JP2008125165A - 電圧変換装置および電圧変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した出力電圧を得る。
【解決手段】コンパレータ１２１は、出力電圧によって決まるデューティー比設定電圧Ｖｄと、VCO１８から供給される、一定の下限電圧と入力電圧によって決まる上限電圧を有する所定周波数の三角波とを比較し、プラス端子への入力電圧がマイナス端子への入力電圧よりも高い値のときに、オン（Hi）を、スイッチング処理部１３へ出力する。入力電圧Vinが下降した場合には、上限電圧V_Hも下降する。すなわち、コンパレータ１２１の出力のオンオフ１周期内におけるオフ時間は、上限電圧V_Hが下降するに伴って短くなる。換言すれば、上限電圧V_Hが下降するに伴って、コンパレータ１２１の出力のオンデューティーは、大きくなる。すなわち、コンパレータ１２１の出力のオンデューティーは、入力電圧Vinに基づいて変化する。本発明は、スイッチングレギュレータに適用できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、装置および電圧変換方法に関し、特に、安定した出力を得ることができる、装置および電圧変換方法に関する。

従来、直流（DC: direct current）の電圧を変換するためのDC-DCコンバータ（直流電圧変換コンバータ）として、PWM（pulse width modulation；パルス幅変調）制御型のスイッチングレギュレータ（チョッパ型スイッチングレギュレータ）が広く用いられている。

スイッチングレギュレータとは、入力電圧を高速にON／OFF（スイッチング）してパルスに変換し、これを平滑することにより、安定した直流電圧を得る方式の電源安定装置である。そして、PWM制御型のスイッチングレギュレータは、入力電圧のスイッチングを、PWMにより制御するようになされている。

従来のPWM制御型のスイッチングレギュレータ１の構成を図１に示す。スイッチングレギュレータ１は入力電圧を所望の出力電圧に降圧するものである。

コイル１１およびコンデンサ１２は、スイッチング処理部１３を介して電圧Vinの入力電源１４に接続されている。例えば、MOSFETなどのスイッチング素子による２つのスイッチ３１およびスイッチ３２より構成されるスイッチング処理部１３は、PWM変調部１５から供給されるスイッチング制御信号に基づいて、２つのスイッチ３１および３２をオンオフするようになされている。

入力電源１４とコイル１１を結ぶスイッチ３１がオンで、コイル１１とGNDを結ぶスイッチ３２がオフのとき、スイッチング処理部１３から出力端子１６の方向にコイル１１に電流が流れて電荷が蓄積され、コンデンサ１２が充電されるとともに、出力端子１６の後段の図示しない回路（負荷）にも電流が供給される。そして、スイッチ３１がオフになり、コイル１１への電流の供給が止まっても、コイル１１から、コンデンサ１２および出力端子１６の後段の回路へ電流が供給され、コイル１１からの供給が低下しても、次に、コンデンサ１２に蓄積された電荷が出力端子１６の後段の回路に供給される（出力端子１６の後段の回路に電流が流れない場合には、コイル１１に蓄積される）ようになされている。

すなわち、スイッチングレギュレータ１は、コイル１１に入力電圧がかかる時間とかからない時間との比、換言すれば、スイッチ３１のオンオフのデューティー比によって、出力電圧を制御することができるようになされている。

スイッチング処理部１３は、PWM変調部１５から供給されるスイッチング制御信号を基に、スイッチングを行う。

フィードバック（Feedback）回路１７は、コンデンサ、アンプ、抵抗、比較用電圧を発生する定電圧源により構成され、出力電圧Ｖoutをセンシングし、出力電圧に対応して決まる値の電圧を、PWM変調部１５のコンパレータ３３のマイナス（−）端子に供給する。

VCO（Voltage Controlled Oscillator：電圧制御発振器）１８は、制御電圧の値に基づいた周波数の三角波または鋸波（鋸歯状波）を、PWM変調部１５のコンパレータ３３のプラス（＋）端子に出力する。定電圧源１９および２０からそれぞれ供給される電圧値によって、出力される三角波または鋸波（鋸歯状波）の上限電圧および下限電圧が設定される。すなわち、VCO１８は、上限電圧および下限電圧の間で一定のクロック周波数で電圧値を変化させる三角波または鋸波を出力する。以下、ここでは、VCO１８は三角波を出力するものとして説明する。

PWM変調部１５は、フィードバック回路１７から供給される電圧値と、VCO１８から供給される所定周波数の三角波とを比較するコンパレータ（比較回路）３３と、コンパレータ３３から出力されるパルス波（矩形波）を基にスイッチング処理部１３の２つのスイッチング素子のオンオフを制御するためのスイッチング制御信号を生成するスイッチング制御信号生成部３４から構成されている。

コンパレータ３３の動作について、図２を用いて説明する。

コンパレータ３３は、VCO１８からプラス端子に供給される所定周波数の三角波と、フィードバック回路１７からマイナス端子に供給される電圧値とを比較し、プラス端子への入力電圧がマイナス端子への入力電圧よりも高い値ならオン（Hi）を、プラス端子への入力電圧がマイナス端子への入力電圧よりも低い値であればオフ（Low）を、スイッチング制御信号生成部３４へ出力する。換言すれば、コンパレータ３３は、三角波のある時刻での値と、フィードバック回路１７から供給される電圧値を比較し、フィードバック回路１７から供給される電圧値よりもVCO１８から出力される三角波が高い間だけ、オンを出力する。

具体的には、図２のＡに示されるように、フィードバック回路１７からマイナス端子に供給される電圧値がαである場合、コンパレータ３３からの出力は、図２のＢに示される矩形波となり、フィードバック回路１７からマイナス端子に供給される電圧値がαより低いβであるとき、コンパレータ３３からの出力は、図２のＣに示されるように、図２のＢに示される場合よりも、オンの時間が長い矩形波となる。

これにより、コンパレータ３３は、例えば、入力電圧が低下したり、外部負荷に供給される電流値が上昇することなどにより、出力電圧が低下した場合、オンの時間が増えるとともに、例えば、入力電圧が上昇したり、外部負荷に供給される電流値が下降することなどにより、出力電圧が上昇した場合、オンの時間が減少するような矩形波信号を出力することができる。

そして、スイッチング制御信号生成部３４は、コンパレータ３３から供給された矩形波に基づいて、スイッチング処理部１３に含まれる２つのスイッチ３１および３２のオンオフを制御するためのスイッチング制御信号を生成して、スイッチング処理部１３に供給する。

すなわち、PWM変調部１５は、出力電圧Ｖoutの変動に対応して、出力電圧Ｖoutの変動をなくす方向に設定されるデューティー比でスイッチング処理部１３の内部のスイッチのオンオフを制御するようなスイッチング制御信号をスイッチング処理部１３に供給するようになされている。

スイッチ３１がオンされた場合、コイル１１に電流がながれ、コンデンサ１２に充電しつつ、出力端子１６に後続する図示しない回路に電流が供給される。そして、スイッチ３１がオフされても、コイル１１が電流を流し続ける特性により、コンデンサ１２への充電電流および出力端子１６への供給電流はいきなりゼロにはならず、徐々に低下する。そして、コンデンサ１２からも放電が始まる。

スイッチング処理部１３に含まれる２つのスイッチ３１および３２は、上述したように、PWM変調部１５から供給されるスイッチング制御信号によってオンオフされる。そして、PWM変調部１５は、図２を用いて説明したように、出力電圧Ｖoutが低下した場合、すなわち、フィードバック回路１７からコンパレータ３３に供給される電圧値が低下した場合、スイッチ３１のオンの時間が増え、出力電圧Ｖoutが上昇した場合、すなわち、フィードバック回路１７からコンパレータ３３に供給される電圧値が上昇した場合、スイッチ３１のオンの時間が減少するような矩形波信号に基づいて生成されるスイッチング制御信号をスイッチング処理部１３に供給するようになされている。

次に、図３を参照して、入力電圧を所望の出力電圧に昇圧するスイッチングレギュレータ５１の構成について説明する。

なお、図１における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。

コイル１１は、電圧Ｖinの入力電源１４に接続され、スイッチング処理部６１を介して、出力端子１６およびコンデンサ１２に接続されている。例えば、MOSFETなどのスイッチング素子による２つのスイッチ７１およびスイッチ７２より構成されるスイッチング処理部６１は、PWM変調部１５から供給されるスイッチング制御信号に基づいて、２つのスイッチ７１および７２をオンオフするようになされている。コイル１１とコンデンサ１２および出力端子１６を結ぶスイッチ７１がオフで、コイル１１とGNDを結ぶスイッチ７２がオンのとき、コイル１１に電流が流れるが、コンデンサ１２および出力端子１６の後段の図示しない回路（負荷）には電流が供給されない。そして、スイッチ７１がオンになった場合、コイル１１へ蓄積された電荷がコンデンサ１２により平滑されて、出力端子１６の後段の図示しない回路に供給される。

すなわち、スイッチングレギュレータ５１は、コイル１１に蓄積された電荷を用いて入力電圧Ｖinよりも高い出力電圧Ｖoutを得ることができるようになされており、スイッチ７１およびスイッチ７２のオンオフのデューティー比によって、出力電圧Ｖoutを制御することができるようになされている。

スイッチング処理部６１は、PWM変調部１５から供給されるスイッチング制御信号を基に、スイッチングを行う。

PWM変調部１５、フィードバック回路１７、VCO１８は、それぞれ、図１を用いて説明した場合と同様の機能を有している。

すなわち、フィードバック回路１７は、出力電圧Ｖoutをセンシングし、出力電圧Ｖoutに対応して決まる値の電圧を、PWM変調部１５のコンパレータ３３のマイナス端子に供給する。VCO１８は、制御電圧の値に基づいた周波数の三角波または鋸波（鋸歯状波）を、PWM変調部１５のコンパレータ３３のプラス端子に出力する。

そして、PWM変調部１５のコンパレータ３３は、フィードバック回路１７から供給される電圧値と、VCO１８から供給される所定周波数の三角波とを比較し、図２を用いて説明した場合と同様にして、出力電圧Ｖoutの値によってオンデューティーの異なるパルス波（矩形波）をスイッチング制御信号生成部３４に供給する。スイッチング制御信号生成部３４は、コンパレータ３３から出力されるパルス波（矩形波）を基に、スイッチング処理部６１の２つのスイッチング素子のオンオフを制御するためのスイッチング制御信号を生成する。

従来、上述したようなフィードバック方式のスイッチングレギュレータにおいて、出力電流をセンシングし、その値に基づいて、発振器の発振周波数を変化させることにより、広範囲の出力電流を高効率で出力可能なようにする技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２８０７７号公報

また、従来、上述したようなフィードバック方式のスイッチングレギュレータにおいて、オフセット回路を設けることにより、スイッチング動作再開時の出力電圧のオーバーシュートを防止することができる技術がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−５０８８８号公報

上述した従来のフィードバック方式のスイッチングレギュレータにおいては、アンプ（例えば、電流出力アンプが用いられる場合もある)を用いてフィードバック制御が行われる。フィードバック回路内には、位相補償部品が含まれる。位相補償部品には、例えば、図１および図３におけるコイル１１およびコンデンサ１２、スイッチング素子であるスイッチ３１および３２、または、スイッチ７１および７２などとの相性の問題が発生するため、従来のフィードバック方式のスイッチングレギュレータは、汎用性に乏しかった。また、位相補償部品は、例えば、ICなどに内蔵させることが困難であるため、外付けされることが多く、例えば、基板面積の増加や組み立て費用（アッセイ費用）の増加など、コストアップの要因となっていた。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、スイッチングレギュレータにおいて、位相補償部品を用いずに、安定した出力電圧を得ることができるようにするものである。

本発明の一側面の電圧変換装置は、入力電圧として第１の電圧の入力を受け、入力のオンオフをスイッチングすることにより、設定された第２の電圧に出力電圧を変換する変換手段と、下限電圧として所定の第３の電圧の供給を受けるとともに、上限電圧として前記第１の電圧に基づいて定められる第４の電圧の供給を受け、所定周波数の信号を出力するＶＣＯと、前記変換手段により変換されて得られた前記出力電圧に基づいて定められる第５の電圧、および、前記ＶＣＯの出力を受け、ＰＷＭ変調を行うことにより、前記変換手段におけるスイッチングを制御する制御手段とを備える。

前記変換手段には、コイルと、コンデンサと、スイッチング手段とを備えさせるようにすることができ、入力電圧である前記第１の電圧を、出力電圧である前記第２の電圧に降圧させるスイッチングレギュレータであるものとすることができる。

前記変換手段には、コイルと、コンデンサと、スイッチング手段とを備えさせるようにすることができ、入力電圧である前記第１の電圧を、出力電圧である前記第２の電圧に昇圧させるスイッチングレギュレータであるものとすることができる。

前記制御手段には、プラス端子に前記第５の電圧の供給を受け、マイナス端子に前記ＶＣＯの出力の供給を受け、これらを比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力波形のデューティー比に基づいて、前記変換手段におけるスイッチングのオンオフの間隔を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段とを備えさせるようにすることができる。

前記第４の電圧は、前記第１の電圧と前記第３の電圧との電位差を所定の割合で分圧した電圧値であるものとすることができる。

前記第５の電圧は、前記出力電圧を所定の値だけオフセットした電圧値と、前記第３の電圧との電位差を所定の割合で分圧した電圧値であるものとすることができる。

前記出力電圧を基に、前記ＶＣＯおよび前記制御手段の動作の実行または停止を指令する制御信号を生成する動作制御手段を更に備えさせるようにすることができる。

本発明の一側面の電圧変換方法は、入力電圧として第１の電圧の入力を受け、入力のオンオフをスイッチングすることにより、設定された第２の電圧に出力電圧を変換する電圧変換装置の電圧変換方法であって、所定の第３の電圧を下限電圧とし、前記第１の電圧に基づいて定められる第４の電圧を上限電圧とした、所定周波数の信号と、前記第２の電圧に基づいて定められる第５の電圧とを取得して、ＰＷＭ変調を行うことにより、前記スイッチングにおけるオンオフの間隔を制御する方法である。

電圧変換装置は、昇圧と降圧とでそれぞれ独立した装置であっても良いし、昇圧と降圧とのいずれも行うことができる装置であっても良い。また、電圧変換装置は、各種装置のうちの電圧変換を行うブロックであっても良い。

本発明の一側面によれば、電圧を変換することができ、特に、位相補償することなく、安定した出力電圧を得ることができる。

以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、明細書または図面に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、明細書または図面に記載されていることを確認するためのものである。従って、明細書または図面中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。

本発明の一側面の電圧変換装置は、入力電圧として第１の電圧の入力を受け、入力のオンオフをスイッチングすることにより、設定された第２の電圧に出力電圧を変換する変換手段（図４のスイッチング処理部１３、コイル１１、コンデンサ１２、または、図６のスイッチング処理部６１、コイル１１、コンデンサ１２）と、下限電圧として所定の第３の電圧の供給を受けるとともに、上限電圧として前記第１の電圧に基づいて定められる第４の電圧の供給を受け、所定周波数の信号（三角波または鋸状波）を出力するＶＣＯと、前記変換手段により変換されて得られた前記出力電圧に基づいて定められる第５の電圧（例えば、デューティー比設定電圧）、および、前記ＶＣＯの出力を受け、ＰＷＭ変調を行うことにより、前記変換手段におけるスイッチングを制御する制御手段(例えば、図４または図６のＰＷＭ変調部１１１)とを備える。

前記変換手段は、コイルと、コンデンサと、スイッチング手段（例えば、図４のスイッチング処理部１３）とを備えることができ、入力電圧である前記第１の電圧を、出力電圧である前記第２の電圧に降圧させるスイッチングレギュレータであるものとすることができる。

前記変換手段は、コイルと、コンデンサと、スイッチング手段（例えば、図６のスイッチング処理部６１）とを備えることができ、入力電圧である前記第１の電圧を、出力電圧である前記第２の電圧に昇圧させるスイッチングレギュレータであるものとすることができる。

前記制御手段は、プラス端子に前記第５の電圧の供給を受け、マイナス端子に前記ＶＣＯの出力の供給を受け、これらを比較するコンパレータ（例えば、図４または図６のコンパレータ１２１）と、前記コンパレータの出力波形のデューティー比に基づいて、前記変換手段におけるスイッチングのオンオフの間隔(デューティー比)を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段とを備えることができる。

前記出力電圧を基に、前記ＶＣＯおよび前記制御手段の動作の実行または停止を指令する制御信号を生成する動作制御手段（例えば、図４または図６のコンパレータ１１６）を更に備えることができる。

本発明の一側面の電圧変換方法は、入力電圧として第１の電圧の入力を受け、入力のオンオフをスイッチングすることにより、設定された第２の電圧に出力電圧を変換する電圧変換装置の電圧変換方法であって、所定の第３の電圧を下限電圧とし、前記第１の電圧に基づいて定められる第４の電圧を上限電圧とした、所定周波数の信号（例えば、ＶＣＯ１８により生成される三角波または鋸状波）と、前記第２の電圧に基づいて定められる第５の電圧（例えば、デューティー比設定電圧）とを取得して、ＰＷＭ変調を行うことにより、前記スイッチングにおけるオンオフの間隔を制御する（例えば、図４または図６のＰＷＭ変調部１１１が実行する処理）。

以下、図を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図４に、入力電圧を所望の電圧値に降圧することができる、本発明を適用したスイッチングレギュレータ１０１を示す。

なお、従来の場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。

すなわち、スイッチングレギュレータ１０１におけるコイル１１、コンデンサ１２、スイッチング処理部１３、入力電源１４、および、出力端子１６の構成については、図１を用いて説明した従来のスイッチングレギュレータ１と同様である。

具体的には、コイル１１およびコンデンサ１２は、スイッチング処理部１３を介して電圧Vinの入力電源１４に接続されている。例えば、MOSFETなどのスイッチング素子による２つのスイッチ３１およびスイッチ３２より構成されるスイッチング処理部１３は、PWM変調部１１１から供給されるスイッチング制御信号に基づいて、２つのスイッチ３１および３２をオンオフするようになされている。

入力電源１４とコイル１１を結ぶスイッチ３１がオンで、コイル１１とGNDを結ぶスイッチ３２がオフのとき、スイッチング処理部１３から出力端子１６の方向にコイル１１に電流が流れて電荷が蓄積され、コンデンサ１２が充電されるとともに、出力端子１６の後段の図示しない回路（負荷）にも電流が供給される。そして、スイッチ３１がオフになり、コイル１１への電流の供給が止まっても、コイル１１から、コンデンサ１２および出力端子１６の後段の回路へ電流が供給され、コイル１１からの供給が低下しても、次に、コンデンサ１２に蓄積された電荷が出力端子１６の後段の回路に供給される（出力端子１６の後段の回路に電流が流れない場合には、コンデンサ１２の＋側の電位がコイル１１より高くなるため、コンデンサ１２に蓄積された電荷は放出され、出力端子１６の後段の図示しない回路（負荷）に供給されるとともに、再びコイル１１に蓄積される）ようになされている。すなわち、コンデンサ１２により、出力電流が平滑される。

すなわち、スイッチングレギュレータ１０１も、従来のスイッチングレギュレータ１と同様に、コイル１１に入力電圧がかかる時間とかからない時間との比、換言すれば、スイッチ３１のオンオフのデューティー比によって、出力電圧を制御することができるようになされている。

スイッチング処理部１３は、PWM変調部１１１から供給されるスイッチング制御信号を基に、スイッチングを行う。

出力電圧は、オフセット電圧１１２の設定値に基づいて設定されるものである。そして、所定の抵抗値Ｒ_O2を有する抵抗１１３−１および所定の抵抗値Ｒ_O1を有する抵抗１１３−２により、オフセット電圧１１２（所定の電圧だけ電圧を降下させることができれば、例えば、抵抗などを用いるものとしても良い）によってオフセットされた出力電圧（出力電圧Ｖout−オフセット電圧Ｖof）と定電圧源１１５から供給される電圧Ｖ_Lとの電位差が分圧されて、デューディー比設定電圧Ｖdが得られ、PWM変調部１１１のコンパレータ１２１のプラス端子に供給される。

また、ＶＣＯ１８には、下限電圧Ｖ_Lとして、定電圧源１１５から供給される電圧Ｖ_Lの値が設定されるとともに、上限電圧Ｖ_Hとして、定電圧源１１５から供給される電圧Ｖ_Lと入力電圧Ｖinとの電位差を、所定の抵抗値Ｒ_i2を有する抵抗１１４−１および所定の抵抗値Ｒ_i1を有する抵抗１１４−２により分圧した値が設定される。ＶＣＯ１８から出力される三角波は、PWM変調部１１１のコンパレータ１２１のマイナス端子に供給される。

なお、抵抗１１３−１および抵抗１１３−２、並びに、抵抗１１４−１および抵抗１１４−２のそれぞれの抵抗値Ｒ_O2、Ｒ_O1、Ｒ_i2、Ｒ_i1は、ＶＣＯ１８やＰＷＭ変調部１１１に含まれるアンプなどの性能に依存する所定の値に設定される。定電圧源１１５の電圧値Ｖ_Lも、抵抗１１４−１および抵抗１１４−２の抵抗値Ｒ_i2、Ｒ_i1や、入出力電圧の設定値などに基づいた所定の電圧値に設定される。

PWM変調部１１１は、出力電圧Ｖoutによって決まるデューティー比設定電圧Ｖdと、VCO１８から供給される所定周波数の三角波とを比較するコンパレータ１２１と、コンパレータ１２１から出力されるパルス波（矩形波）を基にスイッチング処理部１３の２つのスイッチング素子のオンオフを制御するためのスイッチング制御信号を生成するスイッチング制御信号生成部１２２から構成されている。

コンパレータ１２１は、プラス端子に供給される電圧とマイナス端子に供給される電圧、すなわち、出力電圧Ｖoutによって決まるデューティー比設定電圧Ｖｄと、VCO１８から供給される、一定の下限電圧Ｖ_Lと入力電圧Ｖinによって決まる上限電圧Ｖ_Hを有する所定周波数の三角波とを比較し、プラス端子への入力電圧がマイナス端子への入力電圧よりも高い値ならオン（Hi）を、プラス端子への入力電圧がマイナス端子への入力電圧よりも低い値であればオフ（Low）を、スイッチング処理部１３へ出力する。換言すれば、コンパレータ１２１は、出力電圧Ｖoutによって決まるデューティー比設定電圧Ｖｄと、入力電圧Ｖinによって上限電圧Ｖ_Hが変動する三角波のある時刻での値とを比較し、デューティー比設定電圧Ｖｄが三角波の電圧値よりも高い値の間だけ、オンを出力する。

図５を参照して、コンパレータ１２１の出力について説明する。

図５のＡおよびＢに示されるように、入力電圧Ｖinが下降した場合には、上限電圧Ｖ_Hも下降する。図５のＢにおいてｔ₁，ｔ₂，ｔ₃に示されるように、コンパレータ１２１の出力のオンオフ１周期内におけるオフ時間は、上限電圧Ｖ_Hが下降するに伴って、短くなる。すなわち、上限電圧Ｖ_Hが下降するに伴って、コンパレータ１２１の出力のオンデューティーは、大きくなる。すなわち、コンパレータ１２１の出力のオンデューティーは、入力電圧Ｖinに基づいて変化する。

そして、スイッチング制御信号生成部１２２において、コンパレータ１２１から出力される矩形波を基に、スイッチング処理部１３の２つのスイッチング素子のオンオフを制御するためのスイッチング制御信号が生成される。ここで、コンパレータ１２１の出力のオンデューティーが大きくなるとき、スイッチ３１のオンデューティーも大きくなるようなスイッチング制御信号が生成される。したがって、入力電圧Ｖinが下降した場合、スイッチ３１のオンデューティーが大きくなり、出力電圧Ｖoutを一定に保つことが可能となる。

図４に示されるスイッチングレギュレータ１０１の各部の電圧値と分圧抵抗の抵抗値の関係は、次の式（１）および式（２）に示される。

Ｖｄ−Ｖ_L＝(Ｖout−Ｖof−Ｖ_L)×Ｒ_o1／(Ｒ_o1＋Ｒ_o2) ・・・（１）

ここで、Ｖｄはデューティー比設定電圧であり、Ｖ_Lは定電圧源１１５からＶＣＯ１８に供給される下限電圧であり、Ｖoutは出力端子１６から出力される出力電圧であり、Ｖofはオフセット電圧であり、Ｒ_o1は抵抗１１３−２の抵抗値であり、Ｒ_o2は抵抗１１３−１の抵抗値である。

Ｖ_H−Ｖ_L＝(Ｖin−Ｖ_L)×Ｒ_i1／(Ｒ_i1＋Ｒ_i2) ・・・（２）

また、Ｖ_HはＶＣＯ１８に供給される上限電圧であり、Ｖinは入力電源１４による入力電圧であり、Ｒ_i1は抵抗１１４−２の抵抗値であり、Ｒ_i2は抵抗１１４−１の抵抗値である。

ここで、オフセット電圧Ｖof＝０Ｖ、下限電圧Ｖ_L＝０Ｖ、各抵抗の抵抗比はＲ_o2：Ｒ_o1＝Ｒ_i2：Ｒ_i1が成り立つとした場合のコンパレータ１２１の出力のデューティー比、すなわち、ＰＷＭ変調デューティーは、次の式（３）で示される。

ＰＷＭ変調デューティー＝Ｖout／Ｖin＝Ｖｄ／Ｖ_H ・・・（３）

このように、図４に示されるスイッチングレギュレータ１０１においては、入力電圧Ｖinの変動によらず、安定した出力電圧Ｖoutを得ることができる。

スイッチングレギュレータ１０１の出力電圧制御は、入力電圧Ｖinをセンシングすることによるフィードフォワード制御であり、従来のフィードバック制御に用いられていたような位相補償部品を用いる必要がない。これにより、複雑な位相補償を行う必要が無くなり、また、外付けのコンデンサなどを用いる必要が無くなる。

また、スイッチングレギュレータ１０１には、更に、コンパレータ１１６も設けられている。コンパレータ１１６は、デューティー比設定電圧Ｖｄと定電圧源１１７による所定電圧Ｖ_Eを比較して、その比較結果を出力するものであり、この出力は、ＶＣＯ１８およびＰＷＭ変調部１１１に供給され、ＶｄがＶ_Eよりも小さい場合にのみＶＣＯ１８およびＰＷＭ変調部１１１を動作させ、ＶｄがＶ_Eよりも大きい場合には、ＶＣＯ１８およびＰＷＭ変調部１１１の動作を停止させるためのEnable信号として利用される。定電圧源１１７の電圧値は、抵抗１１３−１および抵抗１１３の抵抗値Ｒ_o2、Ｒ_o1や、入出力電圧の設定値などに基づいた所定の電圧値に設定される。

例えば、出力端子１６に接続されている図示しない回路の抵抗値の変動が大きい場合など、スイッチングレギュレータ１０１におけるスイッチング動作を連続して実行する必要がない場合もある。例えば、出力端子１６に接続されているモータなどが停止している状態、すなわち、抵抗が無限大である状態においては、モータにおいて電流が消費されない。したがって、出力電圧Ｖoutが狙い値よりも小さい場合（例えば、モータの駆動中）には、スイッチング動作を実行させ、出力電圧Ｖoutが狙い値に達している場合（例えば、モータの停止後、コイル１１およびコンデンサ１２への蓄電が安定した状態となった後）には、スイッチング動作を停止させることにより、低消費電力で安定した出力制御をおこなうようにすることができる。

このように、コンパレータ１１６によりスイッチング動作の制御がなされている場合、オフセット電圧Ｖofの設定値を、出力電圧Ｖoutが狙い値よりもやや高い値となるようにしても良い。このように設定しても、出力電圧Ｖoutが狙い値に達したときに、コンパレータ１１６の出力によりスイッチング動作が制御されるので、出力電圧Ｖoutは安定する。

なお、ここでは、コンパレータ１１６によりスイッチング動作の制御を行うものとしているが、コンパレータ１１６に代わって、出力電圧Ｖoutを監視し、出力電圧Ｖoutが一定の値となったときに、スイッチング動作の停止を指令するための制御信号を出力することが可能な他の回路、または、マイクロコンピュータなどによる制御を用いるようにしてもよいことは言うまでもない。

なお、出力端子１６に接続されている図示しない回路の抵抗値の変動がほとんどないような場合には、コンパレータ１１６、または、それに変わる機能を有する回路などを用いなくても良いことはいうまでもない。

このように、図４に示されるスイッチングレギュレータ１０１は、入力電圧Ｖinによらず安定した出力電圧Ｖoutを供給することが可能であり、更に、従来用いられていた回路に含まれていた位相補償部品を用いていないので、汎用性が高い。

また、図４に示されるスイッチングレギュレータ１０１と同様の出力電圧のフィードフォワード制御は、入力電圧を昇圧して出力する場合においても、もちろん、適用可能である。

次に、図６を参照して、入力電圧を所望の出力電圧に昇圧するスイッチングレギュレータ１５１の構成について説明する。

なお、図３または図４における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。

コイル１１は、電圧Vinの入力電源１４に接続され、スイッチング処理部６１を介して出力端子１６およびコンデンサ１２に接続されている。例えば、MOSFETなどのスイッチング素子による２つのスイッチ７１およびスイッチ７２より構成されるスイッチング処理部６１は、PWM変調部１１１から供給されるスイッチング制御信号に基づいて、２つのスイッチ７１および７２をオンオフするようになされている。コイル１１と出力端子１６およびコンデンサ１２を結ぶスイッチ７１がオフで、コイル１１とGNDを結ぶスイッチ７２がオンのとき、コイル１１に電流が流れるが、コンデンサ１２および出力端子１６の後段の図示しない回路（負荷）には電流が供給されない。そして、スイッチ７１がオンになった場合、コイル１１へ蓄積された電荷が、コンデンサ１２で平滑されて、出力端子１６の後段の図示しない回路に供給される。

すなわち、スイッチングレギュレータ１５１も、図３を用いて説明したスイッチングレギュレータ５１と同様に、コイル１１に蓄積された電荷を用いて入力電圧Ｖinよりも高い出力電圧Ｖoutを得ることができるようになされており、スイッチ７１およびスイッチ７２のオンオフのデューティー比によって、出力電圧Ｖoutを制御することができるようになされている。

スイッチング処理部６１は、PWM変調部１１１から供給されるスイッチング制御信号を基に、スイッチングを行う。

オフセット電圧１１２、抵抗１１３−１および抵抗１１３−２、抵抗１１４−１および抵抗１１４−２、並びに、定電圧源１１５の配置および機能は、それぞれ、図４を用いて説明した場合と同様である。

また、PWM変調部１１１、VCO１８、および、コンパレータ１１６は、それぞれ、図４を用いて説明した場合と同様の入力を受け、図４を用いて説明した場合と同様の機能を有している。

すなわち、ＶＣＯ１８には、下限電圧Ｖ_Lとして、定電圧源１１５から供給される電圧Ｖ_Lの値が設定されるとともに、上限電圧Ｖ_Hとして、定電圧源１１５から供給される電圧Ｖ_Lと入力電圧Ｖinとの電位差を、所定の抵抗値Ｒ_i2を有する抵抗１１４−１および所定の抵抗値Ｒ_i1を有する抵抗１１４−２により分圧した値が設定される。ＶＣＯ１８から出力される三角波は、PWM変調部１１１のコンパレータ１２１のマイナス端子に供給される。そして、コンパレータ１２１のプラス端子には、オフセット電圧１１２によってオフセットされた出力電圧（出力電圧Ｖout−オフセット電圧Ｖof）と定電圧源１１５から供給される電圧Ｖ_Lとの電位差）が抵抗１１３−１および抵抗１１３−２により分圧されて得られたデューディー比設定電圧Ｖdが供給される。

図４を用いて説明した場合と同様に、PWM変調部１１１のコンパレータ１２１は、プラス端子に供給される、出力電圧Ｖoutによって決まるデューティー比設定電圧Ｖｄと、VCO１８からマイナス端子に供給される、一定の下限電圧Ｖ_Lと入力電圧Ｖinによって決まる上限電圧Ｖ_Hを有する所定周波数の三角波とを比較し、プラス端子への入力電圧がマイナス端子への入力電圧よりも高い値ならオン（Hi）を、プラス端子への入力電圧がマイナス端子への入力電圧よりも低い値であればオフ（Low）を、スイッチング制御信号生成部１２２へ出力する。換言すれば、コンパレータ１２１は、出力電圧Ｖoutによって決まるデューティー比設定電圧Ｖｄと、入力電圧Ｖinによって上限電圧Ｖ_Hが変動する三角波のある時刻での値とを比較し、デューティー比設定電圧Ｖｄが三角波の電圧値よりも高い値の間だけ、オンを出力する。

すなわち、図５を用いて説明したように、上限電圧V_Hが下降するに伴って、コンパレータ１２１の出力のオンデューティーは大きくなる。

そして、スイッチング制御信号生成部１２２において、コンパレータ１２１から出力される矩形波を基に、スイッチング処理部６１の２つのスイッチング素子のオンオフを制御するためのスイッチング制御信号が生成される。ここで、コンパレータ１２１の出力のオンデューティーが大きくなるとき、スイッチ７２のオンデューティーおよびスイッチ７１のオフデューティーが大きくなるようなスイッチング制御信号が生成される。したがって、入力電圧Ｖinが下降しても出力電圧Ｖoutを一定に保つことが可能となる。

このように、図６に示されるスイッチングレギュレータ１５１においては、入力電圧Ｖinの変動によらず、安定した出力電圧Ｖoutを得ることができる。

スイッチングレギュレータ１５１の出力電圧制御は、図４を用いて説明したスイッチングレギュレータ１０１と同様に、入力電圧Ｖinをセンシングすることによるフィードフォワード制御であり、従来のフィードバック制御に用いられていたような位相補償部品を用いる必要がない。これにより、複雑な位相補償を行う必要が無くなり、また、外付けのコンデンサなどを用いる必要が無くなる。

また、スイッチングレギュレータ１５１にも、図４を用いて説明したスイッチングレギュレータ１０１と同様に、コンパレータ１１６も設けられており、デューティー比設定電圧Ｖｄと定電圧源１１７による所定電圧Ｖ_Eとの比較結果が、ＶＣＯ１８およびＰＷＭ変調部１１１の動作を停止させるためのEnable信号として利用される。これにより、例えば、出力端子１６に接続されている図示しない回路の抵抗値の変動が大きい場合などにおいても、低消費電力で安定した出力制御をおこなうようにすることができる。

また、ここでも、コンパレータ１１６によりスイッチング動作の制御がなされている場合、オフセット電圧Ｖofの設定値を、出力電圧Ｖoutが狙い値よりもやや高い値となるようにしても良い。このように設定しても、出力電圧Ｖoutが狙い値に達したときに、コンパレータ１１６の出力によりスイッチング動作が制御されるので、出力電圧Ｖoutは安定する。

なお、ここでは、コンパレータ１１６によりスイッチング動作の制御を行うものとしているが、コンパレータ１１６に代わって、出力電圧Ｖoutを監視し、出力電圧Ｖoutが一定以上の値となったときに、スイッチング動作の停止を指令するための制御信号を出力することが可能な他の回路、または、マイクロコンピュータなどによる制御を用いるようにしてもよいことは言うまでもない。

なお、出力端子１６に接続されている図示しない回路の抵抗値の変動がほとんどないような場合には、コンパレータ１１６、または、それに変わる機能を有する回路などを用いなくても良いことはいうまでもない。

このように、図６に示されるスイッチングレギュレータ１５１は、入力電圧Ｖinによらず安定した出力電圧Ｖoutを供給することが可能であり、更に、従来用いられていた回路とは異なり、位相補償を行う必要が無く、汎用性が高い。

以上説明したように、本発明を適用した、図４のスイッチングレギュレータ１０１、および、図６のスイッチングレギュレータ１５１は、位相補償を行うことなく、すなわち、位相補償部品を用いることなく、入力電圧Ｖinによらず安定した出力電圧Ｖoutを供給することが可能となるため、汎用性が高い。また、図４のスイッチングレギュレータ１０１、および、図６のスイッチングレギュレータ１５１は、位相補償部品の外付けを行わなくても良いため、基板面積を増やすことなく、また、部品組み立てコストを抑えて、入力電圧Ｖinによらず安定した出力電圧Ｖoutを供給することが可能となる。

なお、スイッチングレギュレータ１０１またはスイッチングレギュレータ１５１は、昇圧と降圧とでそれぞれ独立した装置であっても良いし、昇圧と降圧とのいずれも行うことができる１つの装置として、一部の部品を共通に利用して構成されるものとしても良いことはいうまでもない。また、スイッチングレギュレータ１０１またはスイッチングレギュレータ１５１、もしくは、両方の機能を含むスイッチングレギュレータは、各種装置のうちの電圧変換を行うブロックであっても良い。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態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において種々の変更が可能である。

従来のスイッチングレギュレータの構成を示す図である。 図１のコンパレータの出力について説明するための図である。 従来のスイッチングレギュレータの構成を示す図である。 本発明を適用したスイッチングレギュレータの構成を示す図である。 図３のコンパレータの出力について説明するための図である。 本発明を適用したスイッチングレギュレータの構成を示す図である。

符号の説明

１１ コイル １２ コンデンサ， １３ スイッチング処理部， １４ 入力電源， １６ 出力端子， １８ ＶＣＯ， ６１ スイッチング処理部， １０１ スイッチングレギュレータ， １１１ ＰＷＭ変調部， １１２ オフセット電圧， １１３−１，１１３−２，１１４−１，１１４−２ 抵抗, １１５ 定電圧源, １１６ コンパレータ, １１７ 定電圧源, １２１ コンパレータ， １２２ スイッチング制御信号生成部， １５１ スイッチングレギュレータ

Claims (8)

1. 入力電圧として第１の電圧の入力を受け、入力のオンオフをスイッチングすることにより、設定された第２の電圧に出力電圧を変換する変換手段と、
   下限電圧として所定の第３の電圧の供給を受けるとともに、上限電圧として前記第１の電圧に基づいて定められる第４の電圧の供給を受け、所定周波数の信号を出力するＶＣＯと、
   前記変換手段により変換されて得られた前記出力電圧に基づいて定められる第５の電圧、および、前記ＶＣＯの出力を受け、ＰＷＭ変調を行うことにより、前記変換手段におけるスイッチングを制御する制御手段と
   を備える電圧変換装置。
2. 前記変換手段は、コイルと、コンデンサと、スイッチング手段とを備え、入力電圧である前記第１の電圧を、出力電圧である前記第２の電圧に降圧させるスイッチングレギュレータである
   請求項１に記載の電圧変換装置。
3. 前記変換手段は、コイルと、コンデンサと、スイッチング手段とを備え、入力電圧である前記第１の電圧を、出力電圧である前記第２の電圧に昇圧させるスイッチングレギュレータである
   請求項１に記載の電圧変換装置。
4. 前記制御手段は、
   プラス端子に前記第５の電圧の供給を受け、マイナス端子に前記ＶＣＯの出力の供給を受け、これらを比較するコンパレータと、
   前記コンパレータの出力波形のデューティー比に基づいて、前記変換手段におけるスイッチングのオンオフの間隔を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段と
   を備える請求項１に記載の電圧変換装置。
5. 前記第４の電圧は、前記第１の電圧と前記第３の電圧との電位差を所定の割合で分圧した電圧値である
   請求項１に記載の電圧変換装置。
6. 前記第５の電圧は、前記出力電圧を所定の値だけオフセットした電圧値と、前記第３の電圧との電位差を所定の割合で分圧した電圧値である
   請求項１に記載の電圧変換装置。
7. 前記出力電圧を基に、前記ＶＣＯおよび前記制御手段の動作の実行または停止を指令する制御信号を生成する動作制御手段を更に備える
   請求項１に記載の電圧変換装置。
8. 入力電圧として第１の電圧の入力を受け、入力のオンオフをスイッチングすることにより、設定された第２の電圧に出力電圧を変換する電圧変換装置の電圧変換方法において、
   所定の第３の電圧を下限電圧とし、前記第１の電圧に基づいて定められる第４の電圧を上限電圧とした、所定周波数の信号と、
   前記第２の電圧に基づいて定められる第５の電圧と
   を取得して、ＰＷＭ変調を行うことにより、前記スイッチングにおけるオンオフの間隔を制御する
   電圧変換方法。

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