JP2010284046A - 昇降圧ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 入力電圧の変動に対して確実に出力電圧を一定に保持するように制御すること。
【解決手段】 昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、降圧スイッチＳＷ１を有し入力電圧より低い出力電圧を出力する降圧部２と、昇圧スイッチＳＷ２を有し入力電圧より高い出力電圧を出力する昇圧部３と、入力電圧より低い出力電圧を出力する降圧モードと入力電圧より高い出力電圧を出力する昇圧モードとを切り替える降圧／昇圧モード切替部３０と、降圧モード時に昇圧スイッチＳＷ２をオフに維持し降圧スイッチＳＷ１をオンオフ制御するとともに昇圧モード時に降圧スイッチＳＷ１をオンに維持し昇圧スイッチＳＷ２をオンオフ制御する制御部４とを備える。制御部４は、降圧モード時における降圧スイッチＳＷ１のスイッチングにおけるオン時間の最大値を予め設定し、昇圧モード時における昇圧スイッチＳＷ２のスイッチングにおけるオン時間の最小値を予め設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入力された直流電圧を昇圧または降圧し、入力された直流電圧を所定の出力電圧に変換する昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。

従来、電子機器等のＤＣ−ＤＣコンバータとして、入力電圧が変動しても出力電圧を一定の範囲に保持することができるチョッパ方式のＤＣ−ＤＣコンバータが用いられている。

この種のＤＣ−ＤＣコンバータとしては、例えば、降圧用チョッパトランジスタと昇圧用チョッパトランジスタとを共通のチョークコイルを介して接続し、入力電圧が出力電圧よりも高いときには、昇圧用チョッパトランジスタをオフとし、降圧用チョッパトランジスタをオンオフ制御して入力電圧を降圧し、入力電圧が出力電圧よりも低いときには、降圧用チョッパトランジスタをオンとし、昇圧用チョッパトランジスタをオンオフ制御して入力電圧を昇圧するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。

このＤＣ−ＤＣコンバータによれば、降圧型チョッパ方式のＤＣ−ＤＣコンバータと昇圧型チョッパ方式のＤＣ−ＤＣコンバータとが同一の回路で構成されている。

特開昭６２−１８９７０号公報

上記した従来技術では、入力電圧に応じて降圧用チョッパトランジスタと昇圧用チョッパトランジスタを選択的に動作させるようにしているが、降圧と昇圧の切替時に降圧用チョッパトランジスタと昇圧用チョッパトランジスタの動作が円滑に切り替わらないので出力電圧を一定に保持できない。

すなわち、降圧用チョッパトランジスタや昇圧用チョッパトランジスタに用いるトランジスタには、ターンオン時やターンオフ時にディレイタイムがあるので、降圧と昇圧の切替時に、単に、入力電圧に応じて降圧用チョッパトランジスタと昇圧用チョッパトランジスタを選択的に動作させても、降圧用チョッパトランジスタがオンを維持し、昇圧用チョッパトランジスタがオフを維持することがある。このため降圧と昇圧の切替時における入力電圧の変動に対する出力電圧を一定に保持して出力することができない。

そこで、本発明は、入力電圧の変動に対して確実に出力電圧を一定に保持するように制御することを課題とする。

本発明の一態様による昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源から直流電圧を入力する降圧スイッチと前記降圧スイッチに接続されたチョークコイルとを有し入力電圧より低い出力電圧を出力する降圧部と、前記チョークコイルを介して前記降圧スイッチに接続された昇圧スイッチを有し入力電圧より高い出力電圧を出力する昇圧部と、前記入力電圧より低い前記出力電圧を出力する降圧モードと前記入力電圧より高い前記出力電圧を出力する昇圧モードとを切り替えるモード切替部と、前記降圧モード時に前記昇圧スイッチをオフに維持し前記降圧スイッチをオンオフ制御するとともに前記昇圧モード時に前記降圧スイッチをオンに維持し前記昇圧スイッチをオンオフ制御するスイッチ駆動部を有する制御部とを備え、前記制御部が、前記降圧モード時における前記降圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間の最小値とオン時間の最大値を予め設定し、前記昇圧モード時における前記昇圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間の最大値とオン時間の最小値を予め設定するようにしたものである。

従って、降圧モード時におけるオフ時間の最小値及びオン時間の最大値と、昇圧モード時におけるオフ時間の最大値及びオン時間の最小値を用いてモード切替え制御が行われる。

本発明昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源から直流電圧を入力する降圧スイッチと前記降圧スイッチに接続されたチョークコイルとを有し入力電圧より低い出力電圧を出力する降圧部と、前記チョークコイルを介して前記降圧スイッチに接続された昇圧スイッチを有し入力電圧より高い出力電圧を出力する昇圧部と、前記入力電圧より低い前記出力電圧を出力する降圧モードと前記入力電圧より高い前記出力電圧を出力する昇圧モードとを切り替えるモード切替部と、前記降圧モード時に前記昇圧スイッチをオフに維持し前記降圧スイッチをオンオフ制御するとともに前記昇圧モード時に前記降圧スイッチをオンに維持し前記昇圧スイッチをオンオフ制御するスイッチ駆動部を有する制御部とを備え、前記制御部が、前記降圧モード時における前記降圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間の最小値とオン時間の最大値を予め設定し、前記昇圧モード時における前記昇圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間の最大値とオン時間の最小値を予め設定することを特徴とする。

従って、降圧モード時に前記降圧スイッチのスイッチングにおけるオン時間の最大値を予め設定し、前記昇圧モード時における前記昇圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間の最大値を予め設定することにより、入力電圧と出力電圧の値が近い場合に降圧モードと昇圧モードを切り替えることによって、出力電圧を平均化して出力することができる。

請求項２に記載した発明にあっては、前記制御部は、前記降圧モード時において前記降圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間が最小値で、かつ、オン時間が最大値を示す状態が所定時間継続した場合に前記昇圧モードに切り替え、前記昇圧モード時において前記昇圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間が最大値で、かつ、オン時間が最小値を示す状態が所定時間継続した場合に前記降圧モードに切り替えることを特徴とする。

上記した構成により、入力電圧と出力電圧が近い場合に降圧モードと昇圧モードが頻繁に切り替わるので、降圧モードと昇圧モードの切替時においても、出力電圧を平均化して出力することができる。従って、入力電圧の変動に対して確実に出力電圧を一定に保持するように制御することができる。

請求項３に記載した発明にあっては、駆動電流の供給対象が車両用灯具の半導体光源であるので、車両用灯具の半導体光源へ供給する駆動電流を一定に保持することができ、半導体光源のちらつきを防止することができる。

以下に、本発明昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの第１の実施の形態について図１〜図４を参照して説明する。

昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、図１に示すように、入力電圧より低い出力電圧を出力する降圧部２と、入力電圧より高い出力電圧を出力する昇圧部３と、降圧部２と昇圧部３を制御する制御部４とを備え、半導体光源としてのＬＥＤ（Light Emitting Diode）４０、４０へ駆動電流を供給するための電流供給手段として機能している。

降圧部２は、降圧スイッチＳＷ１と、コンデンサＣ１と、ダイオードＤ１と、チョークコイル（インダクタ）Ｌを備えている。降圧スイッチＳＷ１は、スッチング素子、例えば、ＮＭＯＳトランジスタ（図示せず）で構成されている。この場合には、ＮＭＯＳトランジスタのドレインが入力端子７に接続され、ソースがダイオードＤ１を介して接地されているとともに、チョークコイルＬの一端に接続され、ゲートが制御部４に接続される。コンデンサＣ１は、一端が入力端子７に接続され、他端が接地されるとともに入力端子８に接続されている。入力端子７は、電源スイッチＳＷ３を介して直流電源である車載バッテリのプラス端子に接続され、入力端子８は、車載バッテリのマイナス端子に接続されている。降圧スイッチＳＷ１は制御部４からの降圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）を受けてオンオフする。

昇圧部３は、降圧部２と共通のチョークコイルＬを備えているとともに昇圧スイッチＳＷ２と、コンデンサＣ２と、ダイオードＤ２を備えている。昇圧スイッチＳＷ２は、スッチング素子、例えば、ＮＭＯＳトランジスタ（図示せず）で構成されている。この場合には、ＮＭＯＳトランジスタのドレインがチョークコイルＬの他端に接続されているとともに、ダイオードＤ２を介して出力端子２７に接続され、ソースが接地され、ゲートが制御部４に接続される。

コンデンサＣ２は、一端がダイオードＤ２と出力端子２７に接続され、他端が接地されるとともに出力端子２８に接続されている。出力端子２７、２８には、ＬＥＤ４０、４０が接続されている。昇圧スイッチＳＷ２は制御部４からの昇圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）を受けてオンオフする。

制御部４は、エラーコンパレータ（誤差増幅器）５と、インバータ６と、スイッチ駆動部として機能する降圧スイッチ駆動回路１０及び昇圧スイッチ駆動回路１１と、降圧／昇圧モード切替部３０と、モード切替用タイマー３１とを備えている。

エラーコンパレータ５の非反転入力端子（プラス入力端子）には基準電圧Ｖｒが入力されている。エラーコンパレータ５の反転入力端子（マイナス入力端子）には抵抗Ｒ１とＲ２の節点Ｎ１における電圧、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧して得られた電圧が入力される。

降圧スイッチ駆動回路１０は、ＡＮＤゲート１２と、ＯＲゲート１３、１７と、第１のタイマー１４と、第２のタイマー１５と、フリップフロップ１６を備えて構成されている。

インバータ６の入力端子はエラーコンパレータ５の出力端子に接続され、出力端子はＯＲゲート１３の入力端子及びＡＮＤゲート１８の入力端子に接続されている。

ＡＮＤゲート１２の入力端子はエラーコンパレータ５の出力端子及び第２のタイマー１５の出力端子（Ｑバー端子）に接続され、出力端子はフリップフロップ１６のセット端子（Ｓ）に接続されている。

ＯＲゲート１３の入力端子はインバータ６の出力端子及び第１のタイマー１４の出力端子（Ｑバー端子）及びインダクタ過電流検出信号（過電流を検出するとハイレベルの電圧になる信号）に接続され、出力端子はフリップフロップ１６のリセット端子（Ｒ）に接続されている。

フリップフロップ１６のＱ端子はＯＲゲート１７の入力端子と第１のタイマー１４の入力端子に接続され、Ｑバー端子は第２のタイマー１５の入力端子に接続されている。

昇圧スイッチ駆動回路１１は、ＡＮＤゲート１８、２４と、ＯＲゲート１９、２０と、第３のタイマー２１と、第４のタイマー２２と、フリップフロップ２３を備えて構成されている。

ＡＮＤゲート１８の入力端子はインバータ６の出力端子及び第４のタイマー２２の出力端子（Ｑバー端子）に接続され、出力端子はＯＲゲート２０の入力端子に接続されている。

ＯＲゲート１９の入力端子はエラーコンパレータ５の出力端子及び第３のタイマー２１の出力端子（Ｑバー端子）に接続され、出力端子はフリップフロップ２３のセット端子（Ｓ）に接続されている。

ＯＲゲート２０の入力端子は、ＡＮＤゲート１８の出力端子及びインダクタ過電流検出信号（過電流を検出するとハイレベルの電圧になる信号）に接続され、出力端子はフリップフロップ２３のリセット端子（Ｒ）に接続されている。

フリップフロップ２３のＱ端子はＡＮＤゲート２４の入力端子と第４のタイマー２２の入力端子に接続され、Ｑバー端子は第３のタイマー（２１）の入力端子に接続されている。

ＯＲゲート１７の入力端子はフリップフロップ１６のＱ端子及び降圧／昇圧モード切替部３０に接続され、出力端子は降圧スイッチＳＷ１に接続されている。

ＡＮＤゲート２４の入力端子はフリップフロップ２３のＱ端子及び降圧／昇圧モード切替部３０に接続され、出力端子は昇圧スイッチＳＷ２に接続されている。

降圧／昇圧モード切替部３０は、ＯＲゲート１７及びＡＮＤゲート２４にそれぞれ降圧モード制御信号及び昇圧モード制御信号を送出する。

モード切替用タイマー３１は、第１のタイマー１４及び第２のタイマー１５、又は、第３のタイマー２１及び第４のタイマー２２の起動後所定時間が経過した後に降圧／昇圧モード切替部３０を起動させるモード切替制御信号を送出する。

以下に、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１の動作について、降圧モードにおける制御（以下、「降圧モード制御」と呼ぶ。）、降圧／昇圧モード切替時における制御（以下、「モード切替制御」と呼ぶ。）及び昇圧モードにおける制御（以下、「昇圧モード制御」と呼ぶ。）に分けて説明する。

最初に、降圧モード制御について説明する。

前記電源スイッチ（ＳＷ３）がオンすると抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分圧された電圧（以下、フィードバック電圧と呼ぶ。）が節点（ノード）Ｎ１に発生する。

エラーコンパレータ５は、前記フィードバック電圧と予め設定された基準電圧Ｖｒ（目標とする出力電圧）との大小関係を判定し、検出電圧ＶｅとしてＡＮＤゲート１２、インバータ６及びＯＲゲート１９に出力する。

前記フィードバック電圧が基準電圧Ｖｒ未満である場合（出力電圧Ｖｏｕｔが目標とする出力電圧より小さい場合）には、検出電圧Ｖｅはハイレベルとなり、フリップフロップ１６のセット端子（Ｓ）がオンしてＱ端子からハイレベル信号がＯＲゲート１７に出力される。ＯＲゲート１７は降圧スイッチＳＷ１に降圧スイッチ駆動信号（オン信号）を送出する。

前記フィードバック電圧が基準電圧Ｖｒ以上である場合（出力電圧Ｖｏｕｔが目標とする出力電圧以上である場合）には、検出電圧Ｖｅはローレベルとなり、フリップフロップ１６のリセット端子（Ｒ）がオンしてＱ端子からローレベル信号がＯＲゲート１７に出力される。ＯＲゲート１７は降圧スイッチＳＷ１に降圧スイッチ駆動信号（オフ信号）を送出する。このようにして降圧スイッチＳＷ１はオンオフ（スイッチング）する。以上の動作は後述する昇圧モードに切り替わるまで継続する。尚、降圧スイッチＳＷ１がスイッチングしている間は昇圧スイッチＳＷ２がオフの状態を維持している。

次に、降圧モードから昇圧モードへのモード切替制御について説明する。

前記降圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）は、降圧モード時には図２の区間Ａに示すような波形となる。図３は区間Ａにおける降圧スイッチ駆動信号の拡大図である。図３の所定時間ｔ１は、降圧モード時における降圧スイッチ駆動信号のオンデューティ（ＯＮ Ｄｕｔｙ）が最大値（９０％以上）となる状態が継続する時間である。所定時間ｔ１はモード切替用タイマー３１によって設定される。

第１のタイマー１４はフリップフロップ１６のＱ端子からハイレベル信号（トリガ）を受けると起動し、所定時間ｔ１を経過するまで第１のタイマー１４のＱバー端子からローレベル信号が送出され、所定時間ｔ１が経過した後にハイレベル信号を送出する。すなわち、降圧スイッチ駆動信号がオンオフを開始してから所定時間ｔ１経過後にフリップフロップ１６のリセット端子にハイレベル信号が送出されてリセットされＱ端子からローレベル信号が送出される。

一方、モード切替用タイマー３１は、降圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間が最小値で、かつ、オン時間が最大値の状態（すなわちオンデューティ９０％以上）になった時に起動し前記所定時間ｔ１経過後に降圧／昇圧モード切替部３０を起動させるモード切替制御信号を送出する。降圧／昇圧モード切替部３０はモード切替制御信号を受けてＯＲゲート１７及びＡＮＤゲート２４にハイレベル信号を送出して降圧モードから昇圧モードに切り替える。

次に、昇圧モード制御について説明する。

前記フィードバック電圧が基準電圧Ｖｒ未満である場合には、検出電圧Ｖｅはハイレベルとなり、フリップフロップ２３のセット端子（Ｓ）がオンしてＱ端子からハイレベル信号がＡＮＤゲート２４に出力される。ＡＮＤゲート２４は昇圧スイッチＳＷ２に昇圧スイッチ駆動信号（オン信号）を送出する。

前記フィードバック電圧が基準電圧Ｖｒ以上である場合には、検出電圧Ｖｅはローレベルとなり、フリップフロップ２３のリセット端子（Ｒ）がオンしてＱ端子からローレベル信号がＡＮＤゲート２４に出力される。ＡＮＤゲート２４は昇圧スイッチＳＷ２に昇圧スイッチ駆動信号（オフ信号）を送出する。このようにして昇圧スイッチＳＷ２はオンオフ（スイッチング）する。以上の動作は上記した降圧モードに切り替わるまで継続する。尚、昇圧スイッチＳＷ２がスイッチングしている間は降圧スイッチＳＷ１がオンの状態を維持している。

次に、昇圧モードから降圧モードへのモード切替制御について説明する。

前記昇圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）は、昇圧モード時には図２の区間Ｂに示すような波形となる。図４は区間Ｂにおける昇圧スイッチ駆動信号の拡大図である。図４の所定時間ｔ２は、昇圧モード時における昇圧スイッチ駆動信号のオンデューティが最小値（１０％以下）となる状態が継続する時間である。所定時間ｔ２はモード切替用タイマー３１によって設定される。

第４のタイマー２２はフリップフロップ２３のＱ端子からハイレベル信号（トリガ）を受けると起動し、所定時間ｔ２を経過するまでＱバー端子からローレベル信号が送出され、所定時間ｔ２が経過した後にハイレベル信号を送出する。すなわち、昇圧スイッチ駆動信号がオンオフを開始してから所定時間ｔ２経過後にフリップフロップ２３のリセット端子（Ｒ）にハイレベル信号が送出されてリセットされＱ端子からローレベル信号が送出される。

一方、モード切替用タイマー３１は、昇圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間が最大値で、かつ、オン時間が最小値の状態（すなわちオンデューティ１０％以下）になった時に起動し前記所定時間ｔ２経過後に降圧／昇圧モード切替部３０を起動させるモード切替制御信号を送出する。降圧／昇圧モード切替部３０はモード切替制御信号を受けてＯＲゲート１７及びＡＮＤゲート２４にローレベル信号を送出して昇圧モードから降圧モードに切り替える。

従って、本第１の実施の形態によれば、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔが近い場合に降圧モードと昇圧モードを頻繁に切り替えることによって、入出力電圧の条件、例えば、入出力電圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）が０．９〜１．１となる範囲（上記した従来技術における降圧と昇圧の切替時）おいても、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１から出力電圧Ｖｏｕｔを平均化して出力することができる。

従って、降圧と昇圧の切替時において入力電圧Ｖｉｎの変動に対して確実に出力電圧Ｖｏｕｔを一定に保持するように制御することができる。

以下に、本発明昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの第２の実施の形態について図６及び図７を参照して説明する。

昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ５０は、図６に示すように、入力電圧より低い出力電圧を出力する降圧部２と、入力電圧より高い出力電圧を出力する昇圧部３と、降圧部２と昇圧部３を制御する制御部５４とを備えている。降圧スイッチＳＷ１は制御部５４からの降圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）を受けてオンオフする。昇圧スイッチＳＷ２は制御部５４からの昇圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）を受けてオンオフする。

降圧部２と昇圧部３は、それぞれ上記した第１の実施の形態における降圧部２と昇圧部３と同様の構成であるので、以下では制御部５４についてのみ説明し降圧部２と昇圧部３についての説明は省略する。

制御部５４は、エラーコンパレータ（誤差増幅器）５５と、インバータ５６と、ＡＮＤゲート５７、６２と、ＯＲゲート５８、６１と、フリップフロップ５９と、タイマー６０と、降圧／昇圧モード切替部７０と、モード切替用タイマー７１とを備えている。

エラーコンパレータ５５の非反転入力端子（プラス入力端子）には基準電圧Ｖｒが入力されている。エラーコンパレータ５５の反転入力端子（マイナス入力端子）には抵抗Ｒ１とＲ２の節点Ｎ１における電圧、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧して得られた電圧が入力される。

ＡＮＤゲート５７の入力端子はエラーコンパレータ５５の出力端子及びタイマー６０の出力端子（Ｑバー端子）に接続され、出力端子はフリップフロップ５９のセット端子（Ｓ）に接続されている。

ＯＲゲート５８の入力端子は、インバータ５６を介してエラーコンパレータ５５の出力端子に接続されるとともにインダクタ過電流検出信号（過電流を検出するとハイレベルの電圧になる信号）に接続され、出力端子はフリップフロップ５９のリセット端子（Ｒ）に接続されている。

フリップフロップ５９のＱ端子はＯＲゲート６１の入力端子とＡＮＤゲート６２の入力端子とモード切替用タイマー７１の入力端子に接続され、Ｑバー端子はタイマー６０の入力端子に接続されている。

ＯＲゲート６１の入力端子はフリップフロップ５９のＱ端子及び降圧／昇圧モード切替部７０に接続され、出力端子は降圧スイッチＳＷ１に接続されている。

ＡＮＤゲート６２の入力端子はフリップフロップ５９のＱ端子及び降圧／昇圧モード切替部７０に接続され、出力端子は昇圧スイッチＳＷ２に接続されている。

降圧／昇圧モード切替部７０は、ＯＲゲート６１及びＡＮＤゲート６２にそれぞれ降圧モード制御信号及び昇圧モード制御信号を送出する。

モード切替用タイマー７１は、降圧スイッチＳＷ１のオン状態が所定時間経過した後に昇圧モードに切り替えるように降圧／昇圧モード切替部７０を起動させ、昇圧スイッチＳＷ２のオフ状態が所定時間経過した後に降圧モードに切り替えるように降圧／昇圧モード切替部７０を起動させるモード切替制御信号を送出する。

以下に、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ５０の動作について、降圧モード制御と昇圧モード制御に分けて説明する。

最初に、降圧モード制御について説明する。

前記電源スイッチ（ＳＷ３）がオンすると抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分圧されたフィードバック電圧が節点Ｎ１に発生する。

エラーコンパレータ５５は、前記フィードバック電圧と予め設定された基準電圧Ｖｒ（目標とする出力電圧）との大小関係を判定し、検出電圧ＶｅとしてＡＮＤゲート５７とインバータ５６に出力する。

前記フィードバック電圧が基準電圧Ｖｒ未満である場合には、検出電圧Ｖｅはハイレベルとなり、フリップフロップ５９のセット端子（Ｓ）がオンしてＱ端子からハイレベル信号がＯＲゲート６１に出力される。ＯＲゲート６１は降圧スイッチＳＷ１に降圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）を送出し（図７（ｂ）の区間Ａ）、降圧スイッチがオンオフ（スイッチング）する。

前記フィードバック電圧が基準電圧Ｖｒ以上である場合には、検出電圧Ｖｅはローレベルとなり、フリップフロップ５９のリセット端子（Ｒ）がオンしてＱ端子からローレベル信号がＯＲゲート６１に出力される。ＯＲゲート６１は降圧スイッチＳＷ１に降圧スイッチ駆動信号（オフ信号）を送出し（図７（ｂ）の区間Ｂ）、降圧スイッチＳＷ１のスイッチングが停止する。

タイマー６０はフリップフロップ５９のＱバー端子からハイレベル信号（トリガ）を受けると起動し、所定時間が経過するまでタイマー６０のＱバー端子からローレベル信号が送出され、所定時間が経過した後にハイレベル信号が送出される。フリップフロップ５９の出力端子（Ｑバー端子）からハイレベル信号が送出されてから所定時間が経過してタイマー６０のＱバー端子からハイレベル信号が出力されるまでフリップフロップ５９のセット端子（Ｓ）にハイレベル信号が送出されず降圧スイッチＳＷ１はオフしたままの状態となる。すなわち、上記した所定時間は図７に示したオフ時間（期間Ｃ）を設定している。

一方、モード切替用タイマー７１は、フリップフロップ５９のＱ端子の出力がハイレベル信号であるか否かを監視し、フリップフロップ５９のＱ端子の出力がハイレベル信号であるときに起動し所定時間（Ｔ_oｎ）経過後に降圧／昇圧モード切替部７０を起動させるモード切替制御信号を送出する。降圧／昇圧モード切替部７０はモード切替制御信号を受けてＯＲゲート６１及びＡＮＤゲート６２にハイレベル信号を送出して降圧モードから昇圧モードに切り替える。すなわち、降圧スイッチＳＷ１のオンが所定時間（Ｔ_oｎ）継続した場合に降圧モードから昇圧モードに切り替わる。なお、所定時間（Ｔ_oｎ）はモード切替用タイマー７１によって設定される。

降圧スイッチＳＷ１がスイッチングしている間は、昇圧スイッチＳＷ２がオフの状態を維持している。

次に、昇圧モード制御について説明する。

昇圧モード制御は降圧スイッチＳＷ１がオン状態を維持しているときに昇圧スイッチＳＷ２をスイッチングさせる制御である。降圧スイッチＳＷ１と昇圧スイッチＳＷ２のスイッチング動作の原理は実質的に同じであるので昇圧スイッチＳＷ２のスイッチングについては簡単に説明する。

前記フィードバック電圧が基準電圧Ｖｒ未満である場合にＡＮＤゲート６２は昇圧スイッチＳＷ２に昇圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）を送出する。前記フィードバック電圧が基準電圧Ｖｒ以上である場合にＡＮＤゲート６２は昇圧スイッチＳＷ２に昇圧スイッチ駆動信号（オフ信号）を送出する。このようにして昇圧スイッチＳＷ２はオンオフ（スイッチング）する。以上の動作は上記した降圧モードに切り替わるまで継続する。

モード切替用タイマー７１は、フリップフロップ５９のＱ端子の出力がローレベル信号であるか否かを監視し、フリップフロップ５９のＱ端子の出力がローレベル信号であるときに起動し所定時間（Ｔ_off）経過後に降圧／昇圧モード切替部７０を起動させるモード切替制御信号を送出する。

降圧／昇圧モード切替部７０はモード切替制御信号を受けてＯＲゲート６１及びＡＮＤゲート６２にローレベル信号を送出して昇圧モードから降圧モードに切り替える。すなわち、昇圧スイッチＳＷ２のオフが所定時間（Ｔ_off）継続した場合に昇圧モードから降圧モードに切り替わる。なお、所定時間（Ｔ_off）はモード切替用タイマー７１によって設定される。

昇圧スイッチＳＷ２がスイッチングしている間は、降圧スイッチＳＷ１がオンの状態を維持している。

ところで、エラーコンパレータ５５の出力がハイレベルである期間は降圧スイッチＳＷ１のスイッチングが可能となるが、インダクタ電流が増加して、インダクタ電流制限(パルスバイパルス（ＰＢＰ）)のリミットの値に達すると、降圧スイッチＳＷ１をオフする。タイマー６０で設定した所定時間の間に降圧スイッチＳＷ１がオフし、その後に再び降圧スイッチＳＷ１がオンする。この時のスイッチング周波数は、タイマー６０で設定されたオフ時間と、インダクタ電流制限のリミットの値と、インダクタ電流の傾きで決まり、ほぼ一定の周波数となる。

本第２の実施の形態によれば、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔが近い場合に降圧モードと昇圧モードを頻繁に切り替えることによって、入出力電圧の条件、例えば、入出力電圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）が０．９〜１．１となる範囲おいても、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ５０から出力電圧Ｖｏｕｔを平均化して出力することができる。

従って、降圧と昇圧の切替時において入力電圧Ｖｉｎの変動に対して確実に出力電圧Ｖｏｕｔを一定に保持するように制御することができる。

また、エラーコンパレータ５５にヒステリシス（図７参照）を持たせることにより、所定の時間、エラーコンパレータ５５の出力がハイである状態が続き、スイッチングが継続されるので、スイッチングが連続的に行われ、インダクタ電流のピーク値を低減して電気効率の改善を図ることができる。

なお、インダクタの定格電流値以下におけるインダクタ電流制限のリミット値については、エラーコンパレータ５５の出力がハイである時間が、予め設定された所定時間より長ければリミット値を増加し、短ければリミット値を減少するように制御することが望ましい。

エラーコンパレータ５５の出力がハイレベルである時間が予め設定された所定時間より長い場合、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔが目標値である基準電圧Ｖｒに達するまでの時間が長い場合には、前記リミット値を増加することにより、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒに達する時間を短縮することができる。

一方、逆に、エラーコンパレータ５５の出力がハイレベルである時間が予め設定された所定時間より短い場合、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔが目標値である基準電圧Ｖｒに達するまでの時間が非常に短い場合には、前記リミット値を減少させることにより、出力電圧Ｖｏｕｔがゆっくり基準電圧Ｖｒに達するようにして基準電圧Ｖｒをオーバー（大きく上回る）することがないようにできる。

従って、上記したリミット値を増減する制御を行うことにより、インダクタ電流を抑制し、出力リプルの低減と電気効率の向上を図ることができる。

以下に、本発明昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの第３の実施の形態について図８及び図９を参照して説明する。

昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ８０は、図８に示すように、入力電圧より低い出力電圧を出力する降圧部２と、入力電圧より高い出力電圧を出力する昇圧部３と、降圧部２と昇圧部３を制御する制御部８４とを備えている。降圧スイッチＳＷ１は制御部８４からの降圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）を受けてオンオフする。昇圧スイッチＳＷ２は制御部８４からの昇圧スイッチ駆動信号（オンオフ信号）を受けてオンオフする。

降圧部２と昇圧部３は、それぞれ上記した第１の実施の形態における降圧部２と昇圧部３と同様の構成であるので、以下では制御部８４についてのみ説明し降圧部２と昇圧部３についての説明は省略する。

制御部８４は、エラーアンプ（誤差増幅器）８５と、コンパレータ８７と、インバータ８８と、ＡＮＤゲート８９、９０と、フリップフロップ９１、９２と、降圧／昇圧モード切替部９３とを備えている。

エラーアンプ８５の非反転入力端子（プラス入力端子）には基準電圧Ｖｒが入力されている。エラーアンプ８５の反転入力端子（マイナス入力端子）には抵抗Ｒ１とＲ２の節点Ｎ１における電圧、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧して得られた電圧が入力される。尚、エラーアンプ８５には位相補償用のコンデンサＣ３と抵抗Ｒ３が接続されている。

エラーアンプ８５の出力端子は、エラーアンプ８５の出力値からスロープ補償値を減算する減算器８６を介してコンパレータ８７の反転入力端子に接続されている。コンパレータ８７の非反転入力端子にはインダクタ電流検出器（図示せず）で検出されたインダクタ電流が入力され、出力端子はＡＮＤゲート８９の一方の入力端子と、降圧／昇圧モード切替部９３と、フリップフロップ９２のリセット端子（Ｒ）に接続されている。

ＡＮＤゲート８９の他方の入力端子はインバータ８８を介して降圧／昇圧モード切替部９３に接続され、出力端子はフリップフロップ９１のリセット端子（Ｒ）に接続されている。ＡＮＤゲート９０の一方の入力端子はフリップフロップ９１のセット端子（Ｓ）とともに基本クロック信号に接続され、他方の入力端子は降圧／昇圧モード切替部９３に接続され、出力端子はフリップフロップ９２のセット端子（Ｓ）に接続されている。

フリップフロップ９１、９２のＱ端子は降圧／昇圧モード切替部９３に接続されている。降圧／昇圧モード切替部９３は、インバータ８８及びＡＮＤゲート９０にそれぞれ降圧モード制御信号及び昇圧モード制御信号を送出する。

以下に、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ８０の動作について降圧モード制御及び昇圧モード制御に分けて説明する。

最初に、降圧モード制御について説明する。

前記電源スイッチ（ＳＷ３）がオンすると抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分圧されたフィードバック電圧が節点Ｎ１に発生する。

エラーアンプ８５は、前記フィードバック電圧と予め設定された基準電圧Ｖｒ（目標とする出力電圧）との差電圧を増幅し、増幅された電圧を出力電圧Ｖｏｕｔに対応した検出電圧Ｖｅとして出力する。検出電圧Ｖｅからスロープ補償値を減算した補償出力信号（以下、「エラーアンプ出力」と呼ぶ。）がコンパレータ８７の反転入力端子に入力される。

前記電源スイッチ（ＳＷ３）がオンすると、フリップフロップ９１のセット端子（Ｓ）とＡＮＤゲート９０の一方の入力端子に所定の周期を有する基本クロックが入力される。図９（ａ）に示すように、基本クロックのトリガによってインダクタ電流が流れ始め、インダクタ電流の電流値がエラーアンプ出力値未満の場合にはフリップフロップ９１のＱ端子からハイレベル信号が降圧スイッチＳＷ１に送出され、降圧スイッチＳＷ１がオンする。

インダクタ電流の電流値がエラーアンプ出力値以上になった場合にはフリップフロップ９１がリセットされＱ端子からローレベル信号が降圧スイッチＳＷ１に送出され、降圧スイッチＳＷ１がオフする。

以上のように降圧スイッチＳＷ１がオンとオフを繰り返してスイッチングが行われ降圧モード制御が行われる。尚、図９（ａ）の例では、降圧スイッチＳＷ１のオンデューティ値は徐々に大きくなっていく。

降圧スイッチＳＷ１と昇圧スイッチＳＷ２のスイッチングが可能な範囲をオンデューティ最小値（オンデューティ（ｍｉｎ））〜オンデューティ最大値（オンデューティ（ｍａｘ））として予め設定されている。図９（ａ）の例において３回目のオンにおけるオンデューティ値が前記オンデューティ最大値となり、直後の基本クロックのトリガが立ち上がる前に降圧スイッチＳＷ１がオフしない場合に降圧モードから昇圧モードへのモード切替制御が行われる。

次に、昇圧モード制御について説明する。

昇圧モード制御は降圧スイッチＳＷ１がオンを維持しているときに昇圧スイッチＳＷ２をスイッチングさせる制御である。降圧スイッチＳＷ１と昇圧スイッチＳＷ２のスイッチング動作の原理は実質的に同じであるので昇圧スイッチＳＷ２のスイッチングについては簡単に説明する。

降圧スイッチＳＷ１のオン状態が前記オンデューティ最大値に対応する所定時間以上継続してフリップフロップ９１のＱ端子からハイレベル信号が降圧／昇圧モード切替部９３に送出され続ける。それにより降圧／昇圧モード切替部９３によってインバータ８８及びＡＮＤゲート９０にハイレベル信号が送出されることにより昇圧モードに切り替わる。

昇圧モードになると、図９（ｂ）に示すように、基本クロックのトリガによってインダクタ電流が流れ始め、インダクタ電流の電流値がエラーアンプ出力値未満の場合にはフリップフロップ９２のＱ端子からハイレベル信号が昇圧スイッチＳＷ２に送出され、昇圧スイッチＳＷ２がオンする。

インダクタ電流の電流値がエラーアンプ出力値以上になった場合にはフリップフロップ９２がリセットされＱ端子からローレベル信号が昇圧スイッチＳＷ２に送出され、昇圧スイッチＳＷ２がオフする。

以上のように昇圧スイッチＳＷ２がオンとオフを繰り返してスイッチングが行われ昇圧モード制御が行われる。尚、図９（ｂ）の例では、昇圧スイッチＳＷ２のオンデューティ値は徐々に小さくなっていく。

図９（ｂ）の例において、３回目のオンにおけるオンデューティ値が予め決められた前記オンデューティ最小値となり、オンデューティ最小値以内において昇圧スイッチＳＷ２がオフした場合に昇圧モードから降圧モードへのモード切替制御が行われる。

従って、スイッチングが可能な範囲を前記オンデューティ最小値〜前記オンデューティ最大値としたときに、降圧モードにおいてオンデューティ最大値以内において降圧スイッチＳＷ１がオフしなかった場合には、昇圧モードに切り替わるように制御される。一方、昇圧モードにおいてオンデューティ最小値以内において昇圧スイッチＳＷ２がオフした場合には、降圧モードに切り替わるように制御される。

入力電圧Ｖｉｎが出力電圧Ｖｏｕｔより大きい場合には、降圧スイッチがスイッチングを行い、昇圧スイッチはオフ状態を維持する(降圧モード)。入力電圧が出力電圧より小さい場合には、降圧スイッチはオン状態を維持し、昇圧スイッチがスイッチングを行う(昇圧モード)。

本第３の実施の形態によれば、モード切替判定がパルスバイパルス（１周期毎）で行われているので、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔの値が近い場合には、降圧モードから昇圧モードへの切替と、昇圧モードから降圧モードへの切替が頻繁に行われる。従って、入出力電圧の条件、例えば、入出力電圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）が０．９〜１．１となる範囲おいても、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ８０から出力電圧Ｖｏｕｔを平均化して出力することができる。

従って、降圧と昇圧の切替時において入力電圧Ｖｉｎの変動に対して確実に出力電圧Ｖｏｕｔを一定に保持するように制御することができる。

尚、エラーアンプ８５の出力の値からスロープ補償値を減算した値を、フィードバックループに施して予め決められた所定値以下にクランプすることにより、インダクタ電流の電流値にパルスバイパルス（ＰＢＰ）電流制限をかけることができる。

また、降圧モードと昇圧モードの切替時におけるスロープ補償値を一致させることによって制御の安定性の向上を図ることができる。

また、上記した各実施の形態では、出力電圧Ｖｏｕｔをフィードバックする方式を採用した例を示したが、出力電流または出力電力をフィードバックする方式を採用することもできる。

上記した各実施の形態は、本発明を好適に実施した形態の一例に過ぎず、本発明は、その主旨を逸脱しない限り、種々変形して実施することが可能なものである。

本発明の第１の実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示した図である。 降圧モードから昇圧モードへのモード切替制御について説明する図である。 図２の区間Ａの降圧モードにおける降圧スイッチ駆動信号を示した図である。 図２の区間Ｂの昇圧モードにおける昇圧スイッチ駆動信号を示した図である。 降圧モード及び昇圧モードの切替と降圧スイッチ及び昇圧スイッチのオンデューティとの関係を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示した図である。 降圧スイッチ駆動信号、エラーコンパレータ出力、インダクタ電流、出力電圧の関係を示した波形図である。 本発明の第３の実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示した図である。 （ａ）は降圧スイッチのオンオフとインダクタ電流の関係を示した図であり、（ｂ）は昇圧スイッチのオンオフとインダクタ電流の関係を示した図である。

１、５０、８０…昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ、２…降圧部、３…昇圧部、４…制御部、１０…降圧スイッチ駆動回路、１１…昇圧スイッチ駆動回路、３０…降圧／昇圧モード切替部、４０…ＬＥＤ

Claims (3)

1. 直流電源から直流電圧を入力する降圧スイッチと前記降圧スイッチに接続されたチョークコイルとを有し入力電圧より低い出力電圧を出力する降圧部と、
   前記チョークコイルを介して前記降圧スイッチに接続された昇圧スイッチを有し入力電圧より高い出力電圧を出力する昇圧部と、
   前記入力電圧より低い前記出力電圧を出力する降圧モードと前記入力電圧より高い前記出力電圧を出力する昇圧モードとを切り替えるモード切替部と、
   前記降圧モード時に前記昇圧スイッチをオフに維持し前記降圧スイッチをオンオフ制御するとともに前記昇圧モード時に前記降圧スイッチをオンに維持し前記昇圧スイッチをオンオフ制御するスイッチ駆動部を有する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記降圧モード時における前記降圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間の最小値とオン時間の最大値を予め設定し、前記昇圧モード時における前記昇圧スイッチのスイッチングにおけるオフ時間の最大値とオン時間の最小値を予め設定する
   ことを特徴とする昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 前記制御部は、
   前記降圧モード時において前記降圧スイッチのスイッチングにおけるオン時間が最大値を示す状態が所定時間継続した場合に前記昇圧モードに切り替え、
   前記昇圧モード時において前記昇圧スイッチのスイッチングにおけるオン時間が最小値を示す状態が所定時間継続した場合に前記降圧モードに切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 半導体光源を備えた車両用灯具に組み込まれ、前記半導体光源へ駆動電流を供給する
   ことを特徴とする請求項２に記載の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。

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