(57)【要約】【課題】本発明は、電流制限機能を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ回路において、ＮＡＮＤ回路を省略することを目的とする。【解決手段】本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、過電流検出部２２、電流源２４及び電流源制御部２３を設け、過電流検出部２２が過電流を検出しない通常時は電流源２４をオフする。過電流時は、過電流検出部２２で過電流を検出し、電流源２４の出力電流を降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ２１に備わる誤差アンプ１０のマイナス入力端子に流し込み、抵抗を負荷とし、誤差アンプ１０のマイナス入力端子に電圧を発生させる。誤差アンプ１０とパルス幅変調回路１２は、誤差アンプ１０のマイナス入力端子に発生させた電圧により、半導体スイッチ２に一定パルスを与えるように動作する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を受け、半導体スイッチ及び平滑回路を通して直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路において、
前記平滑回路からの出力電圧と予め定められた基準電圧との差電圧を検出する誤差アンプと、
前記誤差アンプの検出する差電圧に応じたパルス幅のゲート電圧を前記半導体スイッチに印加するパルス幅変調回路と、
前記半導体スイッチの過電流を検出する過電流検出部と、
前記誤差アンプに電流を供給する電流源と、
前記電流源が前記誤差アンプに供給する電流を、前記過電流検出部の検出する過電流の大きさに応じて変更する電流源制御部と、を備えることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ回路。
【請求項２】
前記過電流検出部が、前記半導体スイッチのミラー回路に流れる電流を検出することで過電流を検出することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ回路。
【請求項３】
前記電流源を構成するトランジスタと逆特性であり、コレクタが前記電流源のトランジスタのコレクタと接続されているおり、出力電圧の低下により前記電流源からの電流をバイパスさせるトランジスタをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流制限機能を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来のＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一例を示す回路図である。従来のＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、入力コンデンサ５１、半導体スイッチ５２、ショットキーバリアダイオード５３、チョークコイル５４、平滑用コンデンサ５５、分圧抵抗５７、５８、基準電圧発生回路５９、誤差アンプ６０、発振器（ＯＳＣ）６１、パルス幅変調回路（ＰＷＭコンパレータ）６２を備える。基準電圧発生回路５９、誤差アンプ６０、発振器６１、ＰＷＭコンパレータ６２によって、降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ６８が構成される。従来のＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、一般的には、さらに、過電流保護機能６３を備えていた（例えば、特許文献１及び２を参照。）。従来の過電流保護回路６３は、過電流検出回路６４のほかにＮＡＮＤ回路６５を備え、過電流検出回路６４の出力をＮＡＮＤ回路６５に入力することによりＮＡＮＤ回路６５が半導体スイッチ５２をスイッチとして機能させていた。
【０００３】
従来のＤＣ−ＤＣコンバータ回路では、過電流でない通常動作の場合、過電流検出回路６４の出力はＨレベル固定なので、ＮＡＮＤ回路６５はＰＷＭコンパレータ６２の論理を反転させていた。半導体スイッチ５２とチョークコイル５４を流れた電流は、平滑用コンデンサ５５に充電され、誤差アンプ６０のマイナス入力端子に発生させた電圧を、基準電圧発生回路５９の出力電圧Ｖｒｅｆと同じになるように半導体スイッチ５２を制御していた。これによって、従来のＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、出力電圧Ｖｏｕｔを一定電圧に保っていた。
【０００４】
過電流である過電流防止動作の場合、過電流検出回路６４が過電流を検出すると過電流検出回路６４の出力がＬレベルになるので、ＰＷＭコンパレータ６２の出力電圧に関係なく、ＮＡＮＤ回路６５の出力がＨレベルになり、半導体スイッチ５２をオフにしていた。このように、従来は、過電流検出回路６４の出力はＨレベル固定なので、過電流検出回路６４と半導体スイッチ５２との間にＮＡＮＤ回路６５が必要だった。
【特許文献１】特開平８−３２３６２号公報
【特許文献２】特開２００５−１９８４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電流制限機能を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ回路において、ＮＡＮＤ回路を省略することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、過電流検出部、電流源及び電流源制御部を設け、過電流検出部が過電流を検出しない通常時は電流源をオフする。過電流時は、過電流検出部で過電流を検出し、電流源の出力電流を降圧ＤＣ−ＤＣコントローラに備わる誤差アンプのマイナス入力端子に流し込み、抵抗を負荷とし、誤差アンプのマイナス入力端子に電圧を発生させる。誤差アンプとパルス幅変調回路は、誤差アンプのマイナス入力端子に発生させた電圧により、半導体スイッチに一定パルスを与えるように動作する。過電流時でも、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力デューティは無制御状態になることがなく、半導体スイッチに流れる電流に制限を与えることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電流制限機能を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ回路において、ＮＡＮＤ回路を省略することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。図１は、本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路の概略構成図であり、（ａ）は通常動作における帰還ループを示し、（ｂ）は過電流防止動作における帰還ループを示す。本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、入力端子１８に入力された直流電力を受け、半導体スイッチ２及び平滑回路２０を通して、出力端子１９から直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路において、ＰＷＭ制御型降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ２１と、過電流検出部２２と、電流源制御部２３と、電流源２４と、を備える。
【０００９】
半導体スイッチ２は、出力端子１９側に流す電流を調整するものであり、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。平滑回路２０は、ショットキーバリアダイオード３と、チョークコイル４と、平滑用コンデンサ５とを備える。半導体スイッチ２とチョークコイル４によって、電流が平滑用コンデンサ５に充電される。出力端子１９は、平滑用コンデンサ５に充電されている平滑化された電圧を出力する。
【００１０】
ＰＷＭ制御型降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ２１は、出力端子１９の出力する電圧に応じて半導体スイッチ２のバイアス電圧のパルス幅を制御する。例えば、ＰＷＭ制御型降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ２１は、基準電圧発生回路９と、誤差アンプ１０と、発振器１１と、パルス幅変調回路１２と、を備える。
【００１１】
誤差アンプ１０は、平滑回路２０からの出力電圧と予め定められた基準電圧発生回路９との差電圧を検出する。誤差アンプ１０のマイナス側入力端子は、抵抗７と抵抗８の間に接続されている。誤差アンプ１０のマイナス側入力端子に、抵抗７と抵抗８によって分圧された出力電圧が入力される。誤差アンプ１０のプラス側入力端子は、基準電圧発生回路９に接続されている。
【００１２】
パルス幅変調回路１２は、誤差アンプ１０の検出する差電圧に応じたパルス幅のゲート電圧を半導体スイッチ２に印加する。これによって、平滑用コンデンサ５に充電される電流を制御する。パルス幅変調回路１２は、例えばＰＷＭコンパレータである。パルス幅変調回路１２のマイナス側の入力端子は、誤差アンプ１０に接続されている。パルス幅変調回路１２のプラス側の入力端子は、発振器１１に接続されている。パルス幅変調回路１２の周波数は、発振器１１の周波数によって決まる。
【００１３】
過電流検出部２２は、半導体スイッチ２の過電流を検出する。たとえば、過電流検出部２２は、半導体スイッチ２のミラー回路を備え、当該ミラー回路に流れる電流を測定することで半導体スイッチ２の過電流を検出する。半導体スイッチ２のミラー回路のゲートサイズが小さい半導体スイッチを用いることで、過電流の検出に用いる抵抗に小型の部品を選定することができる。
【００１４】
電流源２４は、誤差アンプ１０に電流を供給する。電流源２４は、例えば、入力された電位差に応じた電流を発生させるＰＮＰトランジスタ又はＮＰＮトランジスタである。電流源制御部２３は、電流源２４が誤差アンプ１０に供給する電流を、過電流検出部２２の検出する過電流の大きさに応じて変更する。電流源制御部２３は、例えば、過電流検出部２２が過電流を検出したときに、電流源２４との接続をオンにするスイッチ（不図示）を備える。電流源２４との接続をオンにすることで、電流源制御部２３は過電流防止動作における帰還ループ１０２を接続し、入力電圧Ｖｉｎとの間の電圧差に応じた電流を誤差アンプ１０に供給する。過電流検出部２２が過電流を検出しなくなると、スイッチをオフにして、帰還ループ１０２の接続をオフにする。これによって、出力短絡時でも、パルス幅変調回路１２の出力するデューティ比を一定以上に保ち、半導体スイッチ２に流れる電流に制限を与えることができる。
【００１５】
ここで、出力端子１９の出力電圧の低下により電流源２４から誤差アンプ１０へ流れる電流をバイパスさせるバイパス用トランジスタ（不図示）をさらに備えることが好ましい。出力電圧Ｖｏｕｔが下がるとともにバイパス用トランジスタに流れる電流は少なくなる。そのため、誤差アンプ１０のマイナス入力端子の電圧は上がり、半導体スイッチ２に流れる電流が少なくなる。バイパス用トランジスタは、例えば、電流源２４を構成するトランジスタと逆特性であり、コレクタが電流源２４を構成するトランジスタのコレクタと接続されているトランジスタである。バイパス用トランジスタは、電流源２４を構成するトランジスタがＰＮＰトランジスタであればＮＰＮトランジスタであり、電流源２４を構成するトランジスタがＮＰＮトランジスタであればＰＮＰトランジスタである。
【００１６】
図１（ａ）に示す通常状態では、過電流ではないので、電流源制御部２３は図１（ｂ）に示す帰還ループ１０２の接続をオフにして、電流源２４から誤差アンプ１０への電流の供給をオフにする。このとき、ＰＷＭ制御型降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ２１は、半導体スイッチ２を帰還ループ１０１により制御する。
【００１７】
図１（ｂ）に示す過電流防止動作では、過電流検出部２２が過電流を検出する。過電流の検出は、例えば、半導体スイッチ２に流れる電流を測定することで検出する。このとき、半導体スイッチ２に流れる電流を直接検出してもよいし、過電流検出部２２に半導体スイッチ２のミラー回路を設けて検出してもよい。電流源制御部２３は、過電流検出部２２が過電流を検出すると、帰還ループ１０２の接続をオンにし、電流源２４から誤差アンプ１０への電流の供給をオンにする。ＰＷＭ制御型降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ２１は、半導体スイッチ２を帰還ループ１０２によって制御する。過電流防止動作の解除は、出力端子１９からの出力電圧Ｖｏｕｔが復帰すると、帰還ループ１０２から帰還ループ１０１に切り替わる。出力電圧Ｖｏｕｔの復帰は、たとえば、過電流検出部２２が過電流を検出しなくなったことによって判定することができる。
【００１８】
以上説明したように、本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、誤差アンプ１０からの出力をパルス幅変調回路１２のマイナス側の入力端子に入力させ、パルス幅変調回路１２の出力を半導体スイッチ２に接続すれば、ＮＡＮＤ回路が不要になる。これによって、ＮＡＮＤ回路を用いずに、過電流による半導体スイッチ２の焼損を防止することができる。
【実施例１】
【００１９】
図２は、実施例１に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示す概略構成図である。図２に示すＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、過電流検出部２２として、半導体スイッチ１３、電流電圧変換の抵抗１４、充電用コンデンサ１５、誤差アンプ１７を備える。半導体スイッチ１３は、半導体スイッチ２のミラー回路である。半導体スイッチ１３には半導体スイッチ２に流れる電流とほぼ同じ電流が流れ、抵抗１４により電圧変換される。半導体スイッチ２に過電流が流れると充電用コンデンサ１５の電圧が充電され、充電用コンデンサ１５の電圧が基準電圧発生回路１６の出力電圧よりも高くなれば、誤差アンプ１７は電流源制御部２３内のスイッチ６をオンにし、誤差アンプ１０のマイナス入力端子に電流源２４からの定電流を供給する。電流供給により、抵抗７及び抵抗８が負荷となり、誤差アンプ１０のマイナス入力端子に電圧が発生する。この発生電圧と基準電圧発生回路９の出力電圧の差によって、誤差アンプ１０とＰＷＭコンパレータ１２は、半導体スイッチ２に流れる電流に制限を与えることができる。また、半導体スイッチ２と半導体スイッチ１３のミラー比を変えると、半導体スイッチ１３に流れる電流が小さくなり、抵抗１４は電力定格が小さい部品を用いることができる。よって、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路全体の寸法を小さくすることができる。例えば、半導体スイッチ２と半導体スイッチ１３のゲートサイズを１：１００とすると、半導体スイッチ２の電流が１Ａのとき、半導体スイッチ１３の電流は１０ｍＡとなる。
【００２０】
次に、出力電圧Ｖｏｕｔの出力が高負荷状態から解除された場合について説明する。平滑用コンデンサ５が充電され、Ｖｏｕｔ電圧は増加する。誤差アンプ１０のマイナス入力端子の電圧は、電流源２４によって発生した電圧からさらに上昇し、ＰＷＭコンパレータ１２は半導体スイッチ１３の電流を少なくしようと動作する。誤差アンプ１７がＬレベル、電流源制御部２３のスイッチ６がオフとなり、電流源２４からの誤差アンプ１０への電流の供給を停止することで、通常動作に復帰する。
【実施例２】
【００２１】
図３は、実施例２に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示す概略構成図である。実施例１と過電流検出部２２において異なる。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、半導体スイッチ２に流す電流を決定している。過電流検出部２２はＰＷＭコンパレータ１２の出力電圧を検出することで、半導体スイッチ２に流れる過電流を検出する。ＰＷＭコンパレータ１２の平均出力電圧が下がったら、電流源制御部２３はスイッチ６をオンにする。半導体スイッチ１３を不要とし、誤差アンプ１７のプラスとマイナスを入れ替えている。動作は実施例１で説明したＤＣ−ＤＣコンバータ回路と同じである。
【００２２】
図４は、実施例１及び実施例２に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流−出力電圧の特性である。出力電流が過電流の域に達すると、図２及び図３の誤差アンプ１０に電流源２４からの電流Ｉが供給され、出力端子１９からの出力電流Ｉｏが増加しながら基準電圧Ｖｒｅｆに至るまで出力電圧が減少した。
【００２３】
実施例１及び実施例２に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、半導体スイッチ２のゲートとＰＷＭコンパレータ１２の間にＮＡＮＤ回路を挿入することなく、過電流保護機能を具備する。また、ＮＡＮＤ回路を挿入しなかったことで、ＰＷＭ制御型降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ２１の出力供給能力を最大限活かすことができる。また、半導体スイッチ１３のゲートサイズが小さい半導体スイッチを選定することで、半導体スイッチ１３に流れる電流はミラー比分だけ低減することができ、抵抗１４は小型の部品を選定することができる。
【実施例３】
【００２４】
図５は、実施例３に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示す概略構成図である。実施例１の電流源２４に、バイパス用トランジスタ２５を追加した。図６は、実施例４に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示す概略構成図である。実施例４に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、実施例２の電流源制御部２３に、バイパス用トランジスタ２５を追加した。実施例１及び実施例２においては、電流源２４を構成するトランジスタがＰＮＰトランジスタなので、バイパス用トランジスタには、ＮＰＮトランジスタを用いている。
【００２５】
図７は、実施例３及び実施例４に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流−出力電圧の特性である。実施例３及び実施例４に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路では、出力電流が過電流の域に達すると、図５及び図６の誤差アンプ１０に電流源２４からの電流Ｉが供給される。実施例３及び実施例４に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路においては、出力電圧Ｖｏｕｔが下がるとともに、バイパス用トランジスタ２５に流れる電流Ｉｑ１は少なくなるので、電流源２４の出力電流Ｉは増える。そのため誤差アンプ１０のマイナス入力端子の電圧は上がり、半導体スイッチ２の電流Ｉｏは少なくなった。このように、実施例３及び実施例４に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路では、フの字特性の過電流保護特性を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
スイッチング電源などの直流電力源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路の概略構成図であり、（ａ）は通常動作における帰還ループを示し、（ｂ）は過電流防止動作における帰還ループを示す。
【図２】実施例１に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示す概略構成図である。
【図３】実施例２に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示す概略構成図である。
【図４】実施例１及び実施例２に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流−出力電圧の特性である。
【図５】実施例３に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示す概略構成図である。
【図６】実施例４に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示す概略構成図である。
【図７】実施例３及び実施例４に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電流−出力電圧の特性である。
【図８】従来のＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  入力コンデンサ
２  半導体スイッチ
３  ショットキーバリアダイオード
４  チョークコイル
５  平滑用コンデンサ
６  スイッチ
７、８  分圧抵抗
９  基準電圧発生回路
１０  誤差アンプ
１１  発振器（ＯＳＣ）
１２  パルス幅変調回路
１３  半導体スイッチ
１４  抵抗
１５  充電用コンデンサ
１６  基準電圧発生回路
１７  誤差アンプ
１８  入力端子
１９  出力端子
２０  平滑回路
２１  ＰＷＭ制御型降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ
２２  過電流検出部
２３  電流源制御部
２４  電流源
２５  バイパス用トランジスタ
５１  入力コンデンサ
５２  半導体スイッチ
５３  ショットキーバリアダイオード
５４  チョークコイル
５５  平滑用コンデンサ
５７、５８  分圧抵抗
５９  基準電圧発生回路
６０  誤差アンプ
６１  発振器（ＯＳＣ）
６２  パルス幅変調回路（ＰＷＭコンパレータ）
６３  過電流保護機能
６４  過電流検出回路
６５  ＮＡＮＤ回路
６８  降圧ＤＣ−ＤＣコントローラ
１０１  通常状態での帰還ループ
１０２  過電流状態での帰還ループ
Ｖｉｎ  ＤＣ−ＤＣコンバータ回路への入力電圧
Ｖｏｕｔ  ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧
Ｖｒｅｆ  誤差アンプからの出力電圧
【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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