JP2006311678A

JP2006311678A - 電圧変換装置

Info

Publication number: JP2006311678A
Application number: JP2005129362A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Ikeuchi; 良隆池内; Hiroshi Saito; 浩齊藤; Akira Watabe; 亮渡部
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】最大デューティ設定電圧の設定に余裕を持たせる必要をなくしてエネルギー供給のロスをなくし、また、出力端子の電圧が所望の設定電圧範囲を外れている間は出力端子から供給するエネルギーを最大に取ることができるようにした電圧変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】スイッチ（２０）のオンオフ制御でインダクタに流れる電流が調整され出力を制御する電圧変換装置の出力に応じた誤差信号を出力する誤差検出手段（５０）と、前記電圧変換装置の出力に応じた前記スイッチを制御する信号のデューティを制限するデューティ制限手段（８０）と、スイッチ（２０）のスイッチング周波数を出力する発振手段（７０）と、前記誤差信号と前記デューティ制限手段に基づいて、前記スイッチを制御する信号を出力する比較手段（５０）を備えることにより、供給エネルギーのロスなく、出力エネルギーを最大に取れる電圧変換装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明はパルス幅変調(ＰｕｌｓｅＷｉｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ)によりスイッチング素子を制御する電圧変換装置に関するものである。

現在の携帯機器はアプリケーション機能が増えることにより消費電流が増加してきており、連続使用時間をより長く稼ぐためのパワーマネージメント技術が重要となって、電池電圧をＣＰＵなどに必要な電圧に高効率で直流−直流変換するための電圧変換装置を用いることが一般化している。また、携帯機器の高機能化による部品点数の増加もあり、より小さい実装面積で供給負荷能力が大きい電圧変換装置が求められている。

一般に、電圧変換装置はスイッチング素子のオン／オフによりインダクタに蓄えたエネルギーを整流素子を介して平滑用コンデンサで平滑して出力する。出力電圧値はスイッチング素子のオン／オフデューティ（ＤＵＴＹ）を制御することで一定に保たれるように帰還がかけられ、帰還の方法は出力電圧値を誤差増幅アンプにおいて基準電圧との差電圧として増幅し、その差電圧値と最大デューティを設定するための電圧値のいずれか低い側を三角波信号と比較することでスイッチング素子のオン／オフデューティを決定している。

以下図面を参照しながら従来の電圧変換装置について説明する。

図６は従来の電圧変換装置の一例を示す回路図であり、チョッパ方式による昇圧型スイッチングレギュレータの構成を示している。図７は図６に示す電圧変換装置の動作説明図である。

図６において、１０は入力電圧源、１５はコイル、２０はスイッチング素子、３０は整流素子、４０は平滑コンデンサ、５０は比較器、６０は誤差増幅アンプ、７０は三角波発生器、８０はデューティ制限回路、ＶＯＵＴは昇圧電圧の出力端子、ＶＰＯはスイッチングパルス出力端子、ＶＦＢは昇圧電圧帰還端子である。

次にその動作について説明する。

まず、ＶＰＯから出力されるスイッチングパルスによりスイッチング素子２０がＯＮし、コイル１５に入力電圧源１０から電流が流れ、この電流が流れるとコイル１５にエネルギーが蓄えられる。次にスイッチング素子２０がＯＦＦするとエネルギーが入力電圧源１０に加算され、整流素子３０を介して出力端子ＶＯＵＴに供給される。

コンデンサ４０は前記出力端子ＶＯＵＴの電圧を平滑し、平滑された出力端子ＶＯＵＴの電圧は帰還端子ＶＦＢより誤差増幅アンプ６０を介して増幅帰還し、比較器５０において三角波発生器７０より生成される三角波信号ＯＳＣと、デューティ制限回路８０により生成される最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘと比較されることで出力端子ＶＯＵＴの電圧が所望される電圧値になるようにスイッチングパルスのデューティの制御が行なわれる。

最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘはスイッチング素子２０のＯＮの最大時間を設定するための基準電圧であり、このスイッチング素子２０のＯＮ時間がより長くなるように設定するとコイル１５に蓄えられるエネルギーはより大きく蓄積することができ、より大きな負荷に対して出力電圧を一定に保つことができる。

しかしスイッチング素子２０のＯＮ時間がある限界点を越えるとスイッチング素子２０のＯＦＦ時間が短くなりすぎてコイル１５に蓄えられたエネルギーを整流素子３０を介して十分供給できなくなり、その結果、出力電圧の低下が発生し問題となる。

次にこのチョッパ方式による昇圧型スイッチングレギュレータの動作についてさらに図７を参照して説明する。

図７(a)はその第１の動作説明図であり、図示のように、負荷の状態によらず最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘは三角波信号ＯＳＣの値と交差するようにデューティ制限回路により設定される。したがって三角波信号ＯＳＣは誤差増幅アンプの出力Ｖｅａと最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの両者と比較されスイッチングパルスＶＰＯを発生する。

スイッチングパルスＶＰＯは負荷が小さい間は誤差増幅アンプの出力Ｖｅａによりデューティが決定され、負荷が大きくなると誤差増幅アンプの出力Ｖｅａは三角波信号ＯＳＣと交差しなくなる。したがって、負荷がある限界点を越えると最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘによりデューティは制限されるが、この時のＶｄｍａｘの値の設定は出力端子から供給するエネルギーを最大に取ることができる前記限界点に設定することが望ましい。

しかしながら三角波発生器７０と最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘを生成するデューティ制限回路は各々個別に動作しているため、温度変化、構成素子のバラツキ、前記バラツキを抑えるトリミング最小調整幅のズレなどの要因を考慮して実際には前記限界点に対して最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定にかなり余裕を持たせて設定する必要がある。

図７(b)は前記従来のチョッパ方式による昇圧型スイッチングレギュレータの第２の動作説明図であり、図示のように、前記図７(a)の場合に対して最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定が温度変化、構成素子のバラツキ、前記バラツキを抑えるトリミング最小調整幅のズレなどの要因に対して余裕が足りないため、三角波信号ＯＳＣの値と交差していない状態を示している。

この状態では負荷が大きくなり誤差増幅アンプの出力Ｖｅａによるデューティ制御範囲を外れても最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘにより最大デューティを決定できない。つまり、スイッチングパルスＶＰＯはＯＦＦ区間がなくなり、コイル１５に蓄えられたエネルギーは出力端子ＶＯＵＴへ供給されないので出力は低下する。

そのため、最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定は三角波信号ＯＳＣと必ず交差するように構成素子のバラツキ、前記バラツキを抑えるトリミング最小調整幅のズレなどの要因に対して十分余裕を持って設定する必要がある。

図８は従来の電圧変換装置の他の例を示す回路図であり、チョッパ方式による降圧型スイッチングレギュレータの構成を示している。なお、前記図６および図７で説明した構成部材に対応し、実質的に同等の機能を有するものには同一符号を付してこれを示す。

この降圧型スイッチングレギュレータは前記従来のチョッパ方式による昇圧型スイッチングレギュレータに対し、コイル１５は接地され、スイッチング素子２５のＯＮ／ＯＦＦによりコイル１５に蓄えられるエネルギーを接地電位に対して減算し、整流素子３０を介して出力端子ＶＯＵＴに供給する。その他の基本動作は前記チョッパ方式による昇圧型スイッチングレギュレータと同様であり、前述のように最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定にかなりマージンを持たせて設定する必要がある。

以上の説明から明らかなように、これらの従来の構成では本来出力端子から供給しうる最大のエネルギーを供給することができず効率的ではない。

この課題に対する対応策として、三角波発生器と最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘを生成するデューティ制限回路を共通の基準電圧から生成し、温度変化や構成素子のバラツキなどの影響を低減する構成が特許文献に記載されている。
特開２００４−４０８５９号公報

しかしながら、このような構成では、基準電圧を共通にする構成をとったとしても素子の絶対バラツキや相対バラツキやトリミング最小調整幅分のズレの影響を完全に抑えることはできないため、前記限界点に対して最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定に余裕を持たせることに変わりはなく、余裕の分電圧変換装置としての最大能力を引き出すことはできないという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、出力端子の電圧が所望の設定電圧範囲にある間はスイッチング素子のＯＮ期間を制限する必要をなくし、従来必要であった最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定に余裕を持たせる必要をなくしてこれによるエネルギー供給のロスをなくし、また、出力端子の電圧が負荷により所望の設定電圧範囲を外れている間は出力端子から供給するエネルギーを最大に取ることができるようにした電圧変換装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係わる電圧変換装置は、スイッチのオンオフ制御でインダクタに流れる電流が調整され出力を制御する電圧変換装置であって、前記電圧変換装置の出力に応じた誤差信号を出力する誤差検出手段と、前記電圧変換装置の出力に応じた前記スイッチを制御する信号のデューティを制限するデューティ制限手段と、前記スイッチのスイッチング周波数を出力する発振手段と、前記誤差信号と前記デューティ制限手段に基づいて、前記スイッチを制御する信号を出力する比較手段を備えたものである。

本発明によれば、出力端子の電圧が所望の設定電圧範囲にある間はスイッチング素子のＯＮ期間を制限する必要がなくなって、従来のように最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定に余裕を持たせる必要がなく、これによるエネルギー供給のロスがなくなり、また、出力端子の電圧が負荷により所望の設定電圧範囲を外れている間は出力端子から供給するエネルギーを最大に取ることができるという効果を奏する。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、前記従来のものの構成部材に対応し、実質的に同等の機能を有するものには同一符号を付してこれを示す。

（実施の形態１)
図１は本発明の実施の形態１における電圧変換装置の構成を示す回路図であり、チョッパ方式による昇圧型スイッチングレギュレータの例を示している。図２は図１に示す電圧変換装置の動作説明図である。

図１において、１０は入力電圧源、１５はコイル、２０はスイッチング素子、３０は整流素子、４０は平滑コンデンサ、５０は比較器、６０は誤差増幅アンプ、７０は三角波発生器、８０はデューティ制限回路、ＶＯＵＴは昇圧電圧の出力端子、ＶＰＯはスイッチングパルス出力端子、ＶＦＢは昇圧電圧の帰還端子である。

以下、その動作について説明する。

スイッチングパルス出力端子ＶＰＯから出力されるスイッチングパルスによりスイッチング素子２０がＯＮし、コイル１５に入力電圧源１０から電流が流れるとコイル１５にエネルギーが蓄えられる。次にスイッチング素子２０がＯＦＦするとエネルギーが入力電圧源１０に加算され、整流素子３０を介して出力端子ＶＯＵＴに供給される。

コンデンサ４０は前記出力端子ＶＯＵＴの電圧を平滑し、平滑された出力端子ＶＯＵＴの電圧は帰還端子ＶＦＢより誤差増幅アンプ６０とデューティ制限回路８０に帰還される。

帰還された出力端子ＶＯＵＴの電圧は誤差増幅アンプ６０を介して増幅帰還し、比較器５０において三角波発生器７０より生成される三角波信号ＯＳＣと、デューティ制限回路８０により生成される最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘと比較されることで出力端子ＶＯＵＴの電圧が期待される電圧値になるようにスイッチングパルスのデューティの制御が行なわれる。

最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘはスイッチング素子２０のＯＮの最大時間を設定するための基準電圧であり、デューティ制限回路８０は帰還された出力端子ＶＯＵＴの電圧が所望の設定電圧範囲にある間はスイッチング素子のＯＮ期間に制限がかからないように最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定値を三角波信号と交差しない値に設定する。

出力端子ＶＯＵＴの電圧が負荷により所望の設定電圧範囲を外れている間はスイッチング素子のＯＮ期間に制限をかけるよう最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定値を三角波信号と交差する値に設定する。
また、前記交差する最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定値は出力端子から供給するエネルギーを最大に取ることができるように設定する。

次に図２を参照して図１に示した装置の動作を詳細に説明する。

負荷が軽く出力端子ＶＯＵＴの電圧が所望の設定電圧範囲にある間、最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘは三角波信号ＯＳＣの値と交差しないようにデューティ制限回路により設定される。

したがって三角波信号ＯＳＣは誤差増幅アンプの出力Ｖｅａとのみ比較されることでスイッチングパルスＶＰＯを発生する。

負荷が重く出力端子ＶＯＵＴの電圧が負荷により所望の設定電圧範囲を外れている間、つまり誤差増幅アンプの出力Ｖｅａが三角波信号ＯＳＣと交差しない間、最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘは三角波信号ＯＳＣの値と交差するようにデューティ制限回路により設定され、スイッチングパルスＶＰＯを発生する。

ここで最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘは出力端子ＶＯＵＴから供給するエネルギーを最大に取ることができるようにスイッチングパルスが出力されるような値に設定されており、出力端子ＶＯＵＴから供給するエネルギーを最大に取るための最大デューティδは次式で表される。

δ＝１−（ＶＩＮ＋Ｉｏｕｔ×Ｌ／Ｔ）／ＶＯＵＴ
ここで、最大デューティ設定電圧は前記最大デューティσとなるようにデューティ制限回路８０において制御される。

このように構成することにより、出力端子の電圧が所望の設定電圧範囲にある間はスイッチング素子のＯＮ期間を制限する必要がなくなり、従来のように最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定に余裕を持たせることによるエネルギー供給のロスをなくすことができる。

（実施の形態２)
図３は本発明の実施の形態２における電圧変換装置の構成を示す回路図であり、チョッパ方式による降圧型スイッチングレギュレータの例を示している。

次にその動作について説明する。

スイッチングパルス出力端子ＶＰＯから出力されるスイッチングパルスによりスイッチング素子４５がＯＮしコイル１５に入力電圧源１０から電流が流れることになるが、図１に示した昇圧型スイッチングレギュレータの構成と異なる点は、コイル１５がスイッチング素子４５とＧＮＤの間に配置され、整流素子３０の向きが変えられている点であり、これにより出力端子ＶＯＵＴに発生する電圧は負となる。

その他の動作は前記の図１に示した装置の動作と基本的に同じであり昇圧型、降圧型にかかわらず本発明所期の効果を奏するものである。

（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３における電圧変換装置の構成を示す回路図であり、チョッパ方式による昇圧型スイッチングレギュレータの例を示している。本実施の形態は図１の電圧変換装置に適用されるデューティ制限回路についてより具体的な一構成例を示すものであり、したがってこのデューティ制限回路以外の部分は前記図１の電圧変換装置と同様であるので実質的に同等の機能を有するものには同一符号を付しその説明は省略する。なお、図４に示すその他の構成部材中、９０はｇｍ器、１００は抵抗、１１０は基準電圧源である。

以下その動作について説明するに、まず、電圧変換装置としての昇圧、降圧の基本動作は図１および図２の説明に関連して記述してきたとおりであり、最大デューティ設定電圧ＶｄｍａｘをＶＦＢ端子より帰還される出力端子ＶＯＵＴの電圧に対して変える手段としては帰還された出力電圧をｇｍ器９０において基準電圧Ｖｒｅｆと比較して、その結果を電流Ｉｆｂとして出力する。

前記電流Ｉｆｂは基準電圧源１１０の出力に対して抵抗１００を介して加えられ、前記基準電圧源１１０は出力端子ＶＯＵＴの電圧が所望の設定電圧範囲にある間はスイッチング素子のＯＮ期間に制限がかからないように設定された最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘに相当する。
このようにすれば実際に比較器５０に入力される最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘ´は次式のようになる。

Ｖｄｍａｘ´＝Ｖｄｍａｘ＋Ｉｆｂ×１００
したがってＶｄｍａｘ´は出力電圧ＶＯＵＴの値により変動させることができ、前記最大デューティσに設定される。

（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４における電圧変換装置の構成を示す回路図であり、チョッパ方式による昇圧型スイッチングレギュレータの例を示している。本実施の形態は図１の電圧変換装置に適用されるデューティ制限回路について図４に示したものとは別の構成例を提示するものであり、したがってこのデューティ制限回路以外の部分は前記図１の電圧変換装置と同様であるので実質的に同等の機能を有するものには同一符号を付しその説明は省略する。なお、図５に示すその他の構成部材中、１２０は比較器、１３０は第１のスイッチ、１４０は第２のスイッチである。

以下その動作について説明するに、まず、電圧変換装置としての昇圧、降圧の基本動作は図１および図２の説明に関連して記述してきたとおりであり、最大デューティ設定電圧ＶｄｍａｘをＶＦＢ端子より帰還される出力端子ＶＯＵＴの電圧に対して変える手段としては帰還された出力電圧を比較器１２０により基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、その比較結果によって異なる設定の最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘ１とＶｄｍａｘ２を第１のスイッチ１３０と第２のスイッチ１４０により切り替える。

Ｖｄｍａｘ１は負荷が軽く出力端子電圧ＶＯＵＴが所望の設定電圧範囲にある間、Ｖｄｍａｘ２は負荷が重く出力端子の電圧が負荷により所望の設定電圧範囲を外れている間の設定とする。

このようにすれば出力電圧ＶＯＵＴの値により最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘ変動させることができ、ここでＶｄｍａｘ２は前記最大デューティσに設定される。

本発明の骨子は、以上の各実施の形態において述べてきたように、出力端子ＶＯＵＴの電圧が所望の設定電圧範囲にある間はスイッチング素子のＯＮ期間に制限がかからないように最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定値を三角波信号と交差しない値に設定し、出力端子ＶＯＵＴの電圧が負荷により所望の設定電圧範囲を外れている間はスイッチング素子のＯＮ期間に制限をかけるよう最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定値を三角波信号と交差する値に設定するものであり、また、出力端子の電圧が負荷により所望の設定電圧範囲を外れている間は出力端子から供給するエネルギーを最大に取ることができるようにスイッチングパルスの最大デューティを制御するものである。

本発明に係わる電圧変換装置は出力端子の電圧が所望の設定電圧範囲にある間はスイッチング素子のＯＮ期間を制限する必要がなく、したがって、従来のように最大デューティ設定電圧Ｖｄｍａｘの設定に余裕を持たせる必要がないので、これによるエネルギー供給のロスがなくなり、また、出力端子の電圧が負荷により所望の設定電圧範囲を外れている間は出力端子から供給するエネルギーを最大に取ることができるという効果を有し、パルス幅変調によりスイッチング素子を制御する電圧変換装置等において有用である。

本発明の実施の形態１における電圧変換装置の構成を示す回路図図１に示す電圧変換装置の動作説明図本発明の実施の形態２における電圧変換装置の構成を示す回路図本発明の実施の形態３における電圧変換装置の構成を示す回路図本発明の実施の形態４における電圧変換装置の構成を示す回路図従来の電圧変換装置の一例を示す回路図図６に示す電圧変換装置の動作説明図従来の電圧変換装置の他の例を示す回路図

符号の説明

１０入力電圧源
１５コイル
２０スイッチング素子
３０整流素子
４０平滑コンデンサ
５０比較器
６０誤差増幅アンプ
７０三角波発生器
８０デューティ制限回路
９０ｇｍ器
１００抵抗
１１０基準電圧源
１２０比較器
１３０第１のスイッチ
１４０第２のスイッチ

Claims

スイッチのオンオフ制御でインダクタに流れる電流が調整され出力を制御する電圧変換装置であって、前記電圧変換装置の出力に応じた誤差信号を出力する誤差検出手段と、前記電圧変換装置の出力に応じた前記スイッチを制御する信号のデューティを制限するデューティ制限手段と、前記スイッチのスイッチング周波数を出力する発振手段と、前記誤差信号と前記デューティ制限手段に基づいて、前記スイッチを制御する信号を出力する比較手段を備えた電圧変換装置。
前記デューティ制限手段は、前記電圧変換装置が前記誤差信号による制御をはずれることで制御動作を行うものであることを特徴とする請求項１記載の電圧変換装置。
前記デューティ制限手段は、前記電圧変換装置が供給する電力を最大にするように制御動作を行うものであることを特徴とする請求項１記載の電圧変換装置。
前記デューティ制限手段は、前記電圧変換装置の出力電圧の変化を検出することにより制御動作を行うものであることを特徴とする請求項１記載の電圧変換装置。
前記デューティ制限手段は、前記電圧変換装置の出力電圧の変化を電圧電流変換手段により電流に変換して検出することにより制御動作を行うものであることを特徴とする請求項１記載の電圧変換装置。
前記デューティ制限手段は、前記電圧変換装置の出力電圧の変化を電圧電流変換手段により電流に変換し、その出力電流を抵抗に流して検出することにより制御動作を行うものであることを特徴とする請求項１記載の電圧変換装置。
前記デューティ制限手段は、前記電圧変換装置の出力電圧の変化を比較手段により検出することにより制御動作を行うものであることを特徴とする請求項１記載の電圧変換装置。
前記デューティ制限手段は、前記電圧変換装置の出力電圧の変化を比較手段により検出し、これと比較対象となる異なる電圧値をスイッチにより切り替えて得られる電圧とを比較して制御動作を行うものであることを特徴とする請求項７記載の電圧変換装置。