(57)【要約】【課題】スイッチング素子のスイッチング周波数を高くすることなく、高スルーレートを実現することができるＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。【解決手段】入力端子Ｔinには、電池などから直流電圧が印加されており、出力端子Ｔoutからは、ＣＰＵなどの負荷に対して直流電圧が印加される。負荷側で出力電圧が低下すると、これが検出部６０によって検出され、検出結果が制御部７０に出力される。制御部７０では、出力電圧の低下の程度に対する制御コードが生成され、この制御コードに対応して、入力コンデンサ部１０の複数のコンデンサのスイッチング制御を行う。これにより、入力コンデンサ部１０に含まれている複数のコンデンサのうちの該当するものの電荷が出力コンデンサ５０に転送されて出力コンデンサ５０が充電され、出力電圧が所望の値に復帰する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を制御して、出力コンデンサから所望の出力電圧を得るＤＣ−ＤＣコンバータであって、
容量値の異なる複数の入力コンデンサ，
前記出力コンデンサからの出力電圧を検出するための電圧検出回路，
前記入力コンデンサに前記入力電圧を印加するとともに、前記入力コンデンサの電荷を各々前記出力コンデンサに転送するためのスイッチ回路，
前記電圧検出回路による検出結果に対応する制御コードを前記スイッチ回路に出力してスイッチ接続を制御し、前記入力コンデンサのうちの該当するものを前記出力コンデンサに接続して電荷を転送するための制御回路，
を備えたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記制御回路は、出力電圧の検出結果に対応して制御コードを周期的に変化させることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記制御コードの各ビットに対応して前記入力コンデンサがそれぞれ設けられており、最下位ビットに対応する入力コンデンサの容量の整数倍となるように、他のビットに対応する入力コンデンサの容量を設定したことを特徴とする請求項１又は２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧間の変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータに関し、特に、その高スルーレート化に好適な改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、マイクロプロセッサに代表されるデジタルＩＣでは、動作モードが切り替わる際に消費電流が急激に変化する。このため、供給側の電源には、高スルーレートが要求される。電源の高スルーレート化を実現するには、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数の高周波化が有効である。例えば、下記特許文献１には、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子をオン／オフ制御するスイッチングレギュレータを高速動作化することを目的とした技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−１４１１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上のように、スイッチング周波数を高くすることにより、電源を高スルーレート化することは可能であるが、そのためには、高速動作可能な高価なスイッチング素子が必要であって、コスト的に満足できるものではない。また、スイッチング周波数を高くすると、スイッチング損失が増加し、効率が低下するといった課題もある。更に、スイッチング素子をオン／オフ制御するＰＤＭ(Pulse Density Modulation)やＰＷＭ(Pulse Width Modulation)は、結果的に周波数を変化することに等しく、各回路の接続部におけるエネルギー伝達を損失なく行うための整合操作を行うことが困難になる恐れもある。
【０００４】
本発明は、以上のような点に着目したもので、スイッチング素子のスイッチング周波数を高くすることなく、高スルーレートを実現することができるＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため、本発明は、入力電圧を制御して、出力コンデンサから所望の出力電圧を得るＤＣ−ＤＣコンバータであって、容量値の異なる入力コンデンサ，前記出力コンデンサからの出力電圧を検出するための電圧検出回路，前記入力コンデンサに前記入力電圧を印加するとともに、前記入力コンデンサの電荷を各々前記出力コンデンサに転送するためのスイッチ回路，前記電圧検出回路による検出結果に対応する制御コードを前記スイッチ回路に出力してスイッチ接続を制御し、前記入力コンデンサのうちの該当するものを前記出力コンデンサに接続して電荷を転送するための制御回路，を備えたことを特徴とする。他の発明は、前記制御回路が、出力電圧の検出結果に対応して制御コードを周期的に変化させることを特徴とする。主要な形態の一つは、前記制御コードの各ビットに対応して前記入力コンデンサがそれぞれ設けられており、最下位ビットに対応する入力コンデンサの容量の整数倍となるように、他のビットに対応する入力コンデンサの容量を設定したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、入力コンデンサと出力コンデンサの接続状態を切り替え、入力コンデンサ部のコンデンサ値を適切に選定することによって、入力コンデンサから出力コンデンサに転送する電荷量を制御することとしたので、コンバータ側のスイッチング周波数を高くすることなく、あるいは一定の周波数でスイッチングしていても、高スルーレートを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【０００８】
最初に、図１を参照しながら、本発明の実施例１について説明する。図１に全体構成を示すように、本実施例のＤＣ−ＤＣコンバータは、複数の値の異なるコンデンサからなる入力コンデンサ部１０，この入力コンデンサ部１０の各コンデンサの接続を切り替えるスイッチ部３０，出力コンデンサ５０の出力電圧を検出する検出部６０，出力電圧が所望の電圧レベルとなるようにスイッチ部３０を制御する制御部７０，出力電圧から不要な周波数成分を取り除くフィルタ部（ローパスフィルタ）８０を備えている。
【０００９】
基本的な動作を説明すると、入力端子Ｔinには、電池などから直流電圧が印加されており、出力端子Ｔoutからは、ＣＰＵなどの負荷に対して直流電圧が印加される。ここで、負荷側で動作モードの切り替えなどによって出力電圧が低下すると、これが検出部６０によって検出され、検出結果が制御部７０に出力される。制御部７０では、出力電圧の低下の程度に対する制御コードが生成され、これが制御信号としてスイッチ部３０に出力される。スイッチ部３０は、入力された制御信号に対応して、入力コンデンサ部１０の複数のコンデンサのスイッチング制御を行う。これにより、入力コンデンサ部１０に含まれている複数のコンデンサのうちの該当するものの電荷が出力コンデンサ５０に転送されて出力コンデンサ５０が充電され、出力電圧が所望の値に復帰する。
【００１０】
ここで、入力端子電圧をＶin，入力コンデンサ部１０の入力端子Ｔinからみた容量をＣin，出力コンデンサ５０の容量値をＣout，出力電圧をＶoutとすると、次式が成り立つ。
Ｖout＝Ｖin×(Ｃin／Ｃout)・・・・・・（１）
【００１１】
従って、スイッチ部３０によって入力コンデンサ部１０のコンデンサ接続を切り替えてＣinを変化させることにより、出力電圧Ｖoutを所望の値に制御することができる。
【００１２】
次に、図２を参照しながら、前記実施例１の詳細な構成を説明する。図２に示すように、入力コンデンサ部１０は、コンデンサＣ１〜Ｃ４を備えている。これら入力コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量値は、例えば、Ｃ１＝Ｃｏ，Ｃ２＝２×Ｃｏ，Ｃ３＝３×Ｃｏ，Ｃ４＝４×Ｃｏとなっている。これらのコンデンサＣ１〜Ｃ４の一方の端子は、スイッチ部３０のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の共通端子側にそれぞれ接続されている。また、コンデンサＣ１〜Ｃ４の他方の端子は、いずれもスイッチＳＷ６を介してグランドないしアース側に接続されるとともに、スイッチＳＷ５を介して入力端子Ｔinに接続されている。
【００１３】
上述したスイッチ部３０のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の一方の切替端子側は、いずれも入力端子Ｔinに接続されており、他方の切替端子側は、出力コンデンサ５０に接続されている。また、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の制御端子側は、制御部７０の制御信号出力側にそれぞれ接続されている。図示の例では、制御部７０から４ビットの制御コードＣcntが出力され、その各桁の値によってスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切替制御が行われるようになっている。
【００１４】
次に、出力コンデンサ５０の電圧を検出する検出部６０としては、ＡＤコンバータや複数のコンパレータなどを利用して、アナログ信号をデジタル信号に変換する回路が利用される。制御部７０としては、例えばマイクロコントローラが用いられる。
【００１５】
次に、図３〜図５も参照しながら、本実施例の動作を説明する。まず、入力コンデンサＣ１〜Ｃ４を充電するときは、図３に示すように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を入力端子Ｔin側に切り替えるとともに、スイッチＳＷ５をオフ，スイッチＳＷ６をオンとする。これにより、図３に矢印ＦＡで示すように、入力端子Ｔinに印加されている直流電圧によって入力コンデンサＣ１〜Ｃ４の全てが充電される。
【００１６】
この状態で、負荷側の動作モードの切替などによって出力コンデンサ５０の電圧が低下したとすると、これが検出部６０によって検出され、検出結果が制御部７０に出力される。すると、制御部７０では、出力電圧の電圧値と、目標となる電圧値とが比較され、その差に相当する最適な制御コードＣcntが決定される。制御コードは、その最下位ビットが出力コンデンサＣ１に対応し、最上位ビットが出力コンデンサＣ４に対応する。
【００１７】
決定された制御コードＣcntがスイッチ部３０に出力されると、スイッチ部３０では、制御コードＣcntに基づいてスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切替が行なわれる。例えば、制御コードＣcntが「１０１１」であれば、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ４が出力コンデンサ側で、スイッチＳＷ３が入力コンデンサ側となり、制御コードＣcntが「０１１０」であれば、スイッチＳＷ２，ＳＷ３が出力コンデンサ側，スイッチＳＷ１，ＳＷ４が入力コンデンサ側となるという具合である。同時に、スイッチＳＷ５がオン，スイッチＳＷ６がオフに切り替えられる。すると、図４に矢印ＦＢで示すように、入力コンデンサＣ１〜Ｃ４のうち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４が出力コンデンサ側となったものの電荷が出力コンデンサ５０に供給され、出力コンデンサ５０が充電されるようになる。なお、図４は、制御コードＣcntが「１１１１」で、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がいずれも出力コンデンサ側となった場合を示している。これにより、出力コンデンサ５０の電圧は急激に回復し、更にフィルタ部８０で不要な周波数成分（特に高周波成分）を取り除かれて負荷側に供給される。以下、図３の動作と図４の動作が繰り返し行なわれる。
【００１８】
このように、本実施例によれば、負荷の急激な変化により出力電圧が変化したときも、瞬時に目標の電圧値になるように制御することが可能である。以上の動作を、図５を参照して更に説明すると、従来手法は、同図(A)に示すように、負荷側の変動によって出力コンデンサＣoutの電圧が目標値よりも低下したとすると、予め蓄電しておいた入力コンデンサＣinの電荷を出力コンデンサＣoutに転送する。この際に、入力コンデンサＣinの蓄電，出力コンデンサＣoutへの転送という処理を、出力電圧が目標値となるまで繰り返し行なう必要があり、出力電圧の回復を速やかに行なうためには、蓄電・転送の処理を繰り返しすばやく行なう，別言すれば、スイッチング周波数を上げる必要がある。
【００１９】
これに対し、本実施例では、同図(B)に示すように、容量が異なる複数の出力コンデンサＣin１〜Ｃin４が蓄電されており、これらを利用して出力コンデンサＣoutへの電荷の転送が行なわれる。この際に、出力電圧の低下の程度（目標値との差）に応じて出力コンデンサＣin１〜Ｃin４を選択し、適切な量の転送を行なうことで、短時間で出力電圧を目標値に復帰させることができる。
【実施例２】
【００２０】
次に、図５〜図９を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。なお、前記実施例１と対応する構成要素には同一の符号を用いることとする。上述した実施例１では、入力端子Ｔinの入力電圧を、出力コンデンサ５０に供給する制御電圧に変換する際の制御コードＣcntを、制御電圧に対して一義的に決めて時間的に変化させない場合、制御電圧の分解能は、入力コンデンサＣ１〜Ｃ４と出力コンデンサ５０のそれぞれの個数と容量値により決まる。例えば、図２に示した例の場合の制御電圧の分解能は、４ビット(１６通り)である。このような手法の場合、制御電圧の分解能を大きくするためには、入出力コンデンサの数を増やす必要がある。
【００２１】
これに対し、本実施例では、入力電圧をある目標値に制御する際の制御コードＣcntを一義的に決めるのではなく、制御コードＣcntを周期的に変化させることにより、入力コンデンサＣ１〜Ｃ４や出力コンデンサ５０の数を増やすことなく、分解能を大きくすることができる。
【００２２】
図６には、本実施例の構成が示されている。同図において、入力コンデンサ部１００は、コンデンサＣ１，Ｃ２を備えている。これら入力コンデンサＣ１，Ｃ２が蓄積できる電荷量は、それぞれＱＡ，ＱＢとする。コンデンサＣ１，Ｃ２の一方の端子は、スイッチ部１１０のスイッチＳＷ１，ＳＷ２の共通端子側にそれぞれ接続されている。また、コンデンサＣ１，Ｃ２の他方の端子は、いずれもスイッチＳＷ６を介してグランドないしアース側に接続されるとともに、スイッチＳＷ５を介して入力端子Ｔinに接続されている。スイッチ部１１０のスイッチＳＷ１，ＳＷ２の一方の切替端子側は、いずれも入力端子Ｔinに接続されており、他方の切替端子側は、出力コンデンサ５０に接続されている。また、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の制御端子側は、制御部１２０の制御信号出力側にそれぞれ接続されている。図示の例では、制御部１２０から２ビットの制御コードＣcntが出力され、その各桁の値によってスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替制御が行われるようになっている。
【００２３】
次に、図７〜図９を参照して、本実施例の動作を説明する。入力コンデンサＣ１，Ｃ２を充電するときは、図７に示すように、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を入力端子Ｔin側に切り替えるとともに、スイッチＳＷ５をオフ，スイッチＳＷ６をオンとする。これにより、図７に矢印ＦＡで示すように、入力端子Ｔinに印加されている直流電圧によって入力コンデンサＣ１，Ｃ２が充電される。この動作は、上述した実施例１と同様である。
【００２４】
この状態で、負荷側の動作モードの切替などによって出力コンデンサ５０の電圧が低下したとすると、これが検出部６０によって検出され、検出結果が制御部１２０に出力される。すると、制御部１２０では、出力電圧の電圧値と目標となる電圧値とが比較され、最適な制御コードＣcnt１，Ｃcnt２が決定される。そして、決定された制御コードＣcnt１がスイッチ部１１０に出力されると、スイッチ部１１０では、制御コードＣcnt１に基づいてスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替が行なわれる。例えば、出力電圧の低下が大きいときは、入力コンデンサＣ１，Ｃ２の全てを使って出力コンデンサ５０を充電する必要があるため、制御コードＣcntは「１１」となり、スイッチＳＷ１及びＳＷ２が出力コンデンサ５０側に切り替えられるとともに、スイッチＳＷ５がオン，スイッチＳＷ６がオフにそれぞれ切り替えられる。すると、図８に矢印ＦＢで示すように、入力コンデンサＣ１，Ｃ２の電荷が出力コンデンサ５０に供給され、出力コンデンサ５０が充電されるようになる。
【００２５】
入力コンデンサＣ１，Ｃ２による出力コンデンサ５０の充電が終了すると、再び図７の動作が行なわれ、入力コンデンサＣ１，Ｃ２の充電が行なわれる。次に制御部１２０は、制御コードＣcnt２をスイッチ部１１０に出力する。例えば、Ｃcnt２が「１０」の場合は、スイッチＳＷ２のみが出力コンデンサ側に切り替えられるとともに、スイッチＳＷ５がオン，スイッチＳＷ６がオフにそれぞれ切り替えられる。すると、図９に矢印ＦＣで示すように、入力コンデンサＣ２の電荷が出力コンデンサ５０に供給され、出力コンデンサ５０が充電されるようになる。
【００２６】
以上の動作により、出力コンデンサ５０には、入力コンデンサＣ１の電荷ＱＡが１回，入力コンデンサＣ２の電荷ＱＢが２回それぞれ転送されることになる。従って、入力端子電圧をＶin，出力コンデンサ５０の容量値をＣout，出力電圧をＶoutとすると、次式が成り立つ。
Ｖout＝Ｖin×｛(Ｃ１＋２Ｃ２）／２Ｃout｝・・・・・・（２）
【００２７】
以上の動作を、図５(C)を参照して更に説明すると、容量が異なる２つの出力コンデンサＣin１，Ｃin２が蓄電されており、これらを利用して出力コンデンサＣoutへの電荷の転送が行なわれる。この際に、最初は、Ｃin１，Ｃin２の両方を利用して出力コンデンサＣoutへの電荷転送が行なわれ、次に、Ｃin２のみを利用して出力コンデンサＣoutへの電荷転送が行なわれる。このように、出力電圧の低下の程度（目標値との差）に応じて制御コードＣcntを周期的に変化させ、出力コンデンサＣin１，Ｃin２の選択と、転送回数を適切に設定することで、出力コンデンサの数を増やすことなく電圧制御の分解能を大きくして、短時間で出力電圧を目標値に復帰させることができる。
【００２８】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
（１）前記実施例で示した入力コンデンサや出力コンデンサの数は、必要に応じて増減してよい。コンデンサ容量も適宜設定してよい。
（２）前記実施例２で示した制御コードの変化周期も任意に設定してよいが、あまり周期が長いと出力電圧の回復までに時間を要するようになるので、その点を考慮して支障のないように設定するとよい。
（３）前記実施例では、入力端子Ｔin側がプラス，グランドがマイナスの場合を説明したが、極性はその逆であってもよい。
（４）前記実施例では、制御コードが２進数であることに対応して、入力コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量をそれぞれＣｏ，２Ｃｏ，３Ｃｏ，４Ｃｏとしたが、これは一例であり、必要に応じて変更してよい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によれば、入力コンデンサから出力コンデンサに転送する電荷量を、出力電圧の低下に応じて制御することとしたので、高スルーレートの電源を実現することができ、パソコンなどの電子機器に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例の概略構成を示す回路ブロック図である。
【図２】実施例１の構成を示す回路ブロック図である。
【図３】入力コンデンサ充電時の実施例１の作用を示す説明図である。
【図４】出力コンデンサへの電荷転送時の実施例１の作用を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例の作用を示す説明図である。(A)は従来技術，(B)は実施例１，(C)は実施例２の動作をそれぞれ示す。
【図６】実施例２の構成を示す回路ブロック図である。
【図７】入力コンデンサ充電時の実施例２の作用を示す説明図である。
【図８】１回目の出力コンデンサへの電荷転送時の実施例２の作用を示す説明図である。
【図９】２回目の出力コンデンサへの電荷転送時の実施例２の作用を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０：入力コンデンサ部
３０：スイッチ部
５０：出力コンデンサ
６０：検出部
７０：制御部
８０：フィルタ部
１００：入力コンデンサ部
１１０：スイッチ部
１２０：制御部
Ｃ１〜Ｃ４：コンデンサ
Ｃin，Ｃin１〜Ｃin４：出力コンデンサ
Ｃout：出力コンデンサ
ＳＷ１〜ＳＷ６：スイッチ
Ｔin：入力端子
Ｔout：出力端子
Ｖin：入力端子電圧
Ｖout：出力電圧
【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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