(57)【要約】      （修正有）【課題】入力電圧が意図せず上昇した場合でも出力電圧を安定して供給することのできる電源装置を提供する。【解決手段】この電源装置は、電圧源が接続され入力電圧が入力される入力端子Ｔｉｎから、出力電圧が出力される出力端子に至る通電電流を制御するスイッチング素子１０と、通電電流を平滑化する平滑回路２０と、出力電圧が一定になるようにスイッチング素子をデューティ制御するための制御信号を生成する制御信号生成部３０と、入力端子を流れる入力電流を検出して制御信号生成部に出力する入力電流検出部４０とを備える。そして、制御信号生成部は、入力電流の電流値が所定の閾値以上となることを条件に、通電電流を遮断するようにスイッチング素子を制御する制御信号を出力し、入力電流の電流値が閾値未満となることを条件に、通電電流を通電することが可能なようにスイッチング素子を制御する制御信号を出力する。【選択図】図１
2016158392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧源が接続され入力電圧が入力される入力端子（Ｔｉｎ）から、出力電圧が出力される出力端子（Ｔｏｕｔ）に至る通電電流を制御するスイッチング素子（１０，１０ａ，１０ｂ）と、
前記通電電流を平滑化する平滑回路（２０）と、
前記出力電圧が一定になるように前記スイッチング素子をデューティ制御するための制御信号を生成する制御信号生成部（３０）と、を備える電源装置であって、
さらに、前記入力端子を流れる入力電流を検出して前記制御信号生成部に出力する入力電流検出部（４０）を備え、
前記制御信号生成部は、
前記入力電流の電流値が所定の閾値以上となることを条件に、前記通電電流を遮断するように前記スイッチング素子を制御する前記制御信号を出力し、
前記入力電流の電流値が前記閾値未満となることを条件に、前記通電電流を通電することが可能なように前記スイッチング素子を制御する前記制御信号を出力することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記制御信号生成部は、
前記入力電流と前記出力電圧とに基づいてＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ回路（３２）と、
前記ＰＷＭ信号と前記入力電流とに基づいて、前記制御信号を生成して出力するプリドライバ（３３）と、を有し、
前記プリドライバは、前記入力電流の電流値が前記閾値以上の値から前記閾値未満の値に遷移して、前記スイッチング素子が、前記通電電流が通電するように制御される際に、前記ＰＷＭ信号に同期して前記制御信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力される電力に対して所定の出力電力を生成する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロコンピュータの高性能化に伴い、マイクロコンピュータに供給する電圧の出力精度の向上が求められている。特許文献１には、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を用いたスイッチングレギュレータが記載されている。このスイッチングレギュレータは、ＰＷＭ信号のデューティ比を制御して、入力電力に対して所望の出力電力を生成するようになっている。具体的には、デューティ比を大きくする、すなわちＰＷＭ信号のＨｉｇｈ期間（以下、Ｈ期間と示す）が長いほど、出力する電圧を大きくできるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７３４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＰＷＭ信号のＨ期間あるいはＬｏｗ期間（以下、Ｌ期間と示す）の単位時間は、スイッチングレギュレータの駆動に係る発振器の発振周波数に依存する。つまり、発振周波数が大きくなるほど、制御可能な単位時間を短くでき、デューティ比ひいては出力電圧の分解能を大きくすることができる。逆に言えば、発振周波数が小さく出力電圧の分解能が小さいと、所望のＨ期間がスイッチング素子のオン時間の最小値よりも小さくなってしまうため、入力電圧が意図せず高くなった際や大電流が発生した際に、所望の出力電圧を上回ってしまう虞がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、入力電圧が意図せず上昇した場合でも出力電圧を安定して供給することのできる電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、電圧源が接続され入力電圧が入力される入力端子（Ｔｉｎ）から、出力電圧が出力される出力端子（Ｔｏｕｔ）に至る通電電流を制御するスイッチング素子（１０，１０ａ，１０ｂ）と、通電電流を平滑化する平滑回路（２０）と、出力電圧が一定になるようにスイッチング素子をデューティ制御するための制御信号を生成する制御信号生成部（３０）と、を備える電源装置であって、さらに、入力端子を流れる入力電流を検出して制御信号生成部に出力する入力電流検出部（４０）を備え、制御信号生成部は、入力電流の電流値が所定の閾値以上となることを条件に、通電電流を遮断するようにスイッチング素子を制御する制御信号を出力し、入力電流の電流値が閾値未満となることを条件に、通電電流を通電することが可能なようにスイッチング素子を制御する制御信号を出力することを特徴としている。
【０００８】
これによれば、所望のＨ期間がスイッチング素子のオン時間の最小値よりも小さくなってしまう場合に、スイッチング素子の動作を停止することができるので、出力電圧が過剰に上昇することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る電源装置（降圧コンバータ）の概略構成を示す回路図である。
【図２】出力電圧、電流検出信号、ＰＷＭ信号および制御信号の時間変化を示すタイミングチャートである。
【図３】その他の実施形態に係る電源装置（昇圧コンバータ）の概略構成を示す回路図である。
【図４】その他の実施形態に係る電源装置（昇降圧コンバータ）の概略構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。
【００１１】
（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係る電源装置の概略構成について説明する。
【００１２】
本実施形態における電源装置は、例えばエンジン制御ＥＣＵに搭載されたマイクロコンピュータに電力を供給するための電源回路である。図１に示すように、この電源装置１００は、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔの間に介在している。電源装置１００は、スイッチング素子１０と、平滑回路２０と、制御信号生成部３０と、入力電流検出部４０と、を備えている。
【００１３】
本実施形態における電源装置１００は、入力端子Ｔｉｎに比較的電圧の大きい電圧源が接続されており、電源装置１００がこれを降圧して出力端子Ｔｏｕｔに出力するように構成されている。すなわち、電源装置１００は降圧コンバータとして機能する。電源装置１００の構成要素について、以下、図１を参照して詳細を説明する。
【００１４】
スイッチング素子１０は例えばＭＯＳＦＥＴであり、ゲート端子に印加される電圧に基づいてオンまたはオフされるようになっている。具体的には、本実施形態におけるスイッチング素子１０はＮＭＯＳで構成され、ゲート端子に電圧が印加されるとドレイン電流が流れ、ゲート端子への電圧の印加が停止されるとドレイン電流が遮断される。スイッチング素子１０は、入力端子Ｔｉｎから出力端子Ｔｏｕｔに至る通電経路上に配置されており、スイッチング素子１０がオンされることにより入力端子Ｔｉｎから出力端子Ｔｏｕｔに向かって通電電流が流れる。すなわち、スイッチング素子１０は、入力端子Ｔｉｎから出力端子Ｔｏｕｔに至る通電電流を制御している。
【００１５】
平滑回路２０は、スイッチング素子１０と出力端子Ｔｏｕｔとの間に介挿され、入力端子に入力される入力電流を平滑化する機能を果たしている。平滑回路２０は、インダクタ２１とコンデンサ２２とショットキバリアダイオード２３とを有している。インダクタ２１は、入力端子Ｔｉｎに対してスイッチング素子１０と直列に接続されている。コンデンサ２２は、インダクタ２１と出力端子Ｔｏｕｔの接続点と基準電位（グランド）との間に接続されている。すなわち、インダクタ２１とコンデンサ２２はローパスフィルタを構成している。また、ショットキバリアダイオード２３は、スイッチング素子１０とインダクタ２１の接続点側をカソードとして、基準電位との間に接続されている。ショットキバリアダイオード２３は、スイッチング素子１０のオフ時に導通して還流電流が流れ、スイッチング素子１０のオン時にインダクタ２１およびコンデンサ２２に蓄積された電磁エネルギを放出させる。ショットキバリアダイオード２３を、還流時にオンするスイッチング素子に替えても良い。
【００１６】
制御信号生成部３０は出力端子Ｔｏｕｔの出力電圧をフィードバックしてスイッチング素子１０のゲート端子に印加される電圧のデューティ比を制御している。制御信号生成部３０は、比較回路３１とＰＷＭ回路３２とプリドライバ３３とを有している。
【００１７】
比較回路３１はコンパレータ３１ａと参照電源３１ｂとを有している。コンパレータ３１ａの２つの入力端子には平滑回路２０の出力と参照電源３１ｂが発生する参照電圧が入力されている。コンパレータ３１ａは、平滑回路２０の出力と参照電源３１ｂが発生する参照電圧との差分を増幅してＰＷＭ回路３２に出力する。なお、本実施形態におけるコンパレータ３１ａは、平滑回路２０の出力が参照電圧より大きい場合には正、平滑回路２０の出力が参照電圧より小さい場合には負、両者が等しい場合には０Ｖとなるような比較信号を出力する。
【００１８】
ＰＷＭ回路３２はコンパレータ３２ａと発振器３２ｂと論理演算器３２ｃとを有している。コンパレータ３２ａの２つの入力端子には、比較回路３１が出力する比較信号と、後述する入力電流検出部４０の出力、すなわち電流検出信号、とが入力されている。コンパレータ３２ａは、非反転入力端子に入力される入力電流検出部４０が出力する電流検出信号と、反転入力端子に入力される比較信号とを比較してリセット信号を出力する。発振器３２ｂは、所定の発振周波数を有するセット信号を出力する。論理演算器３２ｃは、上記リセット信号とセット信号とが入力され、所定のデューティ比に設定されたＰＷＭ信号を出力する。すなわち、ＰＷＭ回路３２は、出力端子Ｔｏｕｔの電圧と入力電流とに基づいてＰＷＭ信号のデューティ比を調整し、出力電圧が一定値になるようにフィードバック制御している。なお、ＰＷＭ信号は、図１に示す点Ａにおける電圧信号である。
【００１９】
プリドライバ３３はＰＷＭ回路３２からＰＷＭ信号が入力されている。そして、供給されるＰＷＭ信号のＨ期間における電圧を昇圧し、ゲート電圧としてスイッチング素子１０のゲート端子に制御信号を供給している。さらに、本実施形態におけるプリドライバ３３は、後述の電流検出信号が入力されており、検出された入力電流の大きさに基づいて、制御信号を調整可能になっている。なお、制御信号は図１に示す点Ｂにおける電圧信号である。プリドライバ３３の具体的な動作は追って詳説する。
【００２０】
入力電流検出部４０は、スイッチング素子１０と直列に接続されたシャント抵抗器４１と、シャント抵抗器４１の両端の電位差を増幅して電流検出信号を出力するオペアンプ４２とを有している。電流検出信号は、入力端子Ｔｉｎに入力される入力電流、すなわちスイッチング素子１０がオンしているときにインダクタ２１に流れ込む電流、に対応した信号である。なお、この電流検出方法に替えて、ＭＯＳＦＥＴであるスイッチング素子１０のドレイン−ソース間電圧を検出してインダクタ２１に流れる電流の電流値を検出する方法を採用しても良い。
【００２１】
次に、図２を参照して、本実施形態に係る電源装置１００の動作、とくに、制御信号生成部３０の動作について説明する。
【００２２】
図２は、出力電圧、電流検出信号、ＰＷＭ信号および制御信号の時間変化を示すタイミングチャートである。制御信号生成部３０におけるプリドライバ３３には、入力電流に対応して入力される電流検出信号に対して閾値が設定されている。換言すれば、入力電流に対して閾値が設定されている。
【００２３】
時刻ｔ１以前においては電流検出信号が閾値未満である。この場合、プリドライバ３３は、供給されるＰＷＭ信号のＨ期間における電圧を昇圧し、ゲート電圧としてスイッチング素子１０のゲート端子に電圧を供給する。すなわち、制御信号はＰＷＭ信号に同期して所定のデューティ比を以ってゲート端子に入力されている。出力電圧は制御信号のＨ期間で上昇しＬ期間で下降する。出力電圧は上昇と下降を繰り返して、平均として、一定電圧として出力端子Ｔｏｕｔから出力される。
【００２４】
その後、何らかの理由で電圧源の電圧が変動する等して入力電流が増加したと仮定する。入力電流の増加に起因して出力電圧も増加する。そして、時刻ｔ１において電流検出信号が閾値以上となったとする。この場合、プリドライバ３３は、ＰＷＭ信号を遮断して、制御信号として常にＬ期間となるような信号をスイッチング素子１０に出力する。すなわち、時刻ｔ１以降、ＰＷＭ信号はＨとＬを繰り返すが、制御信号はＬとなる。これにより、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔの間の通電経路が遮断されて、通電電流が遮断されるので、時刻ｔ１以降、出力電圧は低下する。
【００２５】
その後、時刻ｔ２において、入力電流が低下して閾値を下回ったとする。プリドライバ３３は、入力されるＰＷＭ信号がＨ期間であれば、制御信号をＨ状態に遷移させることが可能な状態となる。本実施形態におけるプリドライバ３３は、時刻ｔ２におけるＰＷＭ信号はＨ期間であるものの、制御信号をＨ状態に遷移させない。
【００２６】
そして、時刻ｔ２の後の時刻ｔ３において、ＰＷＭ信号がＬからＨに遷移するタイミングで、プリドライバ３３は、制御信号をＬからＨに遷移させる。換言すれば、プリドライバ３３は、入力電流の電流値が閾値以上の値から閾値未満の値に遷移してスイッチング素子がオン状態に移行する際に、ＰＷＭ信号に同期して制御信号を出力する。
【００２７】
時刻ｔ３以降は、時刻ｔ１以前と同様に、プリドライバ３３はＰＷＭ信号と同期して制御信号を出力する。
【００２８】
次に、本実施形態に係る電源装置１００の作用効果について説明する。
【００２９】
この電源装置１００における制御信号生成部３０は、入力電流の電流値が閾値以上になると、ＰＷＭ信号にかかわらず、制御信号をＬ状態として、スイッチング素子１０をオフ状態とする。このため、出力電圧抑制のために必要とされる制御信号のＨ期間が、スイッチング素子１０のオン時間の最小値よりも小さくなってしまう場合であっても、スイッチング素子１０の通電を停止することができるので、出力電圧が過剰に上昇することを抑制することができる。
【００３０】
また、本実施形態における制御信号生成部３０は、制御信号の立ち上がりのタイミングをＰＷＭ信号に同期させるので、制御信号を任意のタイミングで立ち上げる場合に較べて、プリドライバ３３のロジック回路を簡素化でき、回路規模を抑制することができる。また、入力されるＰＷＭ信号に対する制御信号の出力の応答速度も向上させることができる。
【００３１】
（変形例１）
上記した実施形態では、電源装置１００が入力電圧を降圧して出力電圧を生成する降圧コンバータとして機能する例を示したが、降圧コンバータの例に限定されない。例えば図３に示すように、第１実施形態に対して、スイッチング素子１０および平滑回路２０の配置を変更した昇圧コンバータとしての機能を奏する電源装置２００であっても、第１実施形態と同様の構成の制御信号生成部３０を備えることにより、出力電圧を安定して生成することができる。
【００３２】
この電源装置２００は、シャント抵抗器４１と出力端子Ｔｏｕｔとの間にインダクタ２１とショットキバリアダイオード２３が直列接続され、コンデンサ２２がショットキバリアダイオード２３と出力端子Ｔｏｕｔの中点と基準電位（グランド）との間に接続されている。そして、インダクタ２１とショットキバリアダイオード２３の中点と基準電位との間にスイッチング素子１０が接続されている。このようにして、入力電圧を昇圧する回路が構成されている。なお、本変形例においても、インダクタ２１、コンデンサ２２、ショットキバリアダイオード２３が平滑回路２０を構成している。
【００３３】
この電源装置２００では、スイッチング素子１０がオンすることにより入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔの間の通電電流を遮断するようになっている。したがって、本変形例におけるプリドライバ３３は、第１実施形態における制御信号を反転した制御信号が出力するようになっている。
【００３４】
（変形例２）
また、図４に示すように、昇降圧コンバータとしての機能を奏する電源装置３００であっても、第１実施形態と同様の構成の制御信号生成部３０を備えることにより、出力電圧を安定して生成することができる。
【００３５】
この電源装置３００は、変形例１の昇圧回路に加えて、シャント抵抗器４１とインダクタ２１との間に第２のスイッチング素子１０ｂが接続され、第２のスイッチング素子１０ｂとインダクタ２１の中点と基準電位（グランド）との間に第２のショットキバリアダイオード２３ｂが接続されている。このようにして、入力電圧を昇降圧する回路が構成されている。なお、図４においては、変形例１におけるスイッチング素子１０の符号を１０ａと示し、ショットキバリアダイオード２３の符号を２３aと示している。
【００３６】
変形例１に示した昇圧回路と同様に、この電源装置３００では、スイッチング素子１０ａがオンし、第２のスイッチング素子１０ｂがオフすることにより入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔの間の通電電流を遮断するようになっている。したがって、本変形例におけるプリドライバ３３は、第１実施形態における制御信号を反転した制御信号が出力するようになっている。なお、スイッチング素子１０ａと第２のスイッチング素子１０ｂは、制御信号に対して相互に反転動作するようになっている。すなわち、スイッチング素子１０ａがオンするときには第２のスイッチング素子１０ｂはオフし、スイッチング素子１０ａがオフするときには第２のスイッチング素子１０ｂはオンする。
【００３７】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００３８】
上記した第１実施形態では、入力電流の電流値が閾値以上の値から閾値未満の値に遷移してスイッチング素子がオン状態に移行する際に、制御信号の立ち上がりがＰＷＭ信号に同期して出力される例を示したが、制御信号は必ずしもＰＷＭ信号に同期していなくとも良い。つまり、図２に示す時刻ｔ２において、電流検出信号が所定の閾値未満となった時点で制御信号をＨ状態に遷移させても良い。しかしながら、上記したように、制御信号とＰＷＭ信号とを同期させることにより、回路規模を抑制することができる。また、入力されるＰＷＭ信号に対する制御信号の出力の応答速度も向上させることができる。
【００３９】
また、上記した各実施形態にかかる電源装置１００，２００，３００が電力を供給する対象は、エンジン制御ＥＣＵに搭載されたマイクロコンピュータに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１０…スイッチング素子，２０…平滑回路，３０…制御信号生成部，３１…比較回路，３２…ＰＷＭ回路，３３…プリドライバ，４０…入力電流検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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