JP2009136097A - Ｄｃ／ｄｃコンバータおよびその制御回路ならびにそれを利用した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】占有面積、部品点数を削減する。
【解決手段】第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２は、第１端子Ｐ１と接地端子の間に直列に設けられる。ダイオードＤ１は、第１トランジスタＭ１と並列に、カソードが第１端子Ｐ１側となる向きで設けられる。インダクタＬ１は、接続点Ｐ３と第２端子Ｐ２の間に設けられる。第１キャパシタＣ１は、第１端子Ｐ１と接地端子の間に、第２キャパシタＣ２は、第２端子Ｐ２と接地端子の間に設けられる。制御部１４は、第１モードにおいて、第１トランジスタＭ１および第２トランジスタＭ２を交互にスイッチング動作させ、第１端子Ｐ１の外部電圧Ｖｅｘｔを降圧して第２端子Ｐ２から出力する。第２モードにおいて、第１トランジスタＭ１をオフし、第２トランジスタＭ２をスイッチング動作させて、第２端子Ｐ２に入力された電圧Ｖｂａｔを昇圧して第１端子Ｐ１から出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御技術に関する。

近年の携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型パーソナルコンピュータをはじめとする電子機器には、リチウムイオンなどの２次電池と、２次電池を充電するための充電回路が搭載される。図１は、２次電池を搭載する一般的な電子機器の構成を示すブロック図である。

電子機器２００は、２次電池（以下、単に電池ともいう）２１０、充電回路２１２、昇圧回路２２０、負荷２３０を備える。電子機器２００には、ＡＣアダプタやＵＳＢ電源をはじめとする外部電源２４０が接続される。充電回路２１２は、外部電源２４０からの外部電圧Ｖｅｘｔを利用して電池２１０を充電する。昇圧回路２２０は、電池電圧Ｖｂａｔを昇圧して負荷２３０に必要な電源電圧を生成する。外部電源２４０が接続される場合、負荷２３０は昇圧回路２２０の出力電圧に代えて、外部電圧Ｖｅｘｔによって駆動される場合もある。

特開２００６−３４０３３号公報 特開２００７−２６７５８２号公報

図１の電子機器２００は、充電回路２１２と昇圧回路２２０を搭載するため、制御回路と外付け部品が２系統必要となり、占有面積が大きくなってしまう。

本発明のある態様はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子機器に使用される電子部品の削減にある。

本発明のある態様は、第１端子に第１電圧が供給され、第２端子に電源が接続される同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御回路に関する。同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１端子と固定電圧端子の間に直列に設けられた第１トランジスタおよび第２トランジスタと、第１トランジスタおよび第２トランジスタの接続点と第２端子の間に設けられたインダクタと、第２端子と固定電圧端子の間に設けられたキャパシタと、を含む。制御回路は、第１トランジスタおよび第２トランジスタを交互にスイッチング動作させ、第１端子の第１電圧を降圧して第２端子に接続される電源に供給する第１モードと、第２端子に電源からの電圧を受け、第１トランジスタをオフし、第２トランジスタをスイッチング動作させて、電源からの電圧を昇圧して第１端子から出力する第２モードと、が切りかえ可能に構成される。

この態様によると、電源に対する電圧供給と、負荷に対する電圧供給を、ひとつの同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータで実現できるため、回路面積、部品点数を削減できる。

制御回路は、第１電圧が供給されるとき、第１モードで動作し、第１電圧が供給されないとき、第２モードで動作してもよい。

制御回路は、第１、第２モードの切替を指示する制御信号が入力される制御端子を備えてもよい。

電源は電池であって、同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータは、制御回路が第１モードで動作するとき、電池を充電する充電回路として機能してもよい。

本発明の別の態様は、電子機器に関する。この電子機器は、電池と、外部電圧を入力端子に受け、出力端子側に電池が接続された同期整流型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子側に接続された前記負荷と、を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータは、降圧型スイッチングレギュレータとして動作し、外部電圧によって電池を充電する第１モードと、出力端子の電池電圧を昇圧して入力端子から出力する昇圧型スイッチングレギュレータとして動作し、負荷を駆動する第２モードと、が切りかえ可能に構成される。

電子機器は、第１モードにおいて、外部電圧により負荷を駆動してもよい。

ある態様において、負荷は発光ダイオードであってもよい。電子機器は、発光ダイオードの経路上に設けられた電流源をさらに備え、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第２モードにおいて、電流源の両端の電圧（電位差）が一定値となるように、帰還により昇圧動作を行ってもよい。

本発明の別の態様は、ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。このＤＣ／ＤＣコンバータは、第１、第２端子と、第１端子と固定電圧端子の間に直列に設けられた第１トランジスタおよび第２トランジスタと、第１トランジスタと並列に、カソードが第１端子側となる向きで設けられたダイオードと、第１トランジスタおよび第２トランジスタの接続点と第２端子の間に設けられたインダクタと、第１端子と固定電圧端子の間に設けられた第１キャパシタと、第２端子と固定電圧端子の間に設けられた第２キャパシタと、第１、第２トランジスタの状態を制御する制御部と、を含む。制御部は、第１トランジスタおよび第２トランジスタを交互にスイッチング動作させ、第１端子の外部電圧を降圧して第２端子から出力する第１モードと、第１トランジスタをオフし、第２トランジスタをスイッチング動作させて、第２端子に入力された電圧を昇圧して第１端子から出力する第２モードと、が切りかえ可能に構成される。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、回路面積や部品点数を削減できる。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが部材Ｂに接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係る電子機器２の構成を示す回路図である。電子機器２は、たとえば携帯電話端末や、ＰＤＡ、ノート型ＰＣをはじめとする電池駆動型の情報端末機器である。電子機器２は、電池４、負荷６、同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータ（スイッチングレギュレータ）１０を備える。電子機器２は電池４の電圧（電池電圧ともいう）Ｖｂａｔを昇圧し、負荷６に供給する。電池４はリチウムイオンやニッケル水素などの２次電池である。電子機器２には外部電源１が接続され、外部電圧Ｖｅｘｔが供給される。電子機器２は外部電圧Ｖｅｘｔを利用して電池４を充電する。

外部電源１が接続されるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の第１端子Ｐ１には、外部電圧Ｖｅｘｔが印加される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の第２端子Ｐ２には、電池４が接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、少なくとも以下の２つのモードが切りかえ可能に構成される。

１． 第１モード
第１端子Ｐ１を入力端子、第２端子Ｐ２を出力端子とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を降圧型スイッチングレギュレータとして動作させる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、第１端子Ｐ１に印加された外部電圧Ｖｅｘｔを降圧し、電池４に対する充電電流を生成する。

２． 第２モード
第２端子Ｐ２を入力端子、第１端子Ｐ１を出力端子とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を昇圧型スイッチングレギュレータとして動作させる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、第２端子Ｐ２に印加された電池電圧Ｖｂａｔを昇圧し、第１端子Ｐ１側に接続された負荷６に駆動電圧を供給する。

電子機器２は、第１モードにおいて、外部電圧Ｖｅｘｔによって負荷を直接駆動してもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、充電制御回路１２、インダクタＬ１、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２、を備える。

充電制御回路１２は、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２、ダイオードＤ１、制御部１４を含み、ひとつの半導体基板上に一体集積化される。

第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２は、第１端子Ｐ１と固定電圧端子（接地端子）の間に直列に設けられる。図２において、第１トランジスタＭ１はＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ、第２トランジスタＭ２はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである。

ダイオードＤ１は、第１トランジスタＭ１と並列に、カソードが第１端子Ｐ１側となる向きで設けられる。ダイオードＤ１は第１トランジスタＭ１のボディダイオードを利用して構成してもよい。あるいは、第１トランジスタＭ１および第２トランジスタＭ２の接続点Ｐ３と第１端子Ｐ１の間に、外付けのディスクリート素子を設けてもよい。

インダクタＬ１は、第１トランジスタＭ１および第２トランジスタＭ２の接続点Ｐ３と第２端子Ｐ２の間に設けられる。第１キャパシタＣ１は、第１端子Ｐ１と固定電圧端子（接地端子）の間に設けられる。第２キャパシタＣ２は、第２端子Ｐ２と固定電圧端子（接地端子）の間に設けられる。

制御部１４は、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２のゲート電圧ＶＧ１、ＶＧ２を生成し、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２のオン、オフ状態を制御する。制御部１４は、第１モード、第２モードでそれぞれ使用される少なくとも２つの帰還を受ける。充電制御回路１２には制御端子１６が設けられており、図示しないホストプロセッサから、第１モード、第２モードを切りかえるためのモード制御信号ＭＯＤＥを受ける。

制御部１４はモード制御信号ＭＯＤＥに応じて、第１モードと第２モードを切りかえる。

制御部１４は第１モードにおいて、第１トランジスタＭ１および第２トランジスタＭ２を交互にスイッチング動作させ、第１端子Ｐ１の外部電圧Ｖｅｘｔを降圧して第２端子Ｐ２から出力する。第１モードにおいては、第１の帰還経路ＦＢ１が利用される。たとえば第１の帰還経路ＦＢ１を介して、制御部１４には電池電圧Ｖｂａｔ、あるいは第１トランジスタＭ１およびインダクタＬ１に流れる充電電流の値が帰還される。制御部１４は電池電圧Ｖｂａｔが目標値に近づくように（定電圧充電）、あるいは充電電流が目標値に近づくように（定電流充電）、第１トランジスタＭ１と第２トランジスタＭ２のオン、オフの時間比率（デューティ比）を調節する。

つまり第１モードでは、第１トランジスタＭ１がスイッチングトランジスタ、第２トランジスタＭ２が同期整流トランジスタとして、第２キャパシタＣ２が出力キャパシタとして機能し、降圧動作が行われる。帰還にもとづく第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２のゲート電圧ＶＧ１、ＶＧ２の生成方法は、パルス幅変調、パルス周波数変調などの公知技術を利用すればよく、特に限定されない。

制御部１４は第２モードにおいて、第１トランジスタＭ１をオフした状態で、第２トランジスタＭ２をスイッチング動作させて、第２端子Ｐ２に入力された電池電圧Ｖｂａｔを昇圧して、第１端子Ｐ１から出力する。
第２モードにおいては、第２の帰還経路ＦＢ２が利用される。たとえば第２の帰還経路ＦＢ２を介して、制御部１４には負荷６の状態を示す信号、たとえば負荷６に供給される第１端子Ｐ１の電圧、あるいは負荷６に流れる電流、もしくは、負荷６を駆動する回路の状態を示す信号が帰還される。制御部１４は、第２の帰還経路ＦＢ２を介して帰還される電気量が目標値に近づくように、第２トランジスタＭ２のオン、オフの時間比率を調節する。

つまり第２モードでは、第２トランジスタＭ２がスイッチングトランジスタ、ダイオードＤ１が同期整流用ダイオードとして、第１キャパシタＣ１が出力キャパシタとして機能し、昇圧動作が行われる。第２モードにおける第２トランジスタＭ２の駆動は、公知のパルス幅変調、パルス周波数変調を利用して実現できる。

以上がＤＣ／ＤＣコンバータ１０および電子機器２の構成である。

電池電圧Ｖｂａｔが低下し、充電が必要な状態で電子機器２に外部電源１が接続されると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は第１モードに設定される。その結果、電池４が充電される。この状態において、負荷６には外部電源１からの外部電圧Ｖｅｘｔが供給される。そこで外部電圧Ｖｅｘｔを利用して負荷６を駆動してもよい。

電池４が充電された状態で、外部電源１が接続されないとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は第２モードに設定され、電池電圧Ｖｂａｔが昇圧される。昇圧された電圧は、第１端子Ｐ１から負荷６へと供給される。

このように、図２のＤＣ／ＤＣコンバータ１０によれば、単一のスイッチング電源を利用して電池４を充電するとともに、電池電圧Ｖｂａｔを昇圧して負荷６に供給することができる。従来の図１の回路では、充電回路と昇圧回路２２０が個別に必要であるため、回路面積が大きくなり、また部品点数が多くなるが、図２のＤＣ／ＤＣコンバータ１０を利用すれば、回路面積および部品点数を削減できる。

図３は、図２のＤＣ／ＤＣコンバータ１０を利用した発光ダイオード（ＬＥＤ）の駆動装置のブロック図である。負荷６は、第１ＬＥＤ６ａ、第２ＬＥＤ６ｂを含む。ＬＥＤ６ａ、６ｂのアノードは第１端子Ｐ１に共通接続される。図３では、第２モードに関連する回路ブロックのみを示しており、第１モードに関連するブロックは省略されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａの充電制御回路１２ａは、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２に加えて、電流源１８ａ、１８ｂを備える。電流源１８ａは、ＬＥＤ６ａのカソードと接地端子の間に接続され、電流源１８ｂは、ＬＥＤ６ｂのカソードと接地端子の間に接続される。電流源１８ａ、１８ｂはそれぞれ、対応するＬＥＤ６ａ、６ｂの輝度に応じた駆動電流Ｉｄ１、Ｉｄ２を生成する。

制御部１４は、変調器・ドライバ１４ａと誤差増幅器１４ｂを含む。誤差増幅器１４ｂの非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが、２つの反転入力端子には、ＬＥＤ６ａ、６ｂのそれぞれのカソード電圧、つまり電流源１８ａ、１８ｂの両端の電圧Ｖｆｂ２ａ、Ｖｆｂ２ｂが帰還される。帰還電圧Ｖｆｂ２ａ、Ｖｆｂ２ｂは、図２の第２の帰還経路ＦＢ２による帰還量に対応する。

誤差増幅器１４ｂは、帰還電圧Ｖｆｂ２ａ、Ｖｆｂ２ｂのうち低い方の電圧と、基準電圧Ｖｒｅｆの誤差を増幅する。増幅された誤差電圧Ｖｅｒｒは変調器・ドライバ１４ａに入力される。変調器・ドライバ１４ａは、誤差電圧Ｖｅｒｒに応じたデューティ比を有するパルス信号を生成し、生成したパルス信号にもとづいて第２トランジスタＭ２をスイッチングさせる。たとえば変調器は、三角波あるいはのこぎり波の周期電圧を生成するオシレータと、周期電圧を誤差電圧Ｖｅｒｒと比較してスライスし、交点ごとにレベルが遷移するパルス信号を生成するＰＷＭコンパレータと、を含んでもよい。ドライバは、ＰＷＭコンパレータの出力にもとづいて第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２のゲートを駆動する。

図３のＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａによれば、電流源１８ａ、１８ｂのうち低い方の電圧が、基準電圧Ｖｒｅｆと一致するように帰還がかかる。基準電圧Ｖｒｅｆは、電流源１８ａ、１８ｂが正常に動作する値に設定される。つまりＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａによれば、ＬＥＤ６ａ、６ｂに駆動電流Ｉｄ１、Ｉｄ２が安定して流れるように、それぞれのアノード電圧（Ｖｏｕｔ）が調節される。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を、負荷６を駆動するための昇圧回路と、電池４を充電するための充電回路として動作させる場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。
たとえば電池４に代えて、その他の電源が設けられてもよい。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、第１モードにおいて外部電圧Ｖｅｘｔを降圧して電源に供給する降圧回路として動作し、第２モードにおいて、電源から出力される電圧を昇圧して、負荷６に供給する昇圧回路として動作する。

つまり、実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、第１端子Ｐ１に電源と負荷が接続され、第２端子Ｐ２にも電源と負荷が接続されるアプリケーションに広く適用可能である。第１端子Ｐ１に電圧が供給されるとき、第２端子Ｐ２側が出力（負荷）となり、第２端子Ｐ２に電圧が供給されるとき、第１端子Ｐ１側が出力（負荷）となる。

図３では、負荷６が２つのＬＥＤを含む場合を説明したが、ＬＥＤの個数は任意である。さらに、負荷６はＬＥＤに限定されず、任意の回路を負荷として接続可能である。たとえば負荷６は、液晶ドライバや有機ＥＬドライバであってもよい。この場合、第２モードにおいて制御部１４には、第１端子Ｐ１の電圧を帰還してもよい。

実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を離脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

２次電池を搭載する一般的な電子機器の構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る電子機器の構成を示す回路図である。 図２のＤＣ／ＤＣコンバータを利用した発光ダイオード（ＬＥＤ）の駆動装置のブロック図である。

符号の説明

１…外部電源、２…電子機器、４…電池、６…負荷、１０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２…充電制御回路、Ｌ１…インダクタ、Ｃ１…第１キャパシタ、Ｃ２…第２キャパシタ、Ｐ１…第１端子、Ｐ２…第２端子、Ｍ１…第１トランジスタ、Ｍ２…第２トランジスタ、Ｄ１…ダイオード、１４…制御部。

Claims (8)

1. 第１端子に第１電圧が供給され、第２端子に電源が接続される同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御回路であって、
   前記同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   前記第１端子と固定電圧端子の間に直列に設けられた第１トランジスタおよび第２トランジスタと、
   前記第１トランジスタおよび前記第２トランジスタの接続点と前記第２端子の間に設けられたインダクタと、
   前記第２端子と固定電圧端子の間に設けられたキャパシタと、
   を含み、
   前記制御回路は、
   前記第１トランジスタおよび前記第２トランジスタを交互にスイッチング動作させ、前記第１端子の前記第１電圧を降圧して前記第２端子に接続される前記電源に供給する第１モードと、
   前記第２端子に前記電源からの電圧を受け、前記第１トランジスタをオフし、前記第２トランジスタをスイッチング動作させて、前記電源からの電圧を昇圧して前記第１端子から出力する第２モードと、
   が切りかえ可能に構成されることを特徴とする制御回路。
2. 前記制御回路は、
   前記第１電圧が供給されるとき、前記第１モードで動作し、
   前記第１電圧が供給されないとき、前記第２モードで動作することを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 前記制御回路は、前記第１、第２モードの切替を指示する制御信号が入力される制御端子を備えることを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
4. 前記電源は電池であって、
   前記同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記制御回路が前記第１モードで動作するとき、前記電池を充電する充電回路として機能することを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
5. 電池と、
   外部電圧を入力端子に受け、出力端子側に前記電池が接続された同期整流型の降圧ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記降圧ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子側に接続された負荷と、
   を備え、
   前記降圧ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   降圧型スイッチングレギュレータとして動作し、前記外部電圧によって前記電池を充電する第１モードと、
   前記出力端子の電池電圧を昇圧して前記入力端子から出力する昇圧型スイッチングレギュレータとして動作し、前記負荷を駆動する第２モードと、
   が切りかえ可能に構成されることを特徴とする電子機器。
6. 前記第１モードにおいて、前記外部電圧により前記負荷を駆動することを特徴とする請求項５に記載の電子機器。
7. 前記負荷は発光ダイオードであって、
   前記発光ダイオードの経路上に設けられた電流源をさらに備え、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記第２モードにおいて、前記電流源の両端の電圧が一定値となるように、帰還により昇圧動作を行うことを特徴とする請求項５に記載の電子機器。
8. 第１、第２端子と、
   前記第１端子と固定電圧端子の間に直列に設けられた第１トランジスタおよび第２トランジスタと、
   前記第１トランジスタと並列に、カソードが前記第１端子側となる向きで設けられたダイオードと、
   前記第１トランジスタおよび前記第２トランジスタの接続点と前記第２端子の間に設けられたインダクタと、
   前記第１端子と固定電圧端子の間に設けられた第１キャパシタと、
   前記第２端子と固定電圧端子の間に設けられた第２キャパシタと、
   前記第１、第２トランジスタの状態を制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記第１トランジスタおよび前記第２トランジスタを交互にスイッチング動作させ、前記第１端子の外部電圧を降圧して前記第２端子から出力する第１モードと、
   前記第１トランジスタをオフし、前記第２トランジスタをスイッチング動作させて、前記第２端子に入力された電圧を昇圧して前記第１端子から出力する第２モードと、
   が切りかえ可能に構成されることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。

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