JP2012070527A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング動作に起因する特定周波数のノイズの発生を低減することができるＤＣ／ＤＣコンバータ回路を提供すること。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１００は、スイッチング素子としてのＭＯＳ−ＦＥＴ１１６等を含んで構成されるコンバータ部１１０等と、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１６等をオンオフするＰＷＭ信号を生成する制御部１７０とを備える。制御部１７０は、ＰＷＭ信号の周波数を所定範囲で可変する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング動作によって入力電圧を出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ回路に関する。

従来から、スイッチング周波数を特定周波数とすることにより、ＡＭ放送受信時のノイズを低減するようにした自動車搭載用ＤＣ−ＤＣコンバータが知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。例えば、スイッチング周波数が、車載のカーラジオが受信するＡＭ放送波の隣接する放送周波数差の整数倍に設定される。あるいは、この放送周波数差が１０ｋＨｚであるときにスイッチング周波数が１３５ｋＨｚに、この放送周波数差が９ｋＨｚであるときにスイッチング周波数がこの放送周波数差の（ｎ＋０．５）倍に設定される。

特開２００２−３３５６７２号公報（第５−７頁、図１−１６） 特開２００３−８８１０１号公報（第４−６頁、図１−１２）

ところで、上述した従来の自動車用ＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング周波数を特定周波数に設定することでノイズ低減を図るものであるが、その前提としてスイッチング周波数を正確に特定周波数に設定する必要がある。しかし、スイッチング周波数は、回路を構成する抵抗やコンデンサの素子定数のばらつきや回路を構成する素子の温度特性にともなって変動するため、特定周波数からずれたときにＡＭ放送波にスイッチング動作に起因する特定周波数のノイズが混入するという問題があった。高価な部品を使用すれば周波数ずれを少なくすることができるが、その分ＤＣ−ＤＣコンバータ全体のコスト上昇になるため望ましくない。

また、アイドルストップ車両に上述したＤＣ−ＤＣコンバータを搭載する場合を考えると、大きく変動する入力電圧に対して一定の出力電圧を得ようとすると、スイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号のデューティを大きく変化させることになるため、スイッチング周波数を特定周波数に一致させてもスイッチング素子をオフするタイミングが一定にはならないため、高調波成分のレベルが変動してノイズの原因になる。しかも、このような高調波成分をフィルタによって除去する場合には、高調波成分のレベル変動に伴って、高調波成分除去後の音声レベルが一定にならないという不都合もある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、スイッチング動作に起因する特定周波数のノイズの発生を低減することができるＤＣ／ＤＣコンバータ回路を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明のＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、スイッチング素子を含んで構成されるコンバータ部と、スイッチング素子をオンオフするＰＷＭ信号を生成する制御部とを備え、制御部は、ＰＷＭ信号の周波数を所定範囲で可変している。

ＰＷＭ信号の周波数（スイッチング周波数）を所定範囲で可変することにより、放送波を復調した後の信号にスイッチング動作に起因する特定周波数のノイズが混入することを防止することができる。また、ＰＷＭ信号の周波数を精度よく一定値に設定する必要がないため、ＰＷＭ信号を生成するために高価な部品を使う必要がなく、コスト低減が可能になる。

また、アイドルストップ車両に搭載されて、バッテリの出力電圧を、電気負荷に印加する電圧に変化することが望ましい。アイドルストップ車両に搭載される場合には、入力電圧としてのバッテリの出力電圧が大きく変動するため、電気負荷用に一定の出力電圧を得ようとすると、ＰＷＭ信号のデューティが大きく変化するが、このような場合であってもＰＷＭ信号の周波数を所定範囲で可変することにより、スイッチング動作に起因する特定周波数のノイズが混入することを防止することができる。

また、上述した制御部は、ＰＷＭ信号の周波数をランダムに変化させることが望ましい。あるいは、上述した制御部は、ＰＷＭ信号の周波数を所定方向に掃引することが望ましい。いずれの場合であっても、スイッチング動作に起因するノイズの周波数を分散させることができ、ノイズが耳障りになる事態を回避することができる。

また、複数のコンバータ部を備え、制御部は、複数のコンバータ部のそれぞれに対応するＰＷＭ信号の周波数を異ならせることが望ましい。これにより、同時に生成する複数のＰＷＭ信号の周波数を異ならせることにより、これらの各周波数を分散させてさらにノイズを減らすことができる。

一実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ回路の構成を示す図である。 制御部の詳細構成を示す図である。 周波数設定の具体例を示す図である。 周波数設定の他の具体例を示す図である 降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の一例を示す図である。 昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の一例を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ回路について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ回路の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ回路１００は、互いに並列接続されて駆動される４つのコンバータ部１１０、１２０、１３０、１４０と、２つのコンデンサ１５０、１５２と、電流検出回路１６０と、電圧検出回路１６２と、４つのコンバータ部１１０〜１４０のそれぞれのスイッチング動作を別々に制御する４つのＰＷＭ信号を生成する制御部１７０とを含んで構成されている。

本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ回路１００は、アイドルストップ車両に搭載されており、入力側にバッテリにより構成される電源２００が、出力側に電気負荷２１０がそれぞれ接続され、電源２００から印加される電圧Ｖｐを昇圧して負荷２１０に印加する。一方のコンデンサ１５０は、入力側において電源２００に並列に接続される。他方のコンデンサ１５２は、出力側において負荷２１０に並列に接続される。

コンバータ部１１０は、リアクトル１１２、ダイオード１１４、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１６を備えている。同様に、コンバータ部１２０は、リアクトル１２２、ダイオード１２４、ＭＯＳ−ＦＥＴ１２６を備えている。コンバータ部１３０は、リアクトル１３２、ダイオード１３４、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６を備えている。コンバータ部１４０は、リアクトル１４２、ダイオード１４４、ＭＯＳ−ＦＥＴ１４６を備えている。このように、４つのコンバータ部１１０〜１４０のそれぞれは同じ構成を有しており、以下ではコンバータ１１０について詳細に説明し、他のコンバータ部１２０等については詳細な説明を省略する。

リアクトル１１２とダイオード１１４によって直列回路が形成されており、この直列回路の一方の端部（リアクトル１１２の一方端）が入力端子に、他方の端部（ダイオード１１４のカソード側）が出力端子に接続されている。また、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１６は、スイッチング素子であって、一方端（ドレイン側）がリアクトル１１２とダイオード１１４の接続点に接続され、他方端（ソース側）が接地されている。また、ゲートが制御部１７０に接続されており、制御部１７０から出力される駆動信号によってＭＯＳ−ＦＥＴ１１６のスイッチング動作が制御される。このコンバータ部１１０と出力側に接続されたコンデンサ１５２によって１フェーズの昇圧型コンバータ（スイッチングコンバータ）が形成されている。

電流検出回路１６０は、電気負荷２１０に供給される電流値を検出する。例えば、最も簡単には検出抵抗が用いられ、その両端電圧が制御部１７０に入力される。この場合には、制御部１７０は、Ｖｒ／Ｒ（Ｒは検出抵抗の抵抗値、Ｖｒは検出抵抗の両端電圧）を計算して負荷電流（出力負荷の大きさ）を検出する。電圧検出回路１６２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１００の出力電圧を検出する。例えば、抵抗を用いた分圧回路が用いられ、分圧電圧が制御部１７０に入力される。

制御部１７０は、電流検出回路１６０を用いて検出した出力負荷の大きさに基づいて、動作フェーズ数を決定する。具体的には、制御部１７０は、出力負荷の大小に応じて、コンバータ部１１０〜１４０の中で使用するコンバータ部の数を決定する。例えば、出力負荷の大小が４つのレベルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ（Ａが最も大きく、Ｄが最も小さい）に分類されている。

出力負荷レベルがＡのときに、制御部１７０は、４つのコンバータ部１１０〜１４０の全てを使用して動作するように、これら４つのコンバータ部１１０〜１４０のそれぞれを制御する４つの駆動信号を生成して出力する。また、出力負荷レベルがＢのときに、制御部１７０は、３つのコンバータ部１１０〜１３０を使用して動作するように、これら３つのコンバータ部１１０〜１３０のそれぞれを制御する３つの駆動信号を生成して出力する。また、出力負荷レベルがＣのときに、制御部１７０は、２つのコンバータ部１１０、１２０を使用して動作するように、これら２つのコンバータ部１１０、１２０のそれぞれを制御する２つの駆動信号を生成して出力する。また、出力負荷レベルがＤのときに、制御部１７０は、１つのコンバータ部１１０を使用して動作するように、このコンバータ部１１０を制御する１つの駆動信号を生成して出力する。

また、制御部１７０は、電圧検出回路１６２を用いて検出した出力電圧が所定値となるように、生成するＰＷＭ信号のデューティを設定する。各ＰＷＭ信号の周波数は、所定範囲で可変設定される。

図２は、制御部１７０の詳細構成を示す図である。図２に示すように、制御部１７０は、動作フェーズ数設定部１７１、デューティ設定部１７２、クロック生成部１７３、掃引制御部１７４、ＰＷＭ信号生成部１７５を備えている。

動作フェーズ数設定部１７１は、電流検出回路１６０によって検出された電流値に基づいて動作フェーズ数を設定する。デューティ設定部１７２は、電圧検出回路によって検出した電圧値に基づいて、各コンバータ部に入力するＰＷＭ信号のデューティを設定する。クロック生成部１７３は、ＰＷＭ信号生成に必要なクロック信号を生成する。クロック生成部１７３によって、ＰＷＭ信号の周波数よりも高い周波数のクロック信号が生成される。例えば、ＰＷＭ信号の周波数を２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚとし、クロック信号の周波数を数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚとしている。

掃引制御部１７４は、掃引するＰＷＭ信号の周波数を設定するとともに、この設定した周波数をＰＷＭ信号生成部１７５に対して指示する。本実施形態では、ＰＷＭ信号の周波数は、一定ではなく、時間経過とともに所定範囲（２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）内で可変設定される。掃引制御部１７４は、ＰＷＭ信号の周波数の可変設定を行う。具体的には、周波数を連続的に一方向に増加あるいは減少させる一般的な周波数掃引の他に、ランダムに周波数を変化させる場合が考えられる。

ＰＷＭ信号生成部１７５は、動作フェーズ数設定部１７１によって設定された動作フェーズ数に対応した数のＰＷＭ信号であって、掃引制御部１７４から指示された周波数およびデューティ設定部１７２によって設定されたデューティを有するＰＷＭ信号を生成する。例えば、ＰＷＭ信号生成部は、クロック生成部１７３から出力されるクロック信号に同期した立ち上がりタイミングおよび立ち下がりタイミングを設定し、上述した内容（周波数およびデューティ）を有するＰＷＭ信号を生成する。

図３は、周波数設定の具体例を示す図である。図３において、ＰＷＭ信号１〜４のそれぞれは、４つのコンバータ部１１０〜１４０のそれぞれに入力されるＰＷＭ信号を示している。例えば、コンバータ部１１０に着目すると、掃引制御部１７４は、最初の期間Ｔ１ではＰＷＭ信号の周波数をｆ１に設定し、次の期間Ｔ２ではＰＷＭ信号の周波数をｆ２に設定し、次の期間Ｔ３ではＰＷＭ信号の周波数をｆ３に設定し、次の期間Ｔ４ではＰＷＭ信号の周波数をｆ４に設定する。これらの各周波数ｆ１〜ｆ４は、一定間隔で増加（ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４）、あるいは、一定間隔で減少（ｆ１＞ｆ２＞ｆ３＞ｆ４）する場合が考えられる。または、各周波数ｆ１〜ｆ４は、一方向に増加あるいは減少するのではなく、ランダムに変化させてもよい。さらに、各期間Ｔ１〜Ｔ４は、生成するＰＷＭ信号の１周期の長さに一致させてもよいが、１周期よりも長くしてもよい。但し、あまり長くすると、各期間において一定の周波数が維持されることになって、その基本成分あるいは高調波成分が、ＡＭラジオ等の放送波を復調した信号（音声信号）に耳障りなノイズとなって現れることになるため、ノイズが確認できない程度に短くする必要がある。

他のコンバータ部１２０〜１４０に入力するＰＷＭ信号についても同様であり、周波数が時間経過とともに可変設定される。なお、図３に示す例では、４つのコンバータ部１１０〜１４０のそれぞれに、同じ周波数のＰＷＭ信号を入力する場合を示したが、図４に示すように、４つのコンバータ部１１０〜１４０のそれぞれに入力する４つのＰＷＭ信号の周波数を、全て異ならせるようにしてもよい。図４の例では、４つの周波数ｆ１１、ｆ１２、ｆ１３、ｆ１４は、全て異なる値に設定されている。なお、この場合には、掃引制御部１７４は、並行して４種類の周波数を設定してＰＷＭ信号生成部１７５に指示する必要がある。同時に生成する複数のＰＷＭ信号の周波数を全て異ならせることにより（一部の周波数を異ならせるようにしてもよい）、これらの各周波数を分散させてさらにノイズを減らすことができる。

また、図３および図４では、４つのコンバータ部１１０〜１４０を用いる場合について説明したが、動作フェーズ数設定部１７１によって設定された動作フェーズ数が３以下の場合には、動作フェーズ数に対応した数のＰＷＭ信号が生成される。

このように、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ回路１００では、ＰＷＭ信号の周波数（スイッチング周波数）を所定範囲で可変することにより、ＡＭ放送等の放送波を復調した後の信号にスイッチング動作に起因する特定周波数のノイズが混入することを防止することができる。また、ＰＷＭ信号の周波数を精度よく一定値に設定する必要がないため、ＰＷＭ信号を生成するために高価な部品を使う必要がなく、コスト低減が可能になる。

特に、アイドルストップ車両に搭載される場合には、入力電圧としての電源２００の出力電圧が大きく変動するため、電気負荷２１０用に一定の出力電圧を得ようとすると、ＰＷＭ信号のデューティが大きく変化するが、このような場合であってもＰＷＭ信号の周波数を所定範囲で可変することにより、スイッチング動作に起因する特定周波数のノイズが混入することを防止することができる。

また、ＰＷＭ信号の周波数をランダムに変化させる場合や所定方向に掃引する場合のいずれであっても、スイッチング動作に起因するノイズの周波数を分散させることができ、ノイズが耳障りになる事態を回避することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、電気負荷の大小にあわせて動作フェーズ数を決定したが、電気負荷の大きさにかかわらず動作フェーズ数が固定されているＤＣ／ＤＣコンバータ回路に本発明を適用するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、４つのコンバータ部を備えた動作フェーズ数が４のＤＣ／ＤＣコンバータ回路について説明したが、動作フェーズ数が３以下あるいは５以上のＤＣ／ＤＣコンバータ回路についても本発明を適用することができる。また、複数のコンバータ部に対応して１つのコンデンサ１５０および１つのコンデンサ１５２を用いたが、これらのコンデンサ１５０、１５２のそれぞれを複数個のコンデンサによって形成したり、複数のコンバータ部のそれぞれの内部に個別のコンデンサを設けるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、ダイオード１１４等を用いたが、このダイオードをスイッチング素子（例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ）に置き換えるようにしてもよい。この場合には、制御部１７０は、このスイッチング素子のオン／オフタイミングがＭＯＳ−ＦＥＴ１１６等のオン／オフタイミングと反対になるように制御する必要がある。

また、上述した実施形態では、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路について説明したが、動作フェーズ数が複数の降圧型あるいは昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路についても本発明を適用することができる。

図５は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の一例を示す図であり、図１に対応する構成が示されている。図６は、昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の一例を示す図であり、図１に対応する構成が示されている。

上述したように、本発明によれば、ＰＷＭ信号の周波数（スイッチング周波数）を所定範囲で可変することにより、放送波を復調した後の信号にスイッチング動作に起因する特定周波数のノイズが混入することを防止することができる。また、ＰＷＭ信号の周波数を精度よく一定値に設定する必要がないため、ＰＷＭ信号を生成するために高価な部品を使う必要がなく、コスト低減が可能になる。

１００ ＤＣ／ＤＣコンバータ回路
１１０、１２０、１３０、１４０ コンバータ部
１１２、１２２、１３２、１４２ リアクトル
１１４、１２４、１３４、１４４ ダイオード
１１６、１２６、１３６、１４６ ＭＯＳ−ＦＥＴ
１５０、１５２ コンデンサ
１６０ 電流検出回路
１６２ 電圧検出回路
１７０ 制御部
１７１ 動作フェーズ数設定部
１７２ デューティ設定部
１７３ クロック生成部
１７４ 掃引制御部
１７５ ＰＷＭ信号生成部
２００ 電源
２１０ 負荷

Claims (5)

1. スイッチング素子を含んで構成されるコンバータ部と、
   前記スイッチング素子をオンオフするＰＷＭ信号を生成する制御部と、
   を備え、前記制御部は、前記ＰＷＭ信号の周波数を所定範囲で可変することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ回路。
2. 請求項１において、
   アイドルストップ車両に搭載されて、バッテリの出力電圧を、電気負荷に印加する電圧に変化することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ回路。
3. 請求項１または２において、
   前記制御部は、前記ＰＷＭ信号の周波数をランダムに変化させることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ回路。
4. 請求項１または２において、
   前記制御部は、前記ＰＷＭ信号の周波数を所定方向に掃引することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ回路。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   複数の前記コンバータ部を備え、
   前記制御部は、複数の前記コンバータ部のそれぞれに対応するＰＷＭ信号の周波数を異ならせることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ回路。

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