyがある一定時間以上続くと、検出回路３０３は切替回路３０２を通じて、スイッチング素子１０４に切替制御する信号を送る。そして、第１の実施例のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータと同様の動作を行うことで、電流連続モードで動作させることが可能となり、結果としてON_Dutyが小さくなって昇圧効率が良くなるので、所望の出力電圧を維持することができる。
【００２８】
以上説明したように、第２の実施例のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータは、特に電池が入力電源となるアプリケーションに対して、一定な負荷電流を引く場合、電池電圧が低下することによって昇圧倍率が高くなっても所望の出力電圧を得られ、電池の使用時間を長くする効果がある。
【００２９】
また、スイッチング素子１０４を複数設けて、Max_Duty検出回路３０３および切替回路３０２によって複数のスイッチング素子を切替制御するように構成してもよく。その場合は、さらに昇圧状況に応じた制御が可能となり、より昇圧効率の良いチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施例のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータを示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施例のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータを示すブロック図である。
【図３】従来のチョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータのブロック図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１            入力電源
１０２            チョッパ方式昇圧型スイッチングレギュレータ
１０３            出力負荷
１０４、３０１    スイッチング素子
１０５、２０１    チョッパ用コイル
１０６            整流素子
１０７            出力平滑コンデンサ
１０８            スイッチング制御回路
１０９            発振回路
１１０            PWM制御回路
１１１            エラーアンプ回路
１１２            基準電圧回路
１１３            分圧回路
３０２            切替回路
３０３            Max_Duty検出回路
【図１】
2007228766.tif 000007
【図２】
2007228766.tif 000008
【図３】
2007228766.tif 000009