(57)【要約】【課題】本発明は、入力電圧の変動に依ることなく、効率特性とリップル特性を共に向上することが可能な昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、パワートランジスタＮ１をスイッチング駆動することにより、入力電圧ＶＢＡＴを昇圧して所望の出力電圧ＶＯＵＴを生成するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、出力電圧ＶＯＵＴが下限電圧ＶＬまで下がると、パワートランジスタＮ１のスイッチング駆動を開始する一方、出力電圧ＶＯＵＴが上限電圧ＶＨまで上がると、パワートランジスタＮ１のスイッチング駆動を停止する制御部ＣＴＲＬと；入力電圧ＶＢＡＴに応じて、パワートランジスタＮ１のスイッチング駆動時におけるオン期間Ｔｏｎを可変制御するオン期間設定部ＯＰＳと；を有する構成とされている。【選択図】図１
2009055752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワートランジスタをスイッチング駆動することにより、入力電圧を昇圧して所望の出力電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記出力電圧が所定の下限電圧まで下がると、前記パワートランジスタのスイッチング駆動を開始する一方、前記出力電圧が所定の上限電圧まで上がると、前記パワートランジスタのスイッチング駆動を停止する制御部と；
前記入力電圧に応じて、前記パワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間を可変制御するオン期間設定部と；
を有して成ることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記オン期間設定部は、前記入力電圧が低いほど、前記パワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間を長く設定し、逆に、前記入力電圧が高いほど、前記パワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間を短く設定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】
前記オン期間設定部は、前記入力電圧に応じた可変電流を生成する電流源と、前記可変電流によって充電ないしは放電されるコンデンサと、を有して成り、前記コンデンサの端子電圧が所定値に達するまでの時間を前記パワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間として設定することを特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記入力電圧を供給する電池と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータで生成される前記出力電圧を駆動電圧とする負荷と、を有して成ることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力電圧を昇圧して所望の出力電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータ、及びこれを用いた電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話端末やデジタルスチルカメラなど、電池を電源とする携帯型の電子機器が種々実用化されており、これらに搭載される昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータには、効率特性やリップル特性の向上が要求されている。
【０００３】
なお、上記に関連する従来技術の一例として、特許文献１〜５を挙げることができる。
【特許文献１】特開平６−２１７５３８号公報
【特許文献２】特開平７−２２７０８２号公報
【特許文献３】特開平１０−２２５１０４号公報
【特許文献４】特開２０００−２２８８６９号公報
【特許文献５】特開２００４−１６６３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方式としては、図３（ａ）、（ｂ）で示すように、出力電圧ＶＯＵＴが所定の下限電圧ＶＬまで下がると、パワートランジスタのスイッチング駆動を開始し、出力電圧ＶＯＵＴが所定の上限電圧ＶＨまで上がると、パワートランジスタのスイッチング駆動を停止する制御方式（いわゆるヒステリシス制御方式）があるが、従来のＤＣ／ＤＣコンバータでは、パワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間Ｔｏｎ（図３（ａ）、（ｂ）の例では、パルス信号ＰＵＬＳＥのハイレベル期間）が所定の固定値に設定されていた。
【０００５】
確かに、入力電圧ＶＢＡＴが一切変動しないのであれば、上記従来のＤＣ／ＤＣコンバータであっても、スイッチング時におけるオン期間Ｔｏｎを適切に設定することで、所望の効率特性やリップル特性を得ることが可能である。
【０００６】
しかしながら、例えば、電池を電源とする携帯型の電子機器では、電池の消耗に伴って入力電圧ＶＢＡＴが大きく変動し、これに依存する形で、ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧比（一回のオン期間Ｔｏｎで得られる出力電圧ＶＯＵＴの上昇幅）も大きく変動する。
【０００７】
そのため、入力電圧ＶＢＡＴが低いときには、図３（ａ）で示すように、一回のオン期間Ｔｏｎで得られる出力電圧ＶＯＵＴの上昇幅が小さくなり、パワートランジスタのスイッチング回数（延いてはスイッチング損失）が増大して、効率特性が悪くなっていた。
【０００８】
逆に、入力電圧ＶＢＡＴが高い時には、図３（ｂ）で示すように、一回のオン期間Ｔｏｎで得られる出力電圧ＶＯＵＴの上昇幅が大きくなり、出力電圧ＶＯＵＴが所定の上限電圧ＶＨを上回って、リップル特性が悪くなっていた。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑み、入力電圧の変動に依ることなく、効率特性とリップル特性を共に向上することが可能な昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ、及び、これを用いた電子機器（例えば、電池を電源とする携帯型の電子機器）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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、パワートランジスタをスイッチング駆動することにより、入力電圧を昇圧して所望の出力電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記出力電圧が所定の下限電圧まで下がると、前記パワートランジスタのスイッチング駆動を開始する一方、前記出力電圧が所定の上限電圧まで上がると、前記パワートランジスタのスイッチング駆動を停止する制御部と；前記入力電圧に応じて、前記パワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間を可変制御するオン期間設定部と；を有して成る構成（第１の構成）とされている。
【００１１】
なお、上記第１の構成から成るＤＣ／ＤＣコンバータにて、前記オン期間設定部は、前記入力電圧が低いほど、前記パワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間を長く設定し、逆に、前記入力電圧が高いほど、前記パワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間を短く設定する構成（第２の構成）にするとよい。
【００１２】
また、上記第２の構成から成るＤＣ／ＤＣコンバータにて、前記オン期間設定部は、前記入力電圧に応じた可変電流を生成する電流源と、前記可変電流によって充電ないしは放電されるコンデンサと、を有して成り、前記コンデンサの端子電圧が所定値に達するまでの時間を前記パワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間として設定する構成（第３の構成）にするとよい。
【００１３】
また、本発明に係る電子機器は、上記第１〜第３いずれかの構成から成るＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記入力電圧を供給する電池と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータで生成される前記出力電圧を駆動電圧とする負荷と、を有して成る構成（第４の構成）とされている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、シンプルなシステムでありながら、入力電圧の変動に依ることなく、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータにとって重要な特性である効率特性とリップル特性を共に向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下では、電池を電源とする携帯型の電子機器（携帯電話端末やデジタルスチルカメラなど）に搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用した場合を例に挙げて、詳細な説明を行う。
【００１６】
図１は、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの一実施形態を示すブロック図である。
【００１７】
本図に示すように、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータは、制御部ＣＴＲＬと、オン期間設定部ＯＰＳと、Ｎチャネル型電界効果トランジスタＮ１と、コイルＬ１と、ダイオードＤ１と、抵抗Ｒ１及びＲ２と、コンデンサＣ１と、を有して成る。
【００１８】
制御部ＣＴＲＬは、出力電圧ＶＯＵＴ（或いは入力電圧ＶＢＡＴ）を受けて駆動するものであり、出力電圧ＶＯＵＴに応じた帰還電圧ＶＦＢ（抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードから引き出される出力電圧ＶＯＵＴの分圧電圧）を監視し、出力電圧ＶＯＵＴが所定の下限電圧ＶＬまで下がると、トランジスタＮ１のスイッチング駆動を開始する一方、出力電圧ＶＯＵＴが所定の上限電圧ＶＨまで上がると、トランジスタＮ１のスイッチング駆動を停止する手段である。なお、上限電圧ＶＨ及び下限電圧ＶＬは、入力電圧ＶＢＡＴの変動や周囲温度の変動に依らないバンドギャップ回路を用いて生成される一定電圧である。
【００１９】
オン期間設定部ＯＰＳは、入力電圧ＶＢＡＴに応じて、トランジスタＮ１のスイッチング駆動時におけるオン期間Ｔｏｎを可変制御する手段であり、Ｐチャネル型電界効果トランジスタＰ１、Ｐ２と、Ｎチャネル型電界効果トランジスタＮ２と、抵抗Ｒ３と、コンデンサＣ２と、コンパレータＣＭＰ１と、直流電圧源Ｅ１と、を有して成る。
【００２０】
トランジスタＰ１、Ｐ２のソースは、いずれも、入力電圧ＶＢＡＴの印加端に接続されている。トランジスタＰ１、Ｐ２のゲートは互いに接続されており、その接続ノードは、トランジスタＰ１のドレインに接続されている。
【００２１】
抵抗Ｒ３の一端は、トランジスタＰ１のドレインに接続されている。抵抗Ｒ３の他端は接地端に接続されている。コンデンサＣ２の一端は、トランジスタＰ２のドレインに接続されている。コンデンサＣ２の他端は、接地端に接続されている。トランジスタＮ２のドレインは、トランジスタＰ２のドレインに接続されている。トランジスタＮ２のソースは接地端に接続されている。トランジスタＮ２のゲートは、制御部ＣＴＲＬの充放電制御端に接続されている。
【００２２】
コンパレータＣＭＰ１の非反転入力端（＋）は、直流電圧源Ｅ１（入力電圧ＶＢＡＴの変動や周囲温度の変動に依らない一定電圧を生成するバンドギャップ回路）の正極端に接続されている。直流電圧源Ｅ１の負極端は、接地端に接続されている。コンパレータＣＭＰ１の反転入力端（−）は、コンデンサＣ２の一端（端子電圧Ｖｃの引出端）に接続されている。コンパレータＣＭＰ１の電源端は、出力電圧ＶＯＵＴの印加端（或いは入力電圧ＶＢＡＴの印加端）に接続されている。
【００２３】
すなわち、オン期間設定部ＯＰＳは、入力電圧ＶＢＡＴに応じた可変電流Ｉｍ（＝α×（ＶＢＡＴ−Ｖｇｓ）／Ｒ）を生成する電流源（Ｐ１、Ｐ２、Ｒ３）と、可変電流Ｉｍによって充電されるコンデンサＣ２と、を有して成り、コンデンサＣ２の端子電圧Ｖｃが所定値に達するまでの時間をトランジスタＮ１のスイッチング駆動時におけるオン期間Ｔｏｎとして設定する構成とされている。なお、上記のパラメータαは、トランジスタＰ１、Ｐ２から成るカレントミラー回路のミラー比を示しており、パラメータＶｇｓは、トランジスタＰ１、Ｐ２のゲート・ソース間電圧（オンスレッショルド電圧）を示しており、パラメータＲは、抵抗Ｒ３の抵抗値を示している。
【００２４】
トランジスタＮ１のゲートは、制御部ＣＴＲＬのパルス信号出力端に接続されている。トランジスタＮ１のドレインは、コイルＬ１の一端とダイオードＤ１のアノードに各々接続されている。コイルＬ１の他端は、入力電圧ＶＢＡＴの印加端に接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、負荷に接続されている。トランジスタＮ１のソースは、接地端に接続されている。コンデンサＣ１の一端は、ダイオードＤ１のカソードに接続されている。コンデンサＣ１の他端は、接地端に接続されている。抵抗Ｒ１及びＲ２は、コンデンサＣ１の一端と接地端との間に直列接続されており、互いの接続ノードは、制御部ＣＴＲＬの帰還入力端に各々接続されている。
【００２５】
なお、図１では明示されていないが、本発明に係る電子機器（例えば、ディジタルスチルカメラ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータに入力電圧ＶＢＡＴを供給する電池（例えば、リチウムイオン電池）と、ＤＣ／ＤＣコンバータで生成される出力電圧ＶＯＵＴを駆動電圧とする負荷（例えば、重負荷となるレンズドライバ駆動や、軽負荷となるサブマイコンのスタンバイ状態及びアイドル状態）と、を有して成る。
【００２６】
上記構成から成るＤＣ／ＤＣコンバータの基本動作（直流／直流変換動作）について、詳細な説明を行う。
【００２７】
トランジスタＮ１は、制御部ＣＴＲＬからのパルス信号ＰＵＬＳＥ（スイッチング駆動信号）に応じてスイッチング駆動される出力パワートランジスタである。
【００２８】
トランジスタＮ１がオン状態にされると、コイルＬ１にはトランジスタＮ１を介して接地端に向けたスイッチ電流が流れ、その電気エネルギが蓄えられる。なお、トランジスタＮ１のオン期間において、すでにコンデンサＣ１に電荷が蓄積されていた場合、負荷にはコンデンサＣ１からの電流が流れることになる。また、このとき、ダイオードＤ１のアノード電位は、トランジスタＮ１を介して、ほぼ接地電位まで低下するため、ダイオードＤ１は逆バイアス状態となり、コンデンサＣ１からトランジスタＮ１に向けて電流が流れ込むことはない。
【００２９】
一方、トランジスタＮ１がオフ状態にされると、コイルＬ１に発生した逆起電圧によって、そこに蓄積されていた電気エネルギが放出される。このとき、ダイオードＤ１は順バイアス状態となるため、ダイオードＤ１を介して流れる電流は、負荷に流れ込むと共に、コンデンサＣ１を介して接地端にも流れ込み、コンデンサＣ１を充電することになる。上記した動作が繰り返されることによって、負荷には、コンデンサＣ１によって昇圧され、かつ、平滑された直流出力が供給される。
【００３０】
このように、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータは、トランジスタＮ１のオン／オフ制御によってエネルギ貯蔵素子であるコイルＬ１を駆動することにより、入力電圧ＶＢＡＴを昇圧して所望の出力電圧ＶＯＵＴを生成するチョッパ型の昇圧回路として機能する。
【００３１】
次に、上記構成から成るＤＣ／ＤＣコンバータのヒステリシス制御、並びに、入力電圧ＶＢＡＴに応じたオン期間の可変制御について、先出の図１と共に、図２を参照しながら詳細な説明を行う。
【００３２】
図２は、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータのヒステリシス制御、並びに、入力電圧ＶＢＡＴに応じたオン期間の可変制御を説明するためのタイミングチャートであり、（ａ）は入力電圧ＶＢＡＴが低い場合、（ｂ）は入力電圧ＶＢＡＴが高い場合を示している。なお、図２（ａ）、（ｂ）には、出力電圧ＶＯＵＴとパルス信号ＰＵＬＳＥの各挙動が示されており、実線は本発明の挙動、破線は従来の挙動（図３（ａ）、（ｂ）と同様の挙動）を各々示している。
【００３３】
入力電圧ＶＢＡＴが低い場合、オン期間設定部ＯＰＳでは、可変電流Ｉｍが小さくなるため、コンデンサＣ２が緩やかに充電される。従って、コンデンサＣ２の端子電圧Ｖｃが所定値に達するまでの時間が長くなり、トランジスタＮ１のスイッチング駆動時におけるオン期間Ｔｏｎが長く設定される。
【００３４】
従って、入力電圧ＶＢＡＴが低い場合でも、トランジスタＮ１のスイッチング回数（延いてはスイッチング損失）が不要に増大することはなく、効率特性を良好に維持することが可能となる。なお、図２（ａ）の実線は、１回のスイッチング駆動で、出力電圧ＶＯＵＴが上限電圧ＶＨまで過不足なく上昇されるように、オン期間Ｔｏｎが理想的に可変制御される様子を示している。
【００３５】
一方、入力電圧ＶＢＡＴが高い場合、オン期間設定部ＯＰＳでは、可変電流Ｉｍが大きくなるため、コンデンサＣ２が急峻に充電される。従って、コンデンサＣ２の端子電圧Ｖｃが所定値に達するまでの時間が短くなり、図２（ｂ）で示したように、トランジスタＮ１のスイッチング駆動時におけるオン期間Ｔｏｎが短く設定される。
【００３６】
従って、入力電圧ＶＢＡＴが低い場合でも、出力電圧ＶＯＵＴが所定の上限電圧ＶＨを上回ることはなく、リップル特性を良好に維持することが可能となる。なお、図２（ｂ）の実線は、１回のスイッチング駆動で、出力電圧ＶＯＵＴが上限電圧ＶＨまで過不足なく上昇されるように、オン期間Ｔｏｎが理想的に可変制御される様子を示している。
【００３７】
このように、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータであれば、入力電圧ＶＢＡＴが変動しても、ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧比（一回のオン期間Ｔｏｎで得られる出力電圧ＶＯＵＴの上昇幅）は大きく変動しないので、効率特性とリップル特性を共に向上することが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータであれば、図１に示したように、非常にシンプルな構成のオン期間設定部ＯＰＳを用いて、上記の効果を奏することができるので、システム全体としてのコストアップを招くこともない。
【００３９】
なお、上記の実施形態では、電池を電源とする携帯型の電子機器（携帯電話端末やデジタルスチルカメラなど）に搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、その他の電子機器に搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータにも広く適用することが可能である。
【００４０】
また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、オン期間設定部ＯＰＳにおいて、入力電圧に応じた可変電流によってコンデンサを充電し、その端子電圧が所定値に達するまでの時間をパワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間として設定する構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、入力電圧に応じた可変電流によってコンデンサを放電し、その端子電圧が所定値に達するまでの時間をパワートランジスタのスイッチング駆動時におけるオン期間として設定する構成としても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、携帯電話端末やデジタルスチルカメラなど、電池を電源とする携帯型の電子機器に搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータに好適な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】は、本発明に係る昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの一実施形態を示すブロック図である。
【図２】は、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータのヒステリシス制御、並びに、入力電圧ＶＢＡＴに応じたオン期間の可変制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】は、従来のＤＣ／ＤＣコンバータにおける昇圧動作の一例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
ＣＴＲＬ    制御部
ＯＰＳ    オン期間設定部
Ｎ１、Ｎ２    Ｎチャネル型電界効果トランジスタ
Ｐ１、Ｐ２    Ｐチャネル型電界効果トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ３    抵抗
Ｌ１    コイル
Ｄ１    ダイオード
Ｃ１、Ｃ２    コンデンサ
ＣＭＰ１    コンパレータ
Ｅ１    直流電圧源
【図１】
2009055752.tif 000003
【図２】
2009055752.tif 000004
【図３】
2009055752.tif 000005