JP2008271685A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を半導体集積回路に内蔵するＤＣ−ＤＣコンバータであり、ＤＣ−ＤＣコンバータの構成が昇圧型か降圧型かを自動判別し、さらに誤接続を防ぐＤＣ−ＤＣコンバータを有する電源装置を提供する。
【解決手段】直流電圧源ＶＣＣと、半導体集積回路１のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と、コイルＬ１と、出力コンデンサＣｏとからＤＣ−ＤＣコンバータを構成する。半導体集積回路１の判別回路部２は、端子Ｖ２の電圧レベルに基づいてＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧型か降圧型かを判別し、判別信号を生成する。制御回路部４は、フィードバック端子ＦＢの電圧と判別回路部２からの判別信号に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧コンバータもしくは降圧コンバータとして動作するように、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２を制御駆動する。この構成により、昇圧型か降圧型かに構成のＤＣ−ＤＣコンバータを自動判別し、適切に制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器に安定した直流入力電圧を供給する電源装置であって、特にその入力電圧を昇圧，降圧することによって所定の電圧に変換するスイッチング式のＤＣ−ＤＣコンバータを有する電源装置に関するものである。

電源装置に用いるスイッチング式のＤＣ−ＤＣコンバータには主に降圧型，昇圧型，反転型の３種類があり、いずれも主スイッチング素子と整流器とコイルを有する点で共通している。特に、整流器が主スイッチング素子と相補的にオンオフするスイッチング素子から構成される同期整流回路の場合、直列接続された２つのスイッチング素子の接続点にコイルを接続した構成は、前記の３種類のＤＣ−ＤＣコンバータに共通する。

さて、必要とする電源電圧が同じ電子機器であっても、入力電源がバッテリー１個か２個直列かというように、入力仕様が異なることがある。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータを昇圧型で構成するか降圧型で構成するかを、入力仕様ごとに分ける必要がある。そこで前記のようなＤＣ−ＤＣコンバータの構成の類似性を利用して、できるだけ少ない部品の変更もしくは切り換えによって、昇圧型か降圧型かにＤＣ−ＤＣコンバータを切り換える方法が考えられている。

例えば、２つのスイッチング素子を直列接続したスイッチング部とコイルを含む、電圧変換回路部で降圧型，昇圧型，反転型のいずれかのＤＣ−ＤＣコンバータと、スイッチング動作の開始前の各部電圧によって降圧型か昇圧型か反転型を自動判別してＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御回路部を有する電源装置が、特許文献１に開示されている。ここでは昇圧型か降圧型かの判別に限定し、その両者に対応するものとして、特許文献１に記載されているＤＣ−ＤＣコンバータを有する電源装置の回路構成図を図５と図６に示す。

図５と図６において電源装置は、入力端子ＶＩＮから入力された直流入力電圧を、出力端子ＶＯＵＴから所望の電圧に変換して出力する電圧変換回路部２２と、電圧変換回路部２２が昇圧型か降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであるかを判別して電圧変換回路部２２を制御する制御信号を出力する制御回路部２１を有している。制御回路部２１は、半導体集積回路によって構成されており、電源端子ＶＣ，接地端子ＧＮＤ，制御端子ＥＸＴ，電流センス端子ＣＳ，フィードバック端子ＦＢを有している。

また、電圧変換回路部２２が昇圧型か降圧型かを判別する判別回路部２３と制御信号発生回路部２４を内蔵している。制御信号発生回路部２４は判別回路部２３での判別結果に基づいて、電圧変換回路部２２から出力される電圧を制御する制御信号を制御端子ＥＸＴに出力する。電源端子ＶＣは入力端子ＶＩＮに接続されており、制御回路部２１の電源電圧として直流入力電圧が供給される。

電圧変換回路部２２は昇圧型か降圧型かで回路構成が異なる。図５は電圧変換回路部２２が昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータで、直流入力電圧が印加されているコイルＬ１と、このコイルＬ１に接続されたスイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ２からなるスイッチング部２５を有している。スイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ２は制御回路部２１からの制御信号に基づいて相補的にオンオフを繰り返すスイッチング動作をする。

制御回路部２１の電流センス端子ＣＳは、スイッチング部２５のスイッチング素子ＳＷ１と一端が接地された抵抗Ｒ１との接続点に接続されている。スイッチング素子ＳＷ２の他端は出力端子ＶＯＵＴに接続され、出力コンデンサＣ１を介して接地される。また、出力端子ＶＯＵＴは直列接続された抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ３を介して接地されており、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点は制御回路部２１のフィードバック端子ＦＢに接続されている。

このような昇圧型の電圧変換回路部２２では、電圧変換がされていないスイッチング動作の開始前では、スイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ２が非導通状態であるために、出力端子ＶＯＵＴから電圧は出力されず、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点は接地電圧付近の電圧レベルになる。したがって、フィードバック端子ＦＢには接地電圧付近の電圧が与えられる。同様に、抵抗Ｒ１との接続点の電圧は、接地電圧付近の電圧レベルになり、電流センス端子ＣＳには接地電圧付近の電圧レベルが与えられる。

制御回路部２１の判別回路部２３には、第１の判定器２６と第２の判定器２７とラッチ回路２８が設けられている。第１の判定器２６は電流センス端子ＣＳに入力される抵抗Ｒ１の電圧が入力される。ここで、電流センス端子ＣＳの電圧は昇圧型の場合のみ接地電位近辺になり、それ以外の型では直流入力電圧近辺となることから、図５のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１の判定器２６によって電圧変換回路部２２が昇圧型であると判別される。

図６は電圧変換回路部２２ａが降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータで、入力端子ＶＩＮに抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ２からなるスイッチング部２５が接続されており、抵抗Ｒ１とスイッチング素子ＳＷ１の接続点が制御回路部２１の電流センス端子ＣＳに接続されている。スイッチング部２５のスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２の接続点にコイルＬ１の一端が接続されており、コイルＬ１の他端が出力端子ＶＯＵＴに接続されるとともに出力コンデンサＣ１を介して接地されている。また、出力端子ＶＯＵＴは直列接続された抵抗Ｒ２およびＲ３を介して接地されており、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点は制御回路部２１のフィードバック端子ＦＢに接続されている。

このような降圧型の電圧変換回路部２２ａでは、電圧変換がされていないスイッチング動作の開始前では、スイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ２が非導通状態であるために、出力端子ＶＯＵＴから電圧は出力されず、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点は接地電圧付近の電圧レベルになる。したがって、フィードバック端子ＦＢには接地電圧付近の電圧が与えられる。これに対して、抵抗Ｒ１との接続点の電圧は、スイッチング素子ＳＷ１が非導通状態なので、端子に入力される電圧付近のレベルになり、電流センス端子ＣＳには直流入力電圧近辺の電圧レベルが与えられる。

ここで制御回路部２１の判別回路部２３では、第１の判定器２６が降圧型の電流センス端子ＣＳの電圧は直流入力電圧近辺であること、第２の判定器２７がフィードバック端子ＦＢの電圧は接地電圧付近となることから、図６のＤＣ−ＤＣコンバータは電圧変換回路部２２ａが降圧型であると判別される。

なお、説明は省略するが、特許文献１によれば、フィードバック端子ＦＢの電圧が基準電圧であれば、電圧変換回路部が反転型であると判別される。
特開２００５−２８７２５５号公報

部品点数削減のために、電源装置を構成する半導体集積回路であるスイッチング部と制御回路部は、しばしば同一半導体基板上に形成される。しかし前記従来の構成では、スイッチング部と制御回路部が別部品となっている。これは、電圧変換回路部が、昇圧型，降圧型，反転型のＤＣ−ＤＣコンバータのいずれかに選択され、制御回路部に対して取り外し可能なディスクリート部品になっていることを前提としているためと、反転型を含んだためにスイッチング部の接地電位を制御回路部と共有し難くなっているからである。

本発明では、電圧変換回路部を昇圧型か降圧型いずれかのＤＣ−ＤＣコンバータに限定し、電圧変換回路部のスイッチング部と、変換動作モードを判定する判定回路部を含みスイッチング部を制御する制御回路部を同一半導体基板上に形成できる電源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、本発明に係る請求項１に記載した電源装置は、直流入力電圧を供給する直流電圧源と、直列接続された第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を有する半導体集積回路と、コイルと、平滑手段とを有し、直流入力電圧を昇圧もしくは降圧するＤＣ−ＤＣコンバータを有する電源装置であって、半導体集積回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータの構成が昇圧型かもしくは降圧型かを判別して判別信号を生成する判別回路部と、判別信号に基づいて第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を制御駆動する制御回路部とを備えた構成によって、昇圧型かもしくは降圧型の構成を取るＤＣ−ＤＣコンバータを判別してスイッチング素子を駆動制御し、誤接続による誤動作を回避することができる。

また、請求項２，３に記載した電源装置は、前記請求項の電源装置における半導体集積回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧型もしくは降圧型かを設定する選択信号を入力する選択端子と、判別回路部からの判別信号と選択信号とが一致か不一致かを判定する判定信号を出力する検出回路部とを有し、制御回路部において、判定信号が不一致を示す場合には動作を停止し、判定信号が一致を示す場合には判別信号に基づいて第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を制御駆動すること、さらに、検出回路部は、選択信号と判別信号を入力する排他的論理和回路と、排他的論理和回路の出力と選択信号を入力して判定信号を出力する論理積回路とを有する構成によって、昇圧型かもしくは降圧型の構成を取るＤＣ−ＤＣコンバータの誤接続による誤動作の危険性を回避でき、判別結果と構成選択結果の一致と不一致を検出することができる。

また、請求項４〜６に記載した電源装置は、前記請求項の電源装置における半導体集積回路は、第１のスイッチング素子の他端が接続される第１の端子と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の接続点が接続される第２の端子と、第２のスイッチング素子の他端が接続される第３の端子とを有し、第２の端子はコイルの一端と接続され、第３の端子は接地され、判別回路部が、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子が駆動されていない停止状態において、第２の端子の電圧が基準電圧より高い場合に昇圧型、第２の端子の電圧が基準電圧より低い場合に降圧型と判別すること、さらに、判別回路部において、第２の端子の電圧と比較する基準電圧が直流入力電圧以下の電圧に設定されること、さらに、判別回路部は、第２の端子の電圧と基準電圧とを比較する比較器と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子が駆動されていない停止状態における比較器の出力を保持するラッチ回路とを有する構成によって、誤接続による誤動作の危険性を回避できる昇圧型あるいは降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを構成できる。

また、請求項７，８に記載した電源装置は、前記請求項の電源装置における半導体集積回路の第１の端子は平滑手段に接続され、第２の端子のコイル他端は直流電圧源に接続され、判別回路部によって昇圧型と判別されること、または、半導体集積回路の第１の端子は直流電圧源に接続され、第２の端子のコイル他端は平滑手段に接続され、判別回路部によって降圧型と判別されるように構成したものである。

本発明によれば、スイッチング素子と制御回路を同一半導体基板上に形成した半導体集積回路とし、ＤＣ−ＤＣコンバータの構成が昇圧型か降圧型かを判別して、スイッチング素子の動作を制御することができ、また、半導体集積回路が選択端子を有し、この選択端子に入力される選択信号によって昇圧型か降圧型かを指令されるような場合において、例えば選択端子から降圧型を指令されているにもかかわらずＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧型で構成されているといった、誤接続を検知することが可能となり、半導体集積回路での判別結果と前記選択信号の不一致の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータを停止して、誤接続におる誤動作などを回避することもできるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る電源装置に有する昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図である。図１に示すように、半導体集積回路１は判別回路部２，制御回路部４，スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を備え、端子Ｖ１および端子Ｖ２，フィードバック端子ＦＢ，端子１０と接地端子１２を有する。スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２は直列に接続され、その接続端に端子Ｖ２を介してコイルＬ１が接続され、スイッチング素子ＳＷ１のもう一端は端子Ｖ１を通じて出力端子Ｖｏに接続されるとともに平滑手段である出力コンデンサＣｏを介して接地されている。また、コイルＬ１のもう一端は直流電圧源ＶＣＣに接続されており、直流電圧源ＶＣＣからの直流入力電圧は端子１０より半導体集積回路１に入力される。

半導体集積回路１の判別回路部２において、端子１０より入力された直流電圧源ＶＣＣからの直流入力電圧は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２によって分割されて基準電圧Ｖｒとなる。判別回路部２において、５は比較器であり、基準電圧Ｖｒは比較器５の反転入力に入力され、比較器５の非反転入力には端子Ｖ２の電圧が入力される。７はＤフリップフロップであり、比較器５の出力はラッチ回路として働くＤフリップフロップ７の入力端子Ｄへ接続され、昇圧型か降圧型かを判別した判別信号がＤフリップフロップ７の出力端子Ｑより出力される。１１はタイマー回路であり、判別結果を固定するための信号でＤフリップフロップ７のクロック端子ＣＫに入力される。タイマー回路１１の動作は、端子１０への入力電圧を印加時の判別前は「Ｈ」レベルが出力され、少なくとも昇圧型か降圧型かの判別結果が確定した後からスイッチング動作が開始するまでの所定時間経過後に「Ｌ」レベルとなる。このことにより、Ｄフリップフロップ７は以後クロック端子ＣＫへの入力がなくなって、判別結果が固定される。

制御回路部４は、判別回路部２からの判別信号に基づき、ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧コンバータもしくは降圧コンバータとして動作するように、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

以上のように構成された図１のＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧型であることを説明する。制御回路部４からの信号により、スイッチング素子ＳＷ１が非導通状態で、スイッチング素子ＳＷ２が導通状態である期間に、コイルＬ１の両端には直流電圧源ＶＣＣの直流入力電圧が印加され、流れる電流の増加とともにエネルギーが蓄積される。

次に、スイッチング素子ＳＷ１が導通状態、スイッチング素子ＳＷ２が非導通状態となると、コイルＬ１に蓄えられたエネルギーは、出力コンデンサＣｏを充電する電流として放出される。この時、直流電圧源ＶＣＣからコイルＬ１、スイッチング素子ＳＷ１を介して電流が流れ、直流電圧源ＶＣＣの電圧にコイルＬ１に発生した逆起電力が加算された電圧が出力電圧となる。このようにして昇圧された出力電圧が出力端子Ｖｏより得られる。

コイルＬ１に蓄えられるエネルギーはスイッチング素子ＳＷ２の導通状態が長いほど大きい。このことから出力電圧は、１スイッチング周期に占めるスイッチング素子ＳＷ２のオン時間の割合が大きいほど高くなる。また、この出力電圧は、フィードバック端子ＦＢを通じて制御回路部４に入力され、制御回路部４はこの出力電圧を所望値に安定化するようにスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

このような昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング動作開始前の端子Ｖ２の電圧は、コイルＬ１を介して直流電圧源ＶＣＣからの直流入力電圧とほぼ同じである。判別回路部２において、比較器５に入力される端子Ｖ２の電圧は基準電圧Ｖｒより大きく、比較器５の出力は「Ｈ」レベルとなる。Ｄフリップフロップ７の入力端子Ｄには比較器５からの「Ｈ」レベルの信号が入力され、クロック端子ＣＫにはタイマー回路１１より「Ｈ」レベルが入力されることにより、Ｄフリップフロップ７の出力は「Ｈ」レベルとなる。

タイマー回路１１の出力は、そのタイマー機能によりスイッチング動作開始前に「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化し、これがＤフリップフロップ７のクロック端子ＣＫに入力されることで出力端子Ｑの「Ｈ」レベルは保持される。これにより判別回路部２は判別結果の「Ｈ」レベルを判別信号として制御回路部４に入力する。判別信号の「Ｈ」レベルは、ＤＣ−ＤＣコンバータを昇圧コンバータとして動作するための信号となり、制御回路部４はＤＣ−ＤＣコンバータを昇圧コンバータとして動作させるようにスイッチング素子ＳＷ１，スイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

以上のように本実施形態１のＤＣ−ＤＣコンバータによれば、動作モードを自動的に昇圧型と判別することができる。

（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２に係る電源装置に有する降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図である。図２において、図１に示した実施形態１に係るＤＣ−ＤＣコンバータと同じ構成のものには同じ番号を付与し、その説明を省略する。本実施形態２のＤＣ−ＤＣコンバータが、図１の実施形態１のＤＣ−ＤＣコンバータの構成と異なるのは、直流電圧源ＶＣＣと出力コンデンサＣｏの接続場所である。直流電圧源ＶＣＣは端子Ｖ１に接続され、出力コンデンサＣｏはコイルＬ１の一端に接続される。出力コンデンサＣｏとコイルＬ１の接続点は出力端子Ｖｏに接続され、この出力端子Ｖｏからの出力電圧がフィードバック端子ＦＢに入力される。

以上のように構成された図２のＤＣ−ＤＣコンバータが降圧型であることを説明する。この構成では、制御回路部４からの信号により、スイッチング素子ＳＷ１が導通状態、スイッチング素子ＳＷ２が非導通状態の期間でコイルＬ１には入力電圧と出力電圧の差電圧が印加され、流れる電流の増加とともにエネルギーが蓄積される。

次に、スイッチング素子ＳＷ１が非導通状態、スイッチング素子ＳＷ２が導通状態となり、コイルＬ１に蓄えられたエネルギーが出力コンデンサＣｏを充電する電流として放出される。この動作の繰り返しにより出力電圧は、スイッチング素子ＳＷ１のスイッチング周期に占めるオン時間の割合を入力電圧に乗じた値となる。このようにして降圧された出力電圧が得られる。この出力電圧は、フィードバック端子ＦＢを通じて制御回路部４に入力され、制御回路部４はこの出力電圧を所望値に安定化するようにスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

このような降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング動作開始前の端子Ｖ２の電圧は、コイルＬ１を介して出力端子Ｖｏとほぼ同じであり、動作前であるので出力電圧は接地電位付近にある。判別回路部２において、比較器５に入力される端子Ｖ２の電圧は基準電圧Ｖｒより小さく、比較器５の出力は「Ｌ」レベルとなる。Ｄフリップフロップ７の入力には、比較器５から出力の「Ｌ」レベルが入力され、クロック端子ＣＫにはタイマー回路１１より「Ｈ」レベルが入力されることにより、Ｄフリップフロップ７の出力は「Ｌ」レベルとなる。

タイマー回路１１の出力はそのタイマー機能によりスイッチング動作開始前に「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化し、これがＤフリップフロップ７のクロック端子ＣＫに入力されることで出力Ｑの「Ｌ」レベルは保持される。これにより判別回路部２は判別結果の「Ｌ」レベルを判別信号として制御回路部４に入力する。判別信号の「Ｌ」レベルは、ＤＣ−ＤＣコンバータを降圧コンバータとして動作するための信号となり、制御回路部４はＤＣ−ＤＣコンバータを降圧コンバータとして動作させるようにスイッチング素子ＳＷ１，スイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

以上のように本実施形態２のＤＣ−ＤＣコンバータによれば、動作モードを自動的に降圧型と判別することができる。

（実施形態３）
図３は本発明の実施形態３に係る電源装置に有する昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図である。図３に示すように、半導体集積回路１ａは判別回路部２，検出回路部３，制御回路部４ａ，スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を備え、端子Ｖ１および端子Ｖ２，選択端子ＵＤＳＥＬ，フィードバック端子ＦＢ，端子１０と接地端子１２を有する。スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２は直列に接続され、その接続端に端子Ｖ２を介してコイルＬ１が接続され、スイッチング素子ＳＷ１のもう一端は端子Ｖ１を通じて出力端子Ｖｏに接続されるとともに平滑手段である出力コンデンサＣｏを介して接地されている。また、コイルＬ１のもう一端は直流電圧源ＶＣＣに接続されており、直流電圧源ＶＣＣからの直流入力電圧は端子１０より半導体集積回路１ａに入力される。

半導体集積回路１ａの判別回路部２において、端子１０より入力された直流電圧源ＶＣＣからの直流入力電圧は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２によって分割されて基準電圧Ｖｒとなる。判別回路部２において、５は比較器であり、基準電圧Ｖｒは比較器５の反転入力に入力され、比較器５の非反転入力には端子Ｖ２の電圧が入力される。７はＤフリップフロップであり、比較器５の出力はＤフリップフロップ７の入力端子Ｄへ接続され、昇圧型か降圧型かを判別した結果がＤフリップフロップ７の出力端子Ｑより出力される。１１はタイマー回路であり、判別結果を固定するための信号でＤフリップフロップ７のクロック端子ＣＫに入力される。タイマー回路１１の動作は、端子１０への入力電圧を印加時の判別前は「Ｈ」レベルが出力され、少なくとも昇圧型か降圧型かの判別結果が確定した後からスイッチング動作が開始するまでの所定時間経過後に「Ｌ」レベルとなる。このことにより、Ｄフリップフロップ７は以後クロック端子ＣＫへの入力が無くなって、判別結果が固定される。

半導体集積回路１ａの検出回路部３において、「Ｈ」レベルか「Ｌ」レベルに固定された判別回路部２のＤフリップフロップ７の出力は、ＥＸ−ＮＯＲ回路（排他的論理和回路）８に入力される。半導体集積回路１ａの選択端子ＵＤＳＥＬは、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作モードが昇圧型か降圧型かを選択する信号を入力する端子で、昇圧型の場合は「Ｈ」レベル、降圧型の場合は「Ｌ」レベルがＥＸ−ＮＯＲ回路８に入力される。すなわち、判別回路部２での判定結果出力と選択端子ＵＤＳＥＬからの選択信号が一致していれば、ＥＸ−ＮＯＲ回路８は「Ｈ」レベルを出力し、判定結果と選択信号が不一致ならば「Ｌ」レベルを出力する。

不一致の「Ｌ」レベル信号が制御回路部４ａに入力されると、制御回路部４ａはスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を停止状態とする。一致している場合の「Ｈ」レベル信号は制御回路部４ａとＡＮＤ回路（論理積回路）９に入力される。一致している場合の「Ｈ」レベル信号は制御回路部４ａを動作可能状態にし、ＡＮＤ回路９の出力は昇圧型では「Ｈ」レベル、降圧型では「Ｌ」レベルを出力する。ＡＮＤ回路９の出力に基づき、制御回路部４ａはＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧コンバータもしくは降圧コンバータとして動作するように、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

以上のように構成された図３のＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧型であることを説明する。制御回路部４ａからの信号により、スイッチング素子ＳＷ１が非導通状態で、スイッチング素子ＳＷ２が導通状態である期間に、コイルＬ１の両端には直流電圧源ＶＣＣの入力電圧が印加され、流れる電流の増加とともにエネルギーが蓄積される。

次に、スイッチング素子ＳＷ１が導通状態、スイッチング素子ＳＷ２が非導通状態となると、コイルＬ１に蓄えられたエネルギーは、出力コンデンサＣｏを充電する電流として放出される。この時、直流電圧源ＶＣＣからコイルＬ１、スイッチング素子ＳＷ１を介して電流が流れ、直流電圧源ＶＣＣの電圧にコイルＬ１に発生した逆起電力が加算された電圧が出力電圧となる。このようにして昇圧された出力電圧が出力端子Ｖｏより得られる。この出力電圧は、フィードバック端子ＦＢを通じて制御回路部４ａに入力され、制御回路部４ａはこの出力電圧を所望値に安定化するようにスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

このような昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング動作開始前の端子Ｖ２の電圧は、コイルＬ１を介して直流電圧源ＶＣＣからの直流入力電圧とほぼ同じである。判別回路部２において、比較器５に入力される端子Ｖ２の電圧は基準電圧Ｖｒより大きく、比較器５の出力は「Ｈ」レベルとなる。Ｄフリップフロップ７の入力端子Ｄには比較器５からの「Ｈ」レベルの信号が入力され、クロック端子ＣＫにはタイマー回路１１より「Ｈ」レベルが入力されることにより、Ｄフリップフロップ７の出力は「Ｈ」レベルとなる。

タイマー回路１１の出力は、そのタイマー機能によりスイッチング動作開始前に「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化し、これがＤフリップフロップ７のクロック端子ＣＫに入力されることで出力端子Ｑの「Ｈ」レベルは保持される。これにより判別回路部２は判別結果の「Ｈ」レベルを検出回路部３に入力する。

検出回路部３のＥＸ−ＮＯＲ回路８の２つの入力には、片方は判別回路部２から「Ｈ」レベルが入力され、もう片方には入力端子ＵＤＳＥＬから昇圧型の動作モードを選択する「Ｈ」レベルの信号が入力される。すなわち、２つの信号は一致しており、ＥＸ−ＮＯＲ回路８は「Ｈ」レベルを出力する。ＥＸ−ＮＯＲ回路８出力の「Ｈ」レベルと、選択端子ＵＤＳＥＬの「Ｈ」レベルがＡＮＤ回路９に入力され、ＡＮＤ回路９は「Ｈ」レベルを出力する。ＡＮＤ回路９の「Ｈ」レベルは、ＤＣ−ＤＣコンバータを昇圧コンバータとして動作するための信号となり、また、ＥＸ−ＮＯＲ回路８出力の「Ｈ」レベルがＤＣ−ＤＣコンバータを動作可能状態とすることから、制御回路部４ａはＤＣ−ＤＣコンバータを昇圧コンバータとして動作させるようにスイッチング素子ＳＷ１，スイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

次に、本実施形態３のように昇圧型に構成されたＤＣ−ＤＣコンバータが、本来降圧型に構成されて高い電圧の入力電源が接続されるような入力仕様に、誤使用されるような場合の動作を説明する。この場合、選択端子ＵＤＳＥＬには降圧型を選択するように「Ｌ」レベルの信号が入力される。このため、ＥＸ−ＮＯＲ回路８の入力には、判別回路部２からの「Ｈ」レベルの信号と選択端子ＵＤＳＥＬからの「Ｌ」レベルの信号が入力される。すなわち、２つの信号は不一致であるので、ＥＸ−ＮＯＲ回路８は「Ｌ」レベルを出力する。この「Ｌ」レベル信号は制御回路部４ａを停止させる信号となり、スイッチング動作は開始されない。もし、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータのつもりで、高い入力電圧を昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータに入力し、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータが動作し始めると、異常に高い出力電圧が発生して負荷回路にダメージを与える危険性があるが、本実施形態３ではスイッチング動作が開始されないのでその危険性はない。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータが降圧型に誤接続されている場合、判別回路部２の判定結果が「Ｌ」レベルとなる（実施形態４で後述）。この時、ＥＸ−ＮＯＲ回路８の入力には、片方は判別回路部２から「Ｌ」レベルが入力され、もう片方には選択端子ＵＤＳＥＬから昇圧型の動作モードを選択する「Ｈ」レベルの信号が入力される。すなわち、２つの信号は不一致であるので、ＥＸ−ＮＯＲ回路８は「Ｌ」レベルを出力する。この「Ｌ」レベル信号は制御回路部４ａを停止させる信号となり、スイッチング動作は開始されない。もし、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータのつもりで、低い入力電圧を降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータに入力し、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータが動作し始めると、異常に低い出力電圧が発生して負荷回路の誤動作を誘引する危険性があるが、本実施形態３ではスイッチング動作が開始されないのでその危険性はない。

以上のように本発明のＤＣ−ＤＣコンバータによれば、動作モードを自動的に昇圧型と判別し、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータが誤接続されていてもスイッチング動作を停止させることが可能であり異常電圧の発生を防止することができる。

（実施形態４）
図４は本発明の実施形態４に係る電源装置に有する降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図である。図４において、図３に示した実施形態３に係るＤＣ−ＤＣコンバータと同じ構成のものには同じ番号を付与し、その説明を省略する。本実施形態４のＤＣ−ＤＣコンバータが図３の実施形態３のＤＣ−ＤＣコンバータの構成と異なるのは、直流電圧源ＶＣＣと出力コンデンサＣｏの接続場所である。直流電圧源ＶＣＣは端子Ｖ１に接続され、出力コンデンサＣｏはコイルＬ１の一端に接続される。出力コンデンサＣｏとコイルＬ１の接続点は出力端子Ｖｏに接続され、この出力端子Ｖｏからの出力電圧がフィードバック端子ＦＢに入力される。

以上のように構成された図４のＤＣ−ＤＣコンバータが降圧型であることを説明する。この構成では、制御回路部４ａからの信号により、スイッチング素子ＳＷ１が導通状態、スイッチング素子ＳＷ２が非導通状態の期間でコイルＬ１には入力電圧と出力電圧の差電圧が印加され、流れる電流の増加とともにエネルギーが蓄積される。

次に、スイッチング素子ＳＷ１が非導通状態、スイッチング素子ＳＷ２が導通状態となり、コイルＬ１に蓄えられたエネルギーが出力コンデンサＣｏを充電する電流として放出される。この動作の繰り返しにより出力電圧は、スイッチング素子ＳＷ１のスイッチング周期に占めるオン時間の割合を入力電圧に乗じた値となる。このようにして降圧された出力電圧が得られる。この出力電圧は、フィードバック端子ＦＢを通じて制御回路部４ａに入力され、制御回路部４ａはこの出力電圧を所望値に安定化するようにスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

このような降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング動作開始前の端子Ｖ２の電圧は、コイルＬ１を介して出力端子Ｖｏとほぼ同じであり、動作前であるので出力電圧は接地電位付近にある。判別回路部２において、比較器５に入力される端子Ｖ２の電圧は基準電圧Ｖｒより小さく、比較器５の出力は「Ｌ」レベルとなる。Ｄフリップフロップ７の入力には、比較器５から出力の「Ｌ」レベルが入力され、クロック端子ＣＫにはタイマー回路１１より「Ｈ」レベルが入力されることにより、Ｄフリップフロップ７の出力は「Ｌ」レベルとなる。

タイマー回路１１の出力はそのタイマー機能によりスイッチング動作開始前に「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化し、これがＤフリップフロップ７のクロック端子ＣＫに入力されることで出力Ｑの「Ｌ」レベルは保持される。これにより判別回路部２は判別結果の「Ｌ」レベルを検出回路部３に入力する。

検出回路部３のＥＸ−ＮＯＲ回路８の２つの入力には、片方は判別回路部２から「Ｌ」レベルが入力され、もう片方には選択端子ＵＤＳＥＬから降圧型の動作モードを選択する「Ｌ」レベルの信号が入力される。すなわち、２つの信号は一致しており、ＥＸ−ＮＯＲ回路８は「Ｈ」レベルを出力する。ＥＸ−ＮＯＲ回路８出力の「Ｈ」レベルと、選択端子ＵＤＳＥＬの「Ｌ」レベルがＡＮＤ回路９に入力され、ＡＮＤ回路９は「Ｌ」レベルを出力する。

ＡＮＤ回路９の「Ｌ」レベルは、ＤＣ−ＤＣコンバータを降圧コンバータとして動作するための信号となり、また、ＥＸ−ＮＯＲ回路８から出力の「Ｈ」レベルがＤＣ−ＤＣコンバータを動作可能状態とすることから、制御回路部４ａはＤＣ−ＤＣコンバータを降圧コンバータとして動作させるようにスイッチング素子ＳＷ１，スイッチング素子ＳＷ２を制御駆動する。

次に、本実施形態４のように降圧型に構成されたＤＣ−ＤＣコンバータが、本来昇圧型に構成されて低い電圧の入力電源が接続されるような入力仕様に、誤使用されるような場合の動作を説明する。この場合、選択端子ＵＤＳＥＬには昇圧型を選択するように「Ｈ」レベルの信号が入力される。このため、ＥＸ−ＮＯＲ回路８の入力には、判別回路部２からの「Ｌ」レベルの信号と選択端子ＵＤＳＥＬからの「Ｈ」レベルの信号が入力される。すなわち、２つの信号は不一致であるので、ＥＸ−ＮＯＲ回路８は「Ｌ」レベルを出力する。この「Ｌ」レベル信号は制御回路部４ａを停止させる信号となり、スイッチング動作は開始されない。もし、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータのつもりで、低い入力電圧を降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータに入力し、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータが動作し始めると、異常に低い出力電圧が発生して負荷回路が誤動作する危険性があるが、本実施形態４ではスイッチング動作が開始されないのでその危険性はない。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧型に誤接続されている場合、判別回路部２の判定結果が「Ｈ」レベルとなる。この時、ＥＸ−ＮＯＲ回路８の入力には、片方は判別回路部２から「Ｈ」レベルが入力され、もう片方には選択端子ＵＤＳＥＬから降圧型の動作モードを選択する「Ｌ」レベルの信号が入力される。すなわち、２つの信号は不一致であるので、ＥＸ−ＮＯＲ回路８は「Ｌ」レベルを出力する。この「Ｌ」レベル信号は制御回路部４ａを停止させる信号となり、スイッチング動作は開始されない。もし、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータのつもりで、高い入力電圧を昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータに入力し、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータが動作し始めると、異常に高い出力電圧が発生して負荷回路にダメージを与える危険性があるが、本実施形態４ではスイッチング動作が開始されないのでその危険性はない。

以上のように本発明のＤＣ−ＤＣコンバータを有する電源装置によれば、動作モードを自動的に降圧型と判別し、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータが誤接続されていてもスイッチング動作を停止させることが可能であり異常電圧の発生を防止することができる。

本発明に係る電源装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作モードが昇圧型もしくは降圧型かを自動的に判別するのに有用であり、直流電圧源としてリチウムイオン電池や単三電池を使用するデジタルカメラ等の電子機器の電源装置として利用することができる。

本発明の実施形態１に係る昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図 本発明の実施形態２に係る降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図 本発明の実施形態３に係る昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図 本発明の実施形態４に係る降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図 従来の昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図 従来の降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路構成図

符号の説明

１，１ａ 半導体集積回路
２，２３ 判別回路部
３ 検出回路部
４，４ａ 制御回路部
５ 比較器
７ Ｄフリップフロップ
８ ＥＸ−ＮＯＲ回路
９ ＡＮＤ回路
１０ 端子
１２ 接地端子
２１ 制御回路部
２２，２２ａ 電圧変換回路部
２４ 制御信号発生回路部
２５ スイッチング部
２６ 第１の判定器
２７ 第２の判定器
２８ ラッチ回路

Claims (8)

1. 直流入力電圧を供給する直流電圧源と、直列接続された第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を有する半導体集積回路と、コイルと、平滑手段とを有し、前記直流入力電圧を昇圧もしくは降圧するＤＣ−ＤＣコンバータを有する電源装置であって、
   前記半導体集積回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの構成が昇圧型かもしくは降圧型かを判別して判別信号を生成する判別回路部と、前記判別信号に基づいて前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を制御駆動する制御回路部とを備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記半導体集積回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧型もしくは降圧型かを設定する選択信号を入力する選択端子と、判別回路部からの判別信号と前記選択信号とが一致か不一致かを判定する判定信号を出力する検出回路部とを有し、
   制御回路部において、前記判定信号が不一致を示す場合には動作を停止し、前記判定信号が一致を示す場合には前記判別信号に基づいて第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を制御駆動することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記検出回路部は、選択信号と判別信号を入力する排他的論理和回路と、前記排他的論理和回路の出力と前記選択信号を入力して判定信号を出力する論理積回路とを有することを特徴とする請求項２記載の電源装置。
4. 前記半導体集積回路は、第１のスイッチング素子の他端が接続される第１の端子と、前記第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の接続点が接続される第２の端子と、前記第２のスイッチング素子の他端が接続される第３の端子とを有し、
   前記第２の端子はコイルの一端と接続され、前記第３の端子は接地され、判別回路部が、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子が駆動されていない停止状態において、前記第２の端子の電圧が基準電圧より高い場合に昇圧型、前記第２の端子の電圧が基準電圧より低い場合に降圧型と判別することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
5. 前記判別回路部において、第２の端子の電圧と比較する基準電圧が直流入力電圧以下の電圧に設定されることを特徴とする請求項４記載の電源装置。
6. 前記判別回路部は、第２の端子の電圧と基準電圧とを比較する比較器と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子が駆動されていない停止状態における前記比較器の出力を保持するラッチ回路とを有することを特徴とする請求項４または５記載の電源装置。
7. 前記半導体集積回路の第１の端子は平滑手段に接続され、第２の端子のコイル他端は直流電圧源に接続され、判別回路部によって昇圧型と判別されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の電源装置。
8. 前記半導体集積回路の第１の端子は直流電圧源に接続され、第２の端子のコイル他端は平滑手段に接続され、判別回路部によって降圧型と判別されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の電源装置。

Images