JP2013215034A - Dc−dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】直流電源の無負荷電圧が変化する場合でも、その変化に応じてDC−DCコンバータの動作を適切に制御する。
【解決手段】DC−DCコンバータ1は、直流電源Cellからの入力電圧VINをDC−DC変換する変換部3と、入力電圧VINが閾値電圧以下にならないように変換部3の動作を制御する制御部4とを含む。制御部3は、電圧モニタ期間を定期的に設け、各電圧モニタ期間では、直流電源Cellから変換部3を介して電流が流れないようにしたときの入力電圧VINを、無負荷電圧として検出する。制御部4は、直前の電圧モニタ期間のときに検出された無負荷電圧に所定の比率を乗じた電圧値を上記の閾値電圧に設定する。
【選択図】図1
【解決手段】DC−DCコンバータ1は、直流電源Cellからの入力電圧VINをDC−DC変換する変換部3と、入力電圧VINが閾値電圧以下にならないように変換部3の動作を制御する制御部4とを含む。制御部3は、電圧モニタ期間を定期的に設け、各電圧モニタ期間では、直流電源Cellから変換部3を介して電流が流れないようにしたときの入力電圧VINを、無負荷電圧として検出する。制御部4は、直前の電圧モニタ期間のときに検出された無負荷電圧に所定の比率を乗じた電圧値を上記の閾値電圧に設定する。
【選択図】図1
Description
この発明はDC−DCコンバータに関し、たとえば、入力電源として太陽電池が用いられる場合に好適に利用できるものである。
太陽電池は照度および温度など環境の変動に対して、取り出し得る出力電力が変動する。環境の変動に対応して常に最大の電力を取り出すことが、充電などの用途には望ましい。これを実現しようとする手法を最大電力点追従法(MPPT:Maximum Power Point Tracking)と呼ぶ。
たとえば、特開2009−207239号公報(特許文献1)に開示された技術は、太陽電池と蓄電池との間にDC−DCコンバータが接続されたシステムに関するものである。MPPT制御を実現するために、DC−DCコンバータの出力電力(入力電力に比例する)の時間微分、もしくは出力電圧および出力電流のいずれか一方の時間微分を算出し、算出した時間微分に基づいてDC−DCコンバータの出力電圧を制御する。
上記の文献に記載された技術のように微分演算を算出するものでなく、簡易的なMPPT制御方法がいくつか提案されている。その1つとして、太陽電池からDC−DCコンバータに入力される電圧が所定の閾値電圧以下に低下しないように、DC−DCコンバータのインダクタに流れる平均電流を制限する方法がある。上記の閾値電圧は、太陽電池の最大電力点に対応する電圧値であり、たとえば、公称開放電圧の80%程度に設定される。
しかしながら、上記の方法では、閾値電圧が固定化されているために、照度および温度などの環境の変動に対して追随できないという欠点がある。感温素子や照度センサを用いることによって太陽電池の特性を補償することも考えられるが、かえってシステムが複雑化してしまう。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によるDC−DCコンバータは、直流電源からの入力電圧をDC−DC変換する変換部と、入力電圧が閾値電圧以下にならないように変換部の動作を制御する制御部とを含む。制御部は、電圧モニタ期間を定期的に設け、各電圧モニタ期間では、直流電源から変換部を介して電流が流れないようにしたときの入力電圧を、無負荷電圧として検出する。制御部は、直前の電圧モニタ期間のときに検出された無負荷電圧に所定の比率を乗じた電圧値を上記の閾値電圧に設定する。
上記の一実施の形態によれば、直流電源の無負荷電圧が変化する場合でも、その変化に応じてDC−DCコンバータの動作を適切に制御することができる。
以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない場合がある。
<実施の形態1>
[DC−DCコンバータ1の概略的な構成]
図1は、実施の形態1によるDC−DCコンバータ1の概略的な構成を示すブロック図である。
[DC−DCコンバータ1の概略的な構成]
図1は、実施の形態1によるDC−DCコンバータ1の概略的な構成を示すブロック図である。
図1を参照して、DC−DCコンバータ1は、直流電源Cellが接続される入力ノードNINと、負荷が接続される出力ノードNOUTと、直流電圧の変換を行なう変換部3と、変換部3の動作を制御する変換制御部4とを含む。
DC−DCコンバータ1は、太陽電池または燃料電池など無負荷電圧が変動する直流電源Cellに対して好適に用いられる。たとえば、太陽電池の場合には、直流電源Cellによって生成される電力は、温度や照度などの環境の変化に応じて変化する。
変換部3は、入力ノードNINの電圧VIN(入力電圧VINとも称する)をDC−DC変換することによって変換電圧VOUT(出力電圧VOUTとも称する)を生成し、生成した変換電圧VOUTを出力ノードNOUTに出力する。変換部3の回路形式は、昇圧型、降圧型、反転型、および昇降圧型のいずれであってもよく、非絶縁型および絶縁型のいずれであってもよい。図2以降のより具体的な説明では、変換部3が非絶縁型の昇圧コンバータ(昇圧チョッパとも称する)の場合を例示している。
変換制御部4は、変換部3の動作を制御することによって、出力ノードNOUTに出力される変換電圧VOUTの大きさを調整する。変換制御部4は、さらに、MPPT(Maximum Power Point Tracking)制御モード(「入力電圧制御モード」とも称する)のときには、入力ノードNINの電圧VINが閾値電圧以下とならないように変換部3の動作を制御する。この閾値電圧は、直流電源Cellの無負荷電圧(開放電圧)に所定の比率を乗じた値に設定される。たとえば、太陽電池の場合には、最大電力点は無負荷電圧の約80%程度であるので、上記の比率を80%に設定することによって簡易的なMPPT制御が実現できる。太陽電池の出力電圧は、開放電圧から最大電力点に対応する電圧まではあまり低下しないのに対して、上記の閾値電圧以下では、出力電流の増加に比べて出力電圧が急激に低下する。上記の制御方法によってこの急激な出力電圧の低下を防止する。
ここで、太陽電池の無負荷電圧は、照度および温度などの周囲の環境の変化に応じて変化する。実施の形態1のDC−DCコンバータ1では、直流電源Cellの無負荷電圧が変化した場合に追随するために、MPPT制御モード時には定期的に電圧モニタ期間が設けられる。各電圧モニタ期間において、変換制御部4は、直流電源Cellから変換部3を介して電流が流れないように変換部3を制御する(変換部3は、直流電源Cellからの電流を遮断できるように構成されている)。この状態で、変換制御部4は、入力ノードNINの電圧を無負荷電圧として検出する。上記の閾値電圧は、直前の電圧モニタ期間に検出された無負荷電圧に所定の比率を乗算した値に設定される。
[変換制御部4の概略的な構成]
実施の形態1の場合、変換制御部4は、サンプルホールド(S&H:Sample and Hold)回路SHと、比較器CMP1と、スイッチング制御回路5とを含む。これらの回路の動作を制御するために制御信号MPPT,BRKDCBが変換制御部4に入力される。実施の形態1では、MPPT信号がハイレベル(Hレベル)のときがMPPT制御モードに対応し、BRKDCB信号がローレベル(Lレベル)のときが電圧モニタ期間に対応する。
実施の形態1の場合、変換制御部4は、サンプルホールド(S&H:Sample and Hold)回路SHと、比較器CMP1と、スイッチング制御回路5とを含む。これらの回路の動作を制御するために制御信号MPPT,BRKDCBが変換制御部4に入力される。実施の形態1では、MPPT信号がハイレベル(Hレベル)のときがMPPT制御モードに対応し、BRKDCB信号がローレベル(Lレベル)のときが電圧モニタ期間に対応する。
サンプルホールド回路SHは、BRKDCB信号がLレベルの期間(電圧モニタ期間)の間、入力ノードNINの電圧VINに所定に比率(実施の形態1の場合、0.8)を乗じた電圧値を出力する。サンプルホールド回路SHは、BRKDCB信号がHレベルに切り替わった時点(電圧モニタ期間の終了時点)における入力ノードNINの電圧VINを保持する。サンプルホールド回路SHは、BRKDCB信号がHレベルの期間は、保持した電圧に所定に比率(0.8)を乗じた閾値電圧を出力する。以上のサンプルホールド回路SHの動作は、MPPT信号がHレベルのときに実行される。MPPT信号がLレベルのときは、サンプルホールド回路SHに供給される電源電圧が遮断されることによって低消費電力化が図られる。なお、上記の出力電圧の比率は、他の倍率であってもよく、可変としてもよい。
比較器CMP1は、サンプルホールド回路SHの出力電圧(閾値電圧)と、入力ノードNINの電圧VINとを比較する。比較器CMP1は、入力電圧VINが閾値電圧以下となった場合にLレベルの信号を出力し、入力電圧VINが閾値電圧を超えている場合にHレベルの信号を出力する。以上の比較器CMP1の動作は、MPPT信号がHレベルのときに実行される。MPPT信号がLレベルのときには、比較器CMP1に供給される電源電圧が遮断されることによって低消費電力化が図られる。MPPT信号がLレベルの場合、比較器CMP1の出力はHレベルに固定されているとする。
スイッチング制御回路5は、変換部3の動作を制御することによって、所定の目標電圧に一致するように出力電圧VOUTを調整する。一般的に、変換部3は、インダクタと、インダクタに直列接続されたスイッチング素子を含む。インダクタを流れる電流はスイッチング素子のオンおよびオフに応じて増減する。スイッチング制御回路5は、上記のスイッチング素子のオンおよびオフを制御することによってインダクタを流れる平均電流を調整し、この結果として、変換部3の出力電流および電圧を調整する。
出力電圧VOUTを制御する方式には種々のものが提案されており、特に限定されない。たとえば、電圧モード制御および電流モード制御のいずれでもよく、PWM(Pulse Width Modulation)方式およびPFM(Pulse Frequency Modulation)方式のいずれでも構わない。図2以降のより具体的な説明では、スイッチング制御回路5が、PFM方式の電圧モード制御の場合を例示している。
上記のスイッチング制御回路5の動作は、比較器CMP1の出力がHレベルであり、かつ、BRKDCB信号がHレベルの場合に実行される。比較器CMP1の出力がLレベルの場合には、スイッチング制御回路5は、DC−DC変換動作を停止するように変換部3を制御する。BRKDCB信号がLレベル(電圧モニタ期間)の場合には、スイッチング制御回路5は、直流電源Cellからの電流が変換部3によって遮断されるように変換部3を制御する。
上記の説明では、変換制御部4がアナログ回路で構成される例を示したが、これに代えて、変換制御部4の大部分がデジタル回路で構成されるようにしてもよい。この場合、変換制御部4は、入力電圧VINまたはその分圧電圧をAD変換するためのAD変換器を含む。
MPPT信号およびBRKDCB信号は、集積回路(半導体装置)7の外部から与えられてもよいし、集積回路8の内部で発生させてもよい。図1の場合には、MPPT信号およびBRKDCB信号は、集積回路8全体を制御するシステム制御部6で生成される。MPPT信号は、ワイヤオプション、マスクオプション、およびレーザカットを利用して、HレベルまたはLレベルに固定するようにしてもよい。なお、変換部3を構成する半導体素子も、変換制御部4およびシステム制御部6と同一の基板上に集積回路8の一部として形成することができる。
[変換部3および変換制御部4の具体的構成例]
図2は、図1の変換部3および変換制御部4の構成の一例を具体的に示した回路図である。
図2は、図1の変換部3および変換制御部4の構成の一例を具体的に示した回路図である。
図2を参照して、変換部3は、直流電源Cellからの入力電圧VINを昇圧して出力ノードNOUTから出力する昇圧型DC−DCコンバータである。変換部3は、インダクタLと、ローサイドスイッチLSとしてのNMOS(Negative-channel Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、ハイサイドスイッチHSとしてのダイオード、出力スイッチとしてのPMOS(Positive-channel MOS)トランジスタ、および出力コンデンサCoutを含む。さらに、図2のDC−DCコンバータ1Aは、入力ノードNINと接地ノードGNDとの間に、直流電源Cinと並列に設けられた入力コンデンサCinを含む。
インダクタLの一端は、入力ノードNINに接続される。ローサイドスイッチLSは、入力ノードNINと接地ノードGNDとの間に、インダクタLと直列に接続される。ハイサイドスイッチHSを構成するダイオード(整流素子)のアノードは、インダクタLとローサイドスイッチLSとの接続ノードNCNに接続される。出力スイッチOSは、ハイサイドスイッチHSを構成するダイオードのカソードと出力ノードNOUTとの間に接続される。図2の場合、出力ノードNOUTと接地ノードGNDとの間には、負荷2として負荷容量CLが接続される。
ハイサイドスイッチHSは、ダイオード(整流素子)に代えてNMOSトランジスタなどの半導体トランジスタであってもよい。この場合、ハイサイドスイッチHSを構成するトランジスタは、ローサイドスイッチLSが導通(ON)状態のとき非導通(OFF)状態となり、ローサイドスイッチLSが非導通(OFF)状態のとき導通(ON)状態になるように、スイッチング制御回路5によって制御される。このような制御方式は、同期整流と呼ばれるものである。
なお、ハイサイドスイッチHS、ローサイドスイッチLS、および出力スイッチOSの一部または全てを図1の集積回路8に内蔵してもよいし、これらのスイッチを全てディスクリート部品として集積回路8に外付けしてもよい。
スイッチング制御回路5は、定電圧制御回路Pと、ANDゲートAG1と、出力スイッチ制御回路SCとを含む。
定電圧制御回路Pは、図2の場合、PFM方式の電圧モード制御によってローサイドスイッチLSのスイッチングを制御する。具体的に、定電圧制御回路Pは、ハイサイドスイッチHSと出力ノードNOUTとの接続ノードDNOUTの電圧DVOUTを受ける。定電圧制御回路Pは、電圧DVOUTが目標電圧以下のときは所定のデューティ比のパルス信号を出力し、電圧DVOUTが目標電圧を超えたときにはLレベルの信号を出力する。上記のデューティ比は、目標電圧に応じて定められる。なお、定電圧制御回路Pは、電圧DVOUTに代えて出力電圧VOUTを取り込んで、出力電圧VOUTと目標電圧とを比較するようにしてもよい。
ANDゲートAG1は、比較器CMP1の出力信号と、BRKDCB信号と、定電圧制御回路Pの出力信号とを受ける。ANDゲートAG1は、これらの信号の論理積を、ローサイドスイッチLSを構成するNMOSトランジスタのゲートに入力する。したがって、BRKDCB信号がHレベルでありかつ比較器CMP1の出力信号がHレベルの場合には、ローサイドスイッチLSは、定電圧制御回路Pの出力信号に応じてON状態またはOFF状態に切替わる。BRKDCB信号がLレベルの場合(電圧モニタ期間)には、ローサイドスイッチLSはOFF状態になる。比較器CMP1の出力信号がLレベルの場合(入力電圧VINが閾値電圧以下の場合)にも、ローサイドスイッチLSはOFF状態になる。
出力スイッチ制御回路SCは、入力電圧VINが低くて昇圧動作が行われない場合に出力ノードNOUTから電流が逆流しないように出力スイッチOSをオフさせる。さらには、出力スイッチ制御回路SCは、負荷容量CLの電荷がほぼ0である昇圧開始時に、DC−DCコンバータ1Aの内部回路用電源電圧を早く上昇させたい場合などに出力スイッチOSをOFFさせるといった役割がある。しかし用途によって、動作はケースバイケースである。したがって、実施の形態1では特に断らない限り、出力スイッチ制御回路SCは、BRKDCB信号がLレベルの場合(電圧モニタ期間)に、Hレベルの信号を出力することによって出力スイッチOSをOFF状態にする。出力スイッチ制御回路SCは、電圧モニタ期間以外には、Lレベルの信号を出力することによって出力スイッチOSをオン状態にする。
[サンプルホールド回路SHの構成例]
図3は、図2のサンプルホールド回路SHの構成の一例を示す回路図である。図3には、サンプルホールド回路SHから比較器CMP1にかけての回路例が示される。図1、図2では、サンプルホールド回路SHおよび比較器CMP1の入力を入力ノードNINの電圧VINとしたが、その分圧された電圧であってもよい。図3では、そのような例を示している。
図3は、図2のサンプルホールド回路SHの構成の一例を示す回路図である。図3には、サンプルホールド回路SHから比較器CMP1にかけての回路例が示される。図1、図2では、サンプルホールド回路SHおよび比較器CMP1の入力を入力ノードNINの電圧VINとしたが、その分圧された電圧であってもよい。図3では、そのような例を示している。
図3を参照して、サンプルホールド回路SHは、抵抗素子R1〜R4と、インバータINVと、トランスミッションゲートTGと、コンデンサC1と、演算増幅器AMP1とを含む。
演算増幅器AMP1は、出力端子と反転入力端子(−端子)が接続されることによって電圧フォロアを構成する。演算増幅器AMP1の非反転入力端子(+端子)には、抵抗素子R1,R2によって入力電圧VINが分圧された分圧電圧がトランスミッションゲートTGを介して入力される。トランスミッションゲートTGを構成するPMOS(Positive-channel MOS)トランジスタのゲートにはBRKDCB信号が入力される。トランスミッションゲートTGを構成するNMOSトランジスタのゲートにはインバータINVによってBRKDCB信号を反転した信号が入力される。電圧保持用のコンデンサC1は、演算増幅器AMP1の+端子と接地ノードGNDとの間に接続される。比較器CMP1の非反転入力端子(+端子)には、演算増幅器AMP1の出力電圧を抵抗素子R3,R4によって分圧した分圧電圧が入力される。比較器CMP1の反転入力端子(−端子)には、抵抗素子R1,R2によって入力電圧VINを分圧した分圧電圧が入力される。
以上の構成によれば、BRKDCB信号がLレベルの間(電圧モニタ期間)、入力電圧VINの分圧電圧が、トランスミッションゲートTGを介してコンデンサC1に充電される。BRKDCB信号がHレベルに切替わった時点で、トランスミッションゲートTGがOFF状態になり、その時点の分圧電圧がコンデンサC1に保持される。すなわち、インバータINV、トランスミッションゲートTG、およびコンデンサC1は、サンプルホールド回路として機能する。
抵抗素子R1,R2は、入力電圧VINが演算増幅器AMP1の正常な入力電圧範囲を超えている場合に、入力電圧VINを分圧することによって正常入力範囲にするために設けられている。
抵抗素子R3,R4は、サンプルホールド回路SHの出力電圧を入力電圧VINに対して所定の比率(たとえば、0.8倍)にするために設けられている。
なお、MPPT信号は、演算増幅器AMP1および比較器CMP1に入力される。演算増幅器AMP1および比較器CMP1は、MPPT信号がLレベルになると電源遮断状態になる。
[定電圧制御回路Pの構成例]
図4は、図2の定電圧制御回路Pの構成の一例を示す回路図である。図4を参照して、定電圧制御回路Pは、発振回路OSCと、基準電圧発生回路VREFと、抵抗素子R5,R6と、比較器CMP2と、ANDゲートAG2とを含む。
図4は、図2の定電圧制御回路Pの構成の一例を示す回路図である。図4を参照して、定電圧制御回路Pは、発振回路OSCと、基準電圧発生回路VREFと、抵抗素子R5,R6と、比較器CMP2と、ANDゲートAG2とを含む。
発振回路OSCは所定のデューティ比のパルス列を出力する。抵抗素子R5,R6は、出力ノードDNOUTの電圧DVOUTを分圧して分圧電圧を比較器CMP2の反転入力端子(−端子)に出力する。比較器CMP2は、非反転入力端子(+端子)に入力された基準電圧発生回路VREFの出力電圧と、−端子の入力電圧とを比較する。比較器CMP2は、+端子の入力電圧が−端子の入力電圧以上のときHレベルの信号を出力し、+端子の入力電圧が−端子の入力電圧未満のときLレベルを出力する。ANDゲートAG2は、発振回路OSCの出力信号と比較器CMP2の出力信号との論理積を定電圧制御回路Pの出力として出力する。
以上の構成によれば、定電圧制御回路Pは、電圧DVOUTの分圧電圧が基準電圧発生回路VREFの出力電圧以下のときは、発振回路OSCから出力されたパルス列を出力する。定電圧制御回路Pは、電圧DVOUTの分圧電圧が基準電圧発生回路VREFの出力電圧を超えているときはLレベルの信号を出力する。すなわち、定電圧制御回路Pは、PFM方式の定電圧制御を行なう。
[図2のDC−DCコンバータ1Aの動作]
以下、図2のDC−DCコンバータ1Aの動作について説明する。
以下、図2のDC−DCコンバータ1Aの動作について説明する。
図5は、MPPT制御を行なわない場合における図2のDC−DCコンバータ1Aの動作を示すタイミング図である。
図2、図5を参照して、MPPT制御を行なわない場合(非MPPT制御モード)には、LレベルのMPPT信号が入力される。これによりサンプルホールド回路SHおよび比較器CMP1は不活性状態(電源遮断状態)となり、比較器CMP1出力はHレベルに維持される。
さらに、非MPPT制御モードでは、BRKDCB信号として、Hレベルの電圧が入力される。したがって、ANDゲートAG1は、定電圧制御回路Pの出力と同論理レベルを出力する。定電圧制御回路Pは出力電圧VOUTが所定の目標電圧となるようにデューティ比(Hレベルとなる割合)を調節したパルス列を出力する。
ローサイドスイッチLSはANDゲート出力に従ってON/OFF動作する。すなわち、ANDゲートAG1は、定電圧制御回路Pの出力がHレベルのときローサイドスイッチLSをONさせ、定電圧制御回路Pの出力がLレベルのときローサイドスイッチLSをOFFさせる。
インダクタLはローサイドスイッチLSがONのときにエネルギーを蓄積し、ローサイドスイッチLSがOFFのときに蓄積したエネルギーを放出する。ハイサイドスイッチHSは、インダクタLがエネルギーを放出する際、出力ノードNOUTの電圧VOUTよりインダクタL側の電圧が高いときに出力コンデンサCoutにエネルギーを転送する整流動作を行う。
出力コンデンサCoutは転送されたエネルギーを蓄積し、負荷に供給する動作を行う。入力コンデンサCinはインダクタLに流れる脈流を直流電源Cellから平滑化して取り出す役を果たす。
図5において、出力電圧VOUTが目標電圧に到達するまでは(時刻t1,t2)、DC−DCコンバータ1Aの入力電流が大きく、入力電圧VINが直流電源Cellの開放電圧より低下している。出力電圧VOUTが目標電圧に到達した後では(時刻t3)、DC−DCコンバータ1Aの消費電流が減り、入力電圧VINが直流電源Cellの開放電圧に近づいている。
非MPPT制御モードではBRKDCB信号は常にHレベルであるので、出力スイッチ制御回路SCは、出力スイッチOSを常にオン状態にする。
図6は、MPPT制御モード時における図2のDC−DCコンバータ1Aの動作を示すタイミング図である。
図2、図6を参照して、MPPT制御モードでは、HレベルのMPPT信号が入力される。これによりサンプルホールド回路SHおよび比較器CMP1は活性状態となる。
LレベルのBRKDCB信号が与えられたとき(時刻t1〜t2、時刻t4〜t5、時刻t7〜t8)、ANDゲートAG1の出力がLレベルとなって、ローサイドスイッチLSがOFFする。さらに、出力スイッチ制御回路SCが出力スイッチOSをOFFさせる。これにより、インダクタLの蓄積エネルギーがハイサイドスイッチHSを通じて出力コンデンサCout側に転送され終わると、インダクタLの電流が止まる。こうして昇圧動作が休止する。低下していた入力ノードNINの電圧VINが上昇する際、入力コンデンサCinに電流が流れ込むが、時間の経過と共に直流電源Cellの負荷電流がほぼなくなる。
サンプルホールド回路SHは、BRKDCB信号がLレベルである間(電圧モニタ期間)、入力電圧VINを0.8倍した電圧を出力する動作を行なっている。次にHレベルのBRKDCB信号が与えられると、サンプルホールド回路SHはBRKDCB信号がHレベルに切り替わる瞬間の出力電圧を維持する。この結果、BRKDCB信号がHレベルの期間(電圧モニタ期間以外)は、サンプルホールド回路SHの出力電圧は直流電源Cell無負荷時の電圧の0.8倍となる。
BRKDCB信号は通常定期的に短時間、Lレベルとなり、この期間(電圧モニタ期間)に直流電源Cellの無負荷時出力電圧(無負荷電圧)がサンプルホールド回路SHによって検出される。アプリケーションや回路構成によるが、たとえば、BRKDCB信号がLレベルとなる周期は、数msecから数sec程度である。BRKDCB信号がLレベルとなるパルス幅は、入力コンデンサCinの容量によるが、数μsec〜数十μsec程度である。
ANDゲートAG1は、定電圧制御回路Pの出力と比較器CMP1の出力との論理積を出力する。ローサイドスイッチLSは、ANDゲートAG1の出力の論理レベルがHレベルならばONし、LレベルならばOFFする。
比較器CMP1はサンプルホールド回路SHの出力電圧と入力電圧VINとを比較し、入力電圧VINのほうが高ければHレベルを、入力電圧VINのほうが低ければLレベルを出力する。比較器CMP1の出力がHレベルであれば、DC−DCコンバータ1Aは定電圧制御回路Pによって出力電圧の制御を行なう。比較器CMP1の出力がLレベルであれば定電圧制御回路Pの出力の論理レベルによらず、ローサイドスイッチLSはOFFし、昇圧動作が休止する。昇圧動作が休止すると直流電源Cellの負荷電流が減少して入力電圧VINが上昇するので、比較器CMP1の出力は再びHレベルとなって定電圧制御回路Pの出力信号による昇圧動作が再開する。
[実施の形態1の効果]
非MPPT制御モードでは、不要なサンプルホールド回路SH、比較器CMP1を不活性にすることで、無駄な自己消費電力を低減できる。
非MPPT制御モードでは、不要なサンプルホールド回路SH、比較器CMP1を不活性にすることで、無駄な自己消費電力を低減できる。
MPPT制御モードでは、直流電源Cellに負荷がある状態でのDC−DCコンバータの入力電圧が、定期的に検出した無負荷電圧に所定の比率を乗じた閾値電圧以下とならないように制御している。したがって、簡易的なMPPT制御システムであっても、温度や照度などの環境の変化に対応した理想に近いMPPT制御を実現することができるので、太陽電池から電力を取り出す効率を改善することができる。
[変形例]
実施の形態1では、出力スイッチ制御回路SCは、BRKDCB信号がLレベルとなる電圧モニタ期間では、常にHレベルの信号を出力することによって出力スイッチOSをオフ状態にしていた。しかしながら、入力電圧VINが出力電圧VOUTより小さいときには、ハイサイドスイッチHSを構成するダイオードがオフ状態になるので、出力スイッチOSは必ずしもオフ状態にする必要はない。すなわち、図6において、時刻t4〜t5および時刻t7〜t8では、出力スイッチOSのゲート入力はLレベルのままでよい。より一般的に言えば、スイッチング制御回路5は、電圧モニタ期間には、変換部3を構成するハイサイドスイッチHSおよび出力スイッチOSの少なくとも一方をオフ状態にするように制御すればよい。
実施の形態1では、出力スイッチ制御回路SCは、BRKDCB信号がLレベルとなる電圧モニタ期間では、常にHレベルの信号を出力することによって出力スイッチOSをオフ状態にしていた。しかしながら、入力電圧VINが出力電圧VOUTより小さいときには、ハイサイドスイッチHSを構成するダイオードがオフ状態になるので、出力スイッチOSは必ずしもオフ状態にする必要はない。すなわち、図6において、時刻t4〜t5および時刻t7〜t8では、出力スイッチOSのゲート入力はLレベルのままでよい。より一般的に言えば、スイッチング制御回路5は、電圧モニタ期間には、変換部3を構成するハイサイドスイッチHSおよび出力スイッチOSの少なくとも一方をオフ状態にするように制御すればよい。
上記の説明では、出力スイッチOSを設けて直流電源Cellの無負荷電圧の正確な測定を期していた。出力電圧VOUTが入力電圧VINよりも低いときは負荷電流も小さいなどの事情に応じて、出力スイッチOSを省略することもできる。
<実施の形態2>
図7は、実施の形態2によるDC−DCコンバータ1Bの構成を示すブロック図である。図7のDC−DCコンバータ1Bは、入力コンデンサCinと直列に設けられたスイッチ部7を含む点で、図2のDC−DCコンバータ1Aと異なる。
図7は、実施の形態2によるDC−DCコンバータ1Bの構成を示すブロック図である。図7のDC−DCコンバータ1Bは、入力コンデンサCinと直列に設けられたスイッチ部7を含む点で、図2のDC−DCコンバータ1Aと異なる。
スイッチ部7は、入力コンデンサCinと接地ノードGNDとの間に接続されたNMOSトランジスタであるスイッチトランジスタCSと、遅延回路Dとを含む。スイッチトランジスタCSのゲートには、遅延回路Dを介してBRKDCB信号が入力される。遅延回路Dは例えば抵抗であっても、スイッチトランジスタCSの入力容量と合わせて遅延回路となり得る。スイッチトランジスタCSおよび遅延回路Dは、図1の集積回路8の外付け部品としてもよいし、いずれか一方または両方を集積回路8に内蔵してもよい。
遅延回路Dは、サンプルホールド回路SHが直流電源Cellの無負荷電圧を検出するタイミングよりも、スイッチトランジスタCSのターンオンのタイミングを遅らせるために設けられている。したがって、DC−DCコンバータ1のBRKDCB信号の入力段の閾値電圧よりもスイッチトランジスタCSの閾値の方が高ければ、実際には遅延回路Dが無くても必要なターンオンのタイミングの遅延が得られる。より一般的に言えば、スイッチ部7は、電圧モニタ期間が開始されると非導通状態になり、サンプルホールド回路SHによって直流電源Cellの無負荷電圧が検出された後に導通状態になるように構成される。
図7のその他の構成は、図2と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
次に図7のDC−DCコンバータ1Bの動作について説明する。MPPT制御を行わないモードではスイッチトランジスタCSが常時ONである。したがって、図2のDC−DCコンバータ1Aの動作と同じになるので、説明を繰り返さない。
MPPT制御モード時には、HレベルのMPPT信号が入力される。これによりサンプルホールド回路SHおよび比較器CMP1は活性状態となる。LレベルのBRKDCB信号が与えられると、スイッチトランジスタCSは遅延回路Dに応じた遅延時間の後、OFFする。これにより、ANDゲートAG1の出力がLレベルとなって、ローサイドスイッチLSがOFFする。さらに、出力スイッチ制御回路SCが出力スイッチOSをOFFさせる。この結果、インダクタLの蓄積エネルギーがハイサイドスイッチHSを通じて出力コンデンサCout側に転送され終わると、インダクタLの電流が止まる。こうして昇圧動作が休止する。低下していた入力電圧VINが上昇する際、入力コンデンサCinに電流が流れ込むが、時間の結果と共に直流電源Cellの負荷電流がほぼなくなる。
サンプルホールド回路SHはBRKDCB信号がLレベルである間(電圧モニタ期間)、入力電圧VINを0.8倍した電圧を出力する動作を行っている。次にHレベルのBRKDCB信号が与えられると、サンプルホールド回路SHの出力はBRKDCB信号がHレベルに切り替わる瞬間の出力電圧を維持する。スイッチトランジスタCSは遅延回路Dによる遅延時間の後ONするため、サンプルホールド回路SHの出力電圧は、スイッチトランジスタCSがONする前である直流電源Cell無負荷時の電圧の0.8倍を保持することになる。
その後の動作は、図2のDC−DCコンバータ1Aの場合と同じである。すなわち、ANDゲートAG1は、定電圧制御回路Pの出力と比較器CMP1の出力との論理積を出力する。ローサイドスイッチLSはANDゲートAG1の出力の論理レベルがHレベルならばONし、LレベルならばOFFする。
比較器CMP1はサンプルホールド回路SHの出力電圧と入力電圧VINとを比較し、入力電圧VINのほうが高ければHレベルを、入力電圧VINのほうが低ければLレベルを出力する。比較器CMP1の出力がHレベルであれば、DC−DCコンバータ1Bは定電圧制御回路Pによって出力電圧の制御を行なう。比較器CMP1の出力がLレベルであれば定電圧制御回路Pの出力の論理レベルによらず、ローサイドスイッチLSはOFFし、昇圧動作が休止する。昇圧動作が休止すると直流電源Cellの負荷電流が減少して入力電圧VINが上昇するので、比較器CMP1の出力は再びHレベルとなって定電圧制御回路Pの出力信号による昇圧動作が再開する。
[実施の形態2の効果]
実施の形態2によれば、スイッチトランジスタCSを設けたのでMPPT制御において、直流電源Cellの無負荷電圧を測定する際、直流電源Cellが入力コンデンサCinに充電する必要がないため、無負荷電圧測定に必要な時間すなわちBRKDCB信号がLレベルとなるパルス幅が短くなる。言い換えると、本実施の形態では入力コンデンサCinの容量値を、直流電源Cellの無負荷電圧を測定するための休止時間の長期化とリップル減少による昇圧効率向上とのトレードオフによって決める必要がなくなる。この結果、実施の形態1の場合に比べてさらにMPPT制御時の効率を改善することができる。
実施の形態2によれば、スイッチトランジスタCSを設けたのでMPPT制御において、直流電源Cellの無負荷電圧を測定する際、直流電源Cellが入力コンデンサCinに充電する必要がないため、無負荷電圧測定に必要な時間すなわちBRKDCB信号がLレベルとなるパルス幅が短くなる。言い換えると、本実施の形態では入力コンデンサCinの容量値を、直流電源Cellの無負荷電圧を測定するための休止時間の長期化とリップル減少による昇圧効率向上とのトレードオフによって決める必要がなくなる。この結果、実施の形態1の場合に比べてさらにMPPT制御時の効率を改善することができる。
<実施の形態3>
図8は、実施の形態3によるDC−DCコンバータ1Cの構成を示すブロック図である。
図8は、実施の形態3によるDC−DCコンバータ1Cの構成を示すブロック図である。
図8を参照して、DC−DCコンバータ1Cは、直流電源Cellからの入力電圧VINを2個の変換部3X,3Yを用いて昇圧し、昇圧された電圧を出力ノードNOUTXおよび出力ノードNOUTYからそれぞれ独立の出力電圧VOUTX,VOUTYとして出力するMPPT制御のシステムである。
すなわち、DC−DCコンバータ1Cは、直流電源Cellが接続される入力ノードNINと、第1および第2の負荷2X,2Yにそれぞれ接続される第1および第2の出力ノードNOUTX,NOUTYと、第1および第2の変換部3X,3Yと、第1および第2の変換制御部4X,4Yと、入力コンデンサCinと、スイッチ部7とを含む。図8では、負荷2X,2Yとしてそれぞれ負荷容量CLX,CLYが示されている。
変換部3Xは、入力ノードNINの電圧VIN(入力電圧VINとも称する)をDC−DC変換することによって変換電圧VOUTX(出力電圧VOUTX)を生成し、生成した変換電圧VOUTXを出力ノードNOUTXに出力する。変換部3Yは、入力ノードNINの電圧VIN(入力電圧VINとも称する)をDC−DC変換することによって変換電圧VOUTY(出力電圧VOUTY)を生成し、生成した変換電圧VOUTYを出力ノードNOUTYに出力する。
変換制御部4Xは、変換部3Xの動作を制御することによって、出力電圧VOUTXの大きさを調整する。変換制御部4Yは、変換部3Yの動作を制御することによって、出力電圧VOUTXの大きさを調整する。
変換部3X,3Yの構成は、図2の変換部3の構成と同じである。図8では、図2の参照符号の末尾にXまたはYを付すことによって、変換部3Xと変換部3Yとを区別している。同様に、変換制御部4X,4Yの構成は、図2の変換制御部4の構成と同じである。図8では、図2の参照符号の末尾にXまたはYを付すことによって、変換制御部4Xと変換制御部4Yとを区別している。
変換制御部4XはMPPT制御を行なうが、変換制御部4YはMPPT制御を行なわない。すなわち、変換制御部4Xに入力されるMPPTX信号は、システム制御部6によってHレベルに設定されるが、変換制御部4Yに入力されるMPPTY信号はLレベル(“0”)に固定されている。これにより、出力ノードNOUTXの電圧維持よりも出力ノードNOUTYの電圧維持が優先される。たとえば、出力ノードNOUTYには、比較的消費電流の少ない論理回路が接続され、出力ノードNOUTXには、比較的に消費電流の多い二次電池などが接続される。
変換部3Xおよび変換制御部4Xによる出力電圧VOUTXの昇圧動作は、実施の形態2の場合と同一であり、タイミング図は図6と同じになる。
変換部3Yおよび変換制御部4Yによる出力電圧VOUTYの昇圧動作では、MPPT制御を行わない。ただし、BRKDCB信号がLレベルとなる電圧モニタ期間では、直流電源Cellの無負荷電圧を正確に測定するために、変換制御部4Yは、LレベルのBRKDCB信号に応答して、直流電源Cellからの電流が変換部3Yを介して流れないように変換部3Yを制御する。
負荷2Xに対して直流電源Cellの供給電力が不足したとき、変換制御部4X,4Yは、変換部3Yの昇圧動作は維持されたまま、変換部3Xの昇圧動作を抑止することで出力ノードNOUTYに流れる負荷電流を減少させる。これによって、直流電源Cellが最大供給能力となる動作点で、出力電圧VOUTXの低下が止まるように動作する。したがって、DC−DCコンバータ1Cは、出力ノードNOUTYに接続される負荷2Yが十分軽い場合に有効なシステムである。
上記の説明では、変換制御部4Xと変換制御部4Yは同一構成として説明したが、変換制御部4Yは、MPPT制御を行なわないので、サンプルホールド回路SHYおよび比較器CMP1Yを備えていないものであってもよい。
なお、図8のDC−DCコンバータ1Cでは、図7のDC−DCコンバータ1Bと同様に、スイッチ部7(スイッチトランジスタCSおよび遅延回路D)を備えたものについて説明した。図2のDC−DCコンバータ1Aと同様にスイッチ部7を備えていなくても、電圧モニタ期間を長めに設定しなければならない点を除いて、同様の効果を奏する。
<実施の形態4>
[DC−DCコンバータ1Dの構成]
図9は、実施の形態4によるDC−DCコンバータ1Dの構成を示すブロック図である。
[DC−DCコンバータ1Dの構成]
図9は、実施の形態4によるDC−DCコンバータ1Dの構成を示すブロック図である。
図9を参照して、DC−DCコンバータ1Dは、直流電源Cellからの入力電圧VINを昇圧し、昇圧した電圧を出力ノードNOUTXおよび出力ノードNOUTYからそれぞれ独立の出力電圧VOUTXおよびVOUTYとして出力する昇圧型のDC−DCコンバータ回路である。ただし、実施の形態3の場合と異なり、DC−DCコンバータ1Dでは、1個のインダクタLを共用するSIMO(Single Inductor Multiple Output)技術が用いられている。
DC−DCコンバータ1Dは、直流電源Cellが接続される入力ノードNINと、第1および第2の負荷2X,2Y(負荷容量CLX,CLY)がそれぞれ接続される第1および第2の出力ノードNOUTX,NOUTYと、変換部3Aと、変換制御部4Aと、入力コンデンサCinと、スイッチ部7とを含む。
変換部3Aは、第1の変換期間に、入力ノードNINの電圧VINをDC−DC変換して第1の変換電圧VOUTX(出力電圧VOUTX)を生成し、生成した第1の変換電圧VOUTXを第1の出力ノードVOUTXに出力する。変換部3Aは、さらに、第2の変換期間に、入力ノードNINの電圧VINをDC−DC変換して第2の変換電圧VOUTY(出力電圧VOUTY)を生成し、生成した第2の変換電圧VOUTYを第2の出力ノードNOUTYに出力する。
変換制御部4Aは、変換部3Aの動作を制御する。変換制御部4Aは、第1の変換期間には第2の変換電圧VOUTXの生成および出力を停止し、第2の変換期間には第1の変換電圧VOUTXの生成および出力を停止する。さらに、変換制御部4Aは、MPPT制御モード時において、電圧モニタ期間には、第1および第2の変換電圧VOUTX,VOUTYの生成および出力を停止する。
具体的に、変換部3Aは、インダクタLと、ローサイドスイッチLSとしてのNMOSトランジスタと、ハイサイドスイッチHSX,HXYとしての2個のPMOSトランジスタと、出力スイッチOSX,OSYとしての2個のPMOSトランジスタと、出力コンデンサCoutX,CoutYとを含む。
インダクタLは、入力ノードNINに一端が接続される。ローサイドスイッチLSは、入力ノードNINと接地ノードGNDとの間にインダクタLと直列に接続される。第1のハイサイドスイッチHSXは、インダクタLとローサイドスイッチLSとの接続ノードNCNに一端が接続される。第1の出力スイッチOSXは、第1のハイサイドスイッチHSXの他端と第1の出力ノードNOUTXとの間に接続される。第2のハイサイドスイッチHSYは、インダクタLとローサイドスイッチLSとの接続ノードNCNに一端が接続される。第2の出力スイッチOSYは、第2のハイサイドスイッチHSYの他端と第2の出力ノードNOUTYとの間に接続される。出力コンデンサCoutXは、ハイサイドスイッチHSXと出力スイッチOSXとの接続ノードDNOUTXと接地ノードGNDとの間に接続される。出力コンデンサCoutYは、ハイサイドスイッチHSYと出力スイッチOSYとの接続ノードDNOUTYと接地ノードGNDとの間に接続される。
変換制御部4Aは、サンプルホールド回路SHと、比較器CMP1と、スイッチング制御回路5Aとを含む。スイッチング制御回路5Aは、定電圧制御回路PAと、ANDゲートAG1と、同期整流制御回路SYNと、出力スイッチ制御回路SCとを含む。これらの構成要素のうち、サンプルホールド回路SH、比較器CMP1、およびANDゲートAG1の構成および動作は、実施の形態1の図1、図2で説明したものと同様であるので説明を繰り返さない。
定電圧制御回路PAは、図9の場合、PFM方式の電圧モード制御によってローサイドスイッチLSのスイッチングを制御する。具体的に、定電圧制御回路PAは、ハイサイドスイッチHSXと出力ノードNOUTXとの接続ノードDNOUTXの電圧DVOUTXと、ハイサイドスイッチHSYと出力ノードNOUTYとの接続ノードDNOUTYの電圧DVOUTYとを受ける。定電圧制御回路PAは、第1の変換期間には、電圧DVOUTXが第1の目標電圧以下のときに所定の第1のデューティ比のパルス信号を出力し、電圧DVOUTXが第1の目標電圧を超えたときにはLレベルの信号を出力する。定電圧制御回路PAは、第2の変換期間には、電圧DVOUTYが第2の目標電圧以下のときに所定の第2のデューティ比のパルス信号を出力し、電圧DVOUTYが第2の目標電圧を超えたときにはLレベルの信号を出力する。ここで、第1の目標電圧と第2の目標電圧とは、通常、異なる値に設定される。第1のデューティ比は第1の目標電圧に応じて定められ、第2のデューティ比は第2の目標電圧に応じて定められる。第1および第2のデューティ比を同じ値に設定してもよく、この場合は、高いほうの目標電圧に応じて定められる。
なお、電圧DVOUTX,DVOUTYに代えて、出力電圧VOUTX,VOUTYに基づいてローサイドスイッチLSのON/OFFを制御するようにしてもよい。DC−DC変換の方式は、上記の例には限られず、PWM方式であってもよいし、電流モード制御であってもよい。
同期整流制御回路SYNは、定電圧制御回路PAからの制御信号に基づいて、ハイサイドスイッチHSX,HSYのON/OFFを制御する。具体的に、同期整流制御回路SYNは、第1の変換期間には、ハイサイドスイッチHSYを常時OFF状態にし、ハイサイドスイッチHSXを、ローサイドスイッチLSがON状態のときにOFF状態にし、ローサイドスイッチLSがOFF状態のときON状態にする。同期整流制御回路SYNは、第2の変換期間には、ハイサイドスイッチHSXを常時OFF状態にし、ハイサイドスイッチHSYを、ローサイドスイッチLSがON状態のときにOFF状態にし、ローサイドスイッチLSがOFF状態のときON状態にする。
出力スイッチ制御回路SCは、BRKDCB信号がLレベルの場合(電圧モニタ期間)に、Hレベルの信号を出力することによって出力スイッチOSX,OSYをOFF状態にする。出力スイッチ制御回路SCは、電圧モニタ期間以外には、Lレベルの信号を出力することによって出力スイッチOSX,OSYをオン状態にする。
なお、実施の形態1で説明したように、出力スイッチ制御回路SCは、入力電圧VINが低くて昇圧動作が行われない場合に出力ノードNOUTから電流が逆流しないように出力スイッチOSX,OSYをオフさせる。あるいは、出力スイッチ制御回路SCは、負荷容量CLの電荷がほぼ0である昇圧開始時に、DC−DCコンバータ1Dの内部回路用電源電圧を早く上昇させたい場合などに出力スイッチOSX,OSYをオフするようにしてもよい。
[DC−DCコンバータ1Dの動作]
図10は、MPPT制御を行なわない場合における図9のDC−DCコンバータ1Dの動作を示すタイミング図である。
図10は、MPPT制御を行なわない場合における図9のDC−DCコンバータ1Dの動作を示すタイミング図である。
まず、MPPT制御の不使用時の動作例について図9、図10を用いて説明する。図10に示す例では、第1の出力電圧VOUTXの昇圧よりも第2の出力電圧VOUTYの昇圧を優先している。
非MPPT制御モードの場合には、入力コンデンサCinは直接接地ノードGNDに接続したのと同じであり、スイッチ部7(遅延回路D、スイッチトランジスタCS)は省略可能である。DC−DCコンバータ1Dは、通常のSIMO技術のDC−DCコンバータとして動作する。
MPPT信号がLレベルなのでサンプルホールド回路SHと比較器CMP1はディスエーブル状態で、比較器CMP1の出力はHレベルである。定電圧制御回路PAの出力信号はANDゲートAG1を介してローサイドスイッチLSのゲートにそのまま伝わり昇圧動作が行われる。
出力電圧VOUTYの昇圧を優先するので、昇圧初期(時刻t1)は、ハイサイドスイッチHSXはOFF状態が続くように同期整流制御回路SYNによって制御される(すなわち、上記の第2の変換期間)。このとき、ハイサイドスイッチHSYは同期整流制御回路SYNによって出力ノードNOUTYが整流ダイオードのカソード側となるような制御が行われる。
時刻t2で出力電圧VOUTYが目標電圧に到達すると、VOUTXの昇圧が始まる(すなわち、上記の第1の変換期間、図10の時刻t3)。ハイサイドスイッチHSXは同期整流制御回路SYNによって出力ノードNOUTXが整流ダイオードのカソード側となるような制御が行われる。同期整流制御回路SYNは出力電圧VOUTYを維持する程度に、ハイサイドスイッチHSXのON時間を少し削ってハイサイドスイッチHSYのON時間に割り当てる(すなわち、大部分は第1の変換期間であるが、一部が第2の変換期間となる)。
やがて出力電圧VOUTXも目標電圧に到達すると(時刻t4)、DC−DCコンバータ1Dの入力電流が減少するので、直流電源Cellからの入力電圧VINが上昇してくる。
図11は、MPPT制御モード時における図9のDC−DCコンバータ1Dの動作を示すタイミング図である。
次にMPPT制御モード時の動作について、図9、図11を参照して説明する。MPPT制御モード時では、負荷2X,2Yに対して直流電源Cellの供給電力が不足し、入力電圧VINがCellの無負荷電圧の約0.8倍以下となったとき、比較器CMP1出力がLレベルとなる。これにより、ローサイドスイッチLSは定電圧制御回路PAの出力レベルによらずOFFとなり、昇圧動作は入力電圧VINの回復まで行われなくなる。
BRKDCB信号がLレベルのときは(時刻t1〜t2、時刻t5〜t6、時刻t8〜t9)、直流電源Cellの無負荷電圧を取得するため、昇圧動作が行われない。したがって昇圧動作のためにローサイドスイッチLSが定電圧制御回路Pの信号を受けて開閉を行うのは、BRKDCB信号がHレベルでありかつ比較器CMP1の出力がHレベルのときである。
出力電圧VOUTXの昇圧よりも出力電圧VノードNOUTYの昇圧の優先度を高くしているので、昇圧開始時には、ハイサイドスイッチHSYが整流動作を行って電圧DVOUTYおよび出力電圧VOUTYの昇圧が行われる。その間、ハイサイドスイッチHSXはOFF状態のままである。
BRKDCB信号がLレベルとなる電圧モニタ期間(時刻t1〜t2、時刻t5〜t6、時刻t8〜t9)では、出力スイッチ制御回路SCの制御によって出力スイッチOSX、OSYがOFFし、直流電源Cellからの負荷電流が流れないようにしている。なお、この電圧モニタ期間は、スイッチトランジスタCSがOFF状態になることで入力コンデンサCinの充電経路が遮断される。これによってスイッチトランジスタCS、遅延回路Dを設けない場合よりも電圧モニタ期間を短く設定できる。
電圧DVOUTYおよび出力電圧VOUTYが目標電圧に達すると(時刻t4)、電圧DVOUTXおよび出力電圧VOUTXの昇圧が開始される。負荷2Yによって出力電圧VOUTYが低下しないように、同期整流制御回路SYNは、出力電圧VOUTYが維持される程度に、ハイサイドスイッチHSXのON時間を少し削ってハイサイドスイッチHSYのON時間に割り当てる。
以上の構成および動作によって、SIMO方式DC−DCコンバータにおいて、実施の形態1,2の場合と同様のMPPT制御を実現することができる。
また、図9を少し変形して実施例の形態3同様、VOUTX側のMPPT制御のみ行い、VOUTY側のMPPT制御を行わなくすることができる。このためには比較器CMP1の出力をNANDゲートAG1でなく、定電圧制御回路PAに入力する。定電圧制御回路PAは入力電圧VINがCellの無負荷電圧の約0.8倍以下となったとき、ハイサイドスイッチHSXがOFFとなり、VOUTXの昇圧動作が入力電圧VINの回復まで行われなくするように、同期整流回路SYNを制御し、さらにローサイドスイッチLSを制御する。一方、VOUTYの昇圧は入力電圧VINが無負荷電圧の約0.8倍以下か否かによらず、継続するように同期整流回路SYNとローサイドスイッチLSを制御する。なお、BRKDCB信号がLレベルとなる無負荷時VIN入力電圧モニタ期間はVOUTX、VOUTY側とも昇圧動作を行わない。
[変形例]
実施の形態4では、出力スイッチ制御回路SCは、BRKDCB信号がLレベルとなる電圧モニタ期間では、出力スイッチOSX,OSYをオフ状態にしていた。これに代えて、ハイサイドスイッチHSX,HSYをオフ状態にするように制御してもよい。より一般的に言えば、スイッチング制御回路5Aは、電圧モニタ期間には、ハイサイドスイッチHSXおよび出力スイッチOSXの少なくとも一方をオフ状態にするとともに、ハイサイドスイッチHSYおよび出力スイッチOSYの少なくとも一方をオフ状態にする。
実施の形態4では、出力スイッチ制御回路SCは、BRKDCB信号がLレベルとなる電圧モニタ期間では、出力スイッチOSX,OSYをオフ状態にしていた。これに代えて、ハイサイドスイッチHSX,HSYをオフ状態にするように制御してもよい。より一般的に言えば、スイッチング制御回路5Aは、電圧モニタ期間には、ハイサイドスイッチHSXおよび出力スイッチOSXの少なくとも一方をオフ状態にするとともに、ハイサイドスイッチHSYおよび出力スイッチOSYの少なくとも一方をオフ状態にする。
なお、図9のDC−DCコンバータ1Dでは、図7のDC−DCコンバータ1Bと同様に、スイッチ部7(スイッチトランジスタCSおよび遅延回路D)を備えたものについて説明した。図2のDC−DCコンバータ1Aと同様にスイッチ部7を備えていなくても、電圧モニタ期間を長めに設定しなければならない点を除いて、同様の効果を奏する。
<実施の形態5>
図12は、実施の形態5によるDC−DCコンバータ1Eの構成を示すブロック図である。実施の形態5では、DC−DCコンバータ1Eとして非絶縁型の降圧コンバータ(降圧チョッパ)を例示する。
図12は、実施の形態5によるDC−DCコンバータ1Eの構成を示すブロック図である。実施の形態5では、DC−DCコンバータ1Eとして非絶縁型の降圧コンバータ(降圧チョッパ)を例示する。
図12を参照して、DC−DCコンバータ1Eは、直流電源Cellが接続される入力ノードNINと、負荷が接続される出力ノードNOUTと、降圧型のDC−DC変換を行なう変換部3Bと、変換部3Bの動作を制御する変換制御部4Bと、入力コンデンサCinと、スイッチ部7とを含む。
具体的には、変換部3Bは、ハイサイドスイッチHSとしてのPMOSトランジスタと、ローサイドスイッチLSとしてのダイオードと、インダクタLと、出力コンデンサCoutとを含む。
ハイサイドスイッチHSの一端は、入力ノードNINに接続される。ローサイドスイッチLSは、入力ノードNINと接地ノードGNDとの間に、ハイサイドスイッチHSと直列に接続される。ローサイドスイッチLSを構成するダイオードのアノードが接地ノードGNDに接続される。インダクタLは、ハイサイドスイッチHSとローサイドスイッチLSとの接続ノードNCNと、出力ノードNOUTとの間に接続される。出力コンデンサCoutは、出力ノードNOUTと接地ノードGNDとの間に接続される。
変換制御部4Bは、サンプルホールド回路SHと、比較器CMP1と、スイッチング制御回路5Bとを含む。スイッチング制御回路5Bは、定電圧制御回路Pと、NANDゲートNAG1とを含む。これらの構成要素のうち、サンプルホールド回路SHおよび比較器CMP1の構成および動作は、実施の形態1の図1、図2で説明したものと同様であるので説明を繰り返さない。
定電圧制御回路Pは、図12の場合、PFM方式の電圧モード制御によってハイサイドスイッチHSのスイッチングを制御する。具体的に、定電圧制御回路Pは出力電圧VOUTを受ける。定電圧制御回路Pは、出力電圧VOUTが目標電圧以下のときは所定のデューティ比のパルス信号を出力し、出力電圧VOUTが目標電圧を超えたときにはLレベルの信号を出力する。上記のデューティ比は、目標電圧に応じて定められる。なお、DC−DC変換の方式は、上記の例には限られず、PWM方式であってもよいし、電流モード制御であってもよい。
NANDゲートNAGは、比較器CMP1の出力信号と、BRKDCB信号と、定電圧制御回路Pの出力信号とを受ける。ANDゲートAG1は、これらの信号の論理積の否定を、ハイサイドスイッチHSを構成するPMOSトランジスタのゲートに入力する。したがって、BRKDCB信号がHレベルでありかつ比較器CMP1の出力信号がHレベルの場合には、ハイサイドスイッチHSは、定電圧制御回路Pの出力信号に応じてON状態またはOFF状態に切替わる。BRKDCB信号がLレベルの場合(電圧モニタ期間)には、ハイサイドスイッチHSはOFF状態になる。比較器CMP1の出力信号がLレベルの場合(入力電圧VINが閾値電圧以下の場合)にも、ハイサイドスイッチHSはOFF状態になる。
図12に示す降圧タイプでは、ハイサイドスイッチHSをOFFすると入力ノードNINと出力ノードNOUT間の接続が切れるため、入力電源を無負荷状態にする目的での出力スイッチは不要である。
以上の構成によって、降圧タイプのDC−DCコンバータ1Eにおいて、実施の形態1,2の場合と同様のMPPT制御を実現することができる。
なお、ローサイドスイッチLSは、ダイオードに代えてNMOSトランジスタなどの半導体トランジスタであってもよい。この場合、ローサイドスイッチLSを構成するトランジスタは、ハイサイドスイッチHSがON状態のときOFF状態となり、ハイサイドスイッチHSがOFF状態のときON状態になるように、スイッチング制御回路5Bによって制御される。
図12のDC−DCコンバータ1Eでは、図7のDC−DCコンバータ1Bと同様に、スイッチ部7(スイッチトランジスタCSおよび遅延回路D)を備えたものについて説明した。図2のDC−DCコンバータ1Aと同様にスイッチ部7を備えていなくても、電圧モニタ期間を長めに設定しなければならない点を除いて、同様の効果を奏する。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
1,1A〜1E DC−DCコンバータ、2,2X,2Y 負荷、3,3A,3B,3X,3Y 変換部、4,4A,4B,4X,4X 変換制御部、5,5A,5B スイッチング制御回路、6 システム制御部、7 スイッチ部、8 集積回路、CL,CLX,CLY 負荷容量、CMP1,CMP2 比較器、CS スイッチトランジスタ、Cell 直流電源、Cout,CoutX,CoutY 出力コンデンサ、D 遅延回路、GND 接地ノード、HS,HSX,HSY ハイサイドスイッチ、L インダクタ、LS ローサイドスイッチ、MPPT,BRKDCB 制御信号、NIN 入力ノード、NOUT,NOUTX,NOUTY 出力ノード、OS,OSX,OSY 出力スイッチ、P,PA 定電圧制御回路、SC 出力スイッチ制御回路、SH サンプルホールド回路、SYN 同期整流制御回路、VIN 入力電圧、VOUT,VOUTX,VOUTY 出力電圧(変換電圧)。
Claims (9)
- 直流電源に接続される入力ノードと、
第1の負荷に接続される第1の出力ノードと、
前記入力ノードの電圧を変換して第1の変換電圧を生成し、生成した前記第1の変換電圧を前記第1の出力ノードに出力する第1の変換部と、
前記第1の変換部の動作を制御することによって前記第1の変換電圧の大きさを調整する第1の制御部とを備え、
前記第1の制御部は、入力電圧制御モードのとき、前記入力ノードの電圧が設定された閾値電圧以下にならないように前記第1の変換部の動作を制御し、
前記第1の制御部は、前記入力電圧制御モードのときに電圧モニタ期間を定期的に設け、各前記電圧モニタ期間では、前記直流電源から前記第1の変換部を介して電流が流れないようにしたときの前記入力ノードの電圧を無負荷電圧として検出し、
前記第1の制御部は、直前の前記電圧モニタ期間のときに検出された前記無負荷電圧に所定の比率を乗じた電圧値を前記閾値電圧に設定する、DC−DCコンバータ。 - 前記第1の制御部は、
前記電圧モニタ期間ごとに前記無負荷電圧を検出して保持するサンプルホールド回路と、
前記サンプルホールド回路に保持された前記無負荷電圧に前記所定の比率を乗じた電圧値と、前記入力ノードの電圧とを比較する比較器とを含み、
前記第1の制御部は、前記入力電圧制御モードのときには、前記比較器の比較結果に応じて前記第1の変換部の動作を制御する請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記サンプルホールド回路および前記比較器に供給される電源電圧は、前記入力電圧制御モードでないときに遮断される、請求項2に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記入力ノードと接地ノードとの間に接続された入力コンデンサと、
前記入力コンデンサと直列に接続されたスイッチとをさらに備え、
前記スイッチは、前記電圧モニタ期間が開始されると非導通状態になり、前記第1の制御部によって前記無負荷電圧が検出された後に導通状態になる、請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 - 第2の負荷に接続される第2の出力ノードと、
前記入力ノードと前記第2の出力ノードとの間に接続され、前記入力ノードの電圧を変換して第2の変換電圧を生成し、生成した前記第2の変換電圧を前記第2の出力ノードに出力する第2の変換部と、
前記第2の変換部の動作を制御することによって前記第2の変換電圧の大きさを調整する第2の制御部とをさらに備え、
前記第2の制御部は、前記電圧モニタ期間のとき、前記直流電源から前記第2の変換部を介して電流が流れないようにする、請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記第1の変換部は、
前記入力ノードに一端が接続されるインダクタと、
前記入力ノードと接地ノードとの間に、前記インダクタと直列に接続された第1の半導体素子と、
前記インダクタと前記第1の半導体素子との接続ノードに一端が接続された第2の半導体素子と、
前記第2の半導体素子の他端と前記第1の出力ノードとの間に接続された第3の半導体素子とを含み、
前記第1の制御部は、前記第1の出力ノードの電圧または前記第2および第3の半導体素子間の接続ノードの電圧に応じて、前記第1の半導体素子を導通状態または非導通状態に切替え、
前記第2の半導体素子は、前記第1の半導体素子が導通状態のとき非導通状態になり、
前記第1の制御部は、前記電圧モニタ期間には、前記第1の半導体素子を非導通状態にし、前記第2および第3の半導体素子の少なくとも一方を非導通状態にし、
前記第1の制御部は、前記入力電圧制御モードの場合には、前記入力ノードの電圧が前記閾値電圧以下のときに、前記第1の半導体素子を非導通状態にする、請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記DC−DCコンバータは、第2の負荷に接続された第2の出力ノードをさらに備え、
前記第1の変換部は、第1の変換期間に、前記入力ノードの電圧を変換して第1の変換電圧を生成し、生成した前記第1の変換電圧を前記第1の出力ノードに出力し、
前記第1の変換部は、第2の変換期間に、前記入力ノードの電圧を変換して第2の変換電圧を生成し、生成した前記第2の変換電圧を前記第2の出力ノードに出力し、
前記第1の変換部は、前記電圧モニタ期間には、前記第1および第2の変換電圧の生成および出力を停止する、請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記第1の変換部は、
前記入力ノードに一端が接続されるインダクタと、
前記入力ノードと接地ノードとの間に前記インダクタと直列に接続された第1の半導体素子と、
前記インダクタと前記第1の半導体素子との接続ノードに一端が接続された第2の半導体素子と、
前記第2の半導体素子の他端と前記第1の出力ノードとの間に接続された第3の半導体素子と、
前記インダクタと前記第1の半導体素子との接続ノードに一端が接続された第4の半導体素子と、
前記第4の半導体素子の他端と前記第2の出力ノードとの間に接続された第5の半導体素子とを含み、
前記第1の制御部は、前記第1の変換期間には、前記第1の出力ノードの電圧または前記第2および第3の半導体素子間の接続ノードの電圧に応じて、前記第1の半導体素子を導通状態または非導通状態に切替え、
前記第1の制御部は、前記第2の変換期間には、前記第2の出力ノードの電圧または前記第4および第5の半導体素子間の接続ノードの電圧に応じて、前記第1の半導体素子を導通状態または非導通状態に切替え、
前記第1の制御部は、前記第1の変換期間には、前記第4の半導体素子を非導通状態にするとともに、前記第1の半導体素子を導通状態にしたとき前記第2の半導体素子を非導通状態にし、
前記第1の制御部は、前記第2の変換期間には、前記第2の半導体素子を非導通状態にするとともに、前記第1の半導体素子を導通状態にしたとき前記第4の半導体素子を非導通状態にし、
前記第1の制御部は、前記電圧モニタ期間には、前記第1の半導体素子を非導通状態にし、前記第2および第3の半導体素子の少なくとも一方を非導通状態にし、前記第4および第5の半導体素子の少なくとも一方を非導通状態にし、
前記第1の制御部は、前記入力電圧制御モードに設定されている場合には、前記入力ノードの電圧が前記閾値電圧以下のときに、前記第1の半導体素子を非導通状態にする、請求項7に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記第1の変換部は、
前記入力ノードに一端が接続される第1の半導体素子と、
前記入力ノードと接地ノードとの間に、前記第1の半導体素子と直列に接続された第2の半導体素子と、
前記第1および第2の半導体素子間の接続ノードと前記第1の出力ノードとの間に接続されたインダクタとを含み、
前記第1の制御部は、前記第1の出力ノードの電圧に応じて、前記第1の半導体素子を導通状態または非導通状態に切替え、
前記第2の半導体素子は、前記第1の半導体素子が導通状態のとき非導通状態になり、
前記第1の制御部は、前記電圧モニタ期間には、前記第1の半導体素子を非導通状態にし、
前記第1の制御部は、前記入力電圧制御モードの場合には、前記入力ノードの電圧が前記閾値電圧以下のときに、前記第1の半導体素子を非導通状態にする、請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013223340A (ja) * | 2012-04-17 | 2013-10-28 | Mitsubishi Electric Corp | 電力変換装置 |
JP2016181127A (ja) * | 2015-03-24 | 2016-10-13 | リズム時計工業株式会社 | Usb電源保護機能を有するusbファン装置 |
JP2016207139A (ja) * | 2015-04-28 | 2016-12-08 | リズム時計工業株式会社 | Usb電源の実力値チェックシステム |
JP2019004640A (ja) * | 2017-06-16 | 2019-01-10 | エイブリック株式会社 | 電源装置 |
KR20190102354A (ko) * | 2018-02-26 | 2019-09-04 | 퍼스트실리콘 주식회사 | Hscd 및 이것을 이용한 hscd형 풀브릿지 dc/dc 컨버터와 분산형 전력최적화기 |
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2012
- 2012-04-02 JP JP2012083783A patent/JP2013215034A/ja active Pending
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