JP2016052236A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタ電流における放射ノイズを低減しながら、インダクタの小型化を実現する。
【解決手段】昇圧電源装置は、例えば自動車などに搭載されるＥＣＵに設けられる。昇圧電源装置は、昇圧用コイル、スイッチング素子、および電流制御部１６を有する。電流制御部１６は、昇圧用コイルに流れるインダクタ電流を、予め設定されたピーク設定電流にクランプするクランプ期間において、パルス信号ＳＰＬよりも高い周波数のクロック信号ＣＫ１を用いてスイッチング素子１２のオン、オフを制御し、クランプ期間以外は、パルス信号ＳＰＬを用いてスイッチング素子のオン、オフを制御する。このように、スイッチング素子のオン、オフを制御して昇圧用コイルに流れるインダクタ電流を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、車載用インジェクタなどに供給される高電圧を生成する昇圧電源装置に有効な技術に関する。

自動車などには、エンジンや電子機器などを制御する様々な電子制御装置、いわゆるＥＣＵ（Engine Control Unit）が搭載されている。例えば燃料室に燃料噴射を行うインジェクタを制御するＥＣＵには、該インジェクタに昇圧電源を供給する昇圧電源装置が搭載されている。昇圧電源装置は、自動車に搭載されたバッテリから供給される電源電圧を昇圧してインジェクタを動作させる昇圧電源を生成する。

この種の昇圧電源装置には、例えばバッテリから供給される電源電圧を、スイッチング素子によるスイッチング動作によって昇圧する昇圧用コイルが設けられている。昇圧用コイルは、スイッチング素子の通電によって昇圧用コイルに蓄積されたエネルギによって高出力電圧を発生させる。

また、昇圧電源装置は、例えば定電流制御方式などによって生成する出力電圧の制御が行われる。この定電流制御方式は、昇圧用コイルに流れるインダクタ電流の平均電流値が予め設定された電流設定値となるようにスイッチング素子のオン、オフ動作をするものである。

なお、この種の昇圧電源装置による電圧制御技術おいては、電流検出手段により各コンバータに流れる電流を一括で検出し、駆動解除手段により各コンバータのうち複数が駆動状態にある場合にはより長時間駆動状態にある駆動信号のみを解除することにより、安定した過電流動作を行うものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−２０７０６３号公報

近年、ＥＣＵにおいては、小型化などを実現するために、回路の面積削減が厳しく要求されている。そのため、昇圧電源装置を搭載するＥＣＵでは、回路面積の占有率の高い昇圧用コイル、すなわちインダクタの小型化の要求が非常に強いものとなっている。

ここで、インダクタの面積を削減、すなわちインダクタを小型化する技術としては、例えば下記の２つが考えられる。

１つは、インダクタのインダクタンスを削減することであり、もう１つは、インダクタに流れる電流を低減することである。

一方、ＥＣＵは、ＥＭＣ（ElectroMagnetic Compatibility）の観点から、昇圧電源装置などが放出する放射ノイズが、仕様を満たすことを要求されている。

昇圧電源装置における放射ノイズを低減させるためには、例えばスイッチ素子のスイッチング周波数を低減させることが考えられる。これにより、昇圧用コイルに流れるインダクタ電流の放射ノイズを低減することができる。

しかしながら、スイッチング周波数を小さくした場合、インダクタ電流の平均電流値を前述した設定電流値にするには、スイッチング素子のオン時間およびオフ時間を長くしなければならない。スイッチング素子のオン時間が長くなると、それに伴い、昇圧用コイルに流れるインダクタ電流のピーク電流値が大きくなってしまう。

インダクタ電流のピーク電流値が大きくなると、その電流値に見合った耐性能力を有するインダクタが必要となり、その結果、昇圧用コイルが大型化してしまうという問題がある。

また、スイッチング素子のスイッチング周波数を高くすれば、インダクタ電流のピーク電流値を小さくすることができるが、スイッチング周波数が高くなることによって、スイッチング素子が高速に動作し、インダクタ電流の放射ノイズが増加してしまい、要求される仕様を満たすことができない恐れが生じてしまう。

本発明の目的は、インダクタ電流における放射ノイズを低減しながら、インダクタの小型化を実現することのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴については、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。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、代表的な昇圧電源装置は、スイッチング素子と、昇圧用コイルと、電流制御部と、を有する。スイッチング素子は、直流電源に並列接続される。昇圧用コイルは、スイッチング素子のスイッチング動作によって直流電源を昇圧する。電流制御部は、第１のスイッチング信号および第１のスイッチング信号よりも高い周波数の第２のスイッチング信号によってスイッチング素子のオン、オフを制御して昇圧用コイルに流れるインダクタ電流を制御する。

また、電流制御部は、昇圧用コイルに流れるインダクタ電流を、予め設定されたピーク設定電流にクランプするクランプ期間において、第２のスイッチング信号を用いてスイッチング素子のオン、オフを制御し、クランプ期間以外の期間において、第１のスイッチング信号を用いてスイッチング素子のオン、オフを制御する。

特に、電流制御は、第１の信号生成部、第２の信号生成部、セレクタ、およびスイッチ制御部を有する。第１の信号生成部は、第１のスイッチング信号を生成する。第２の信号生成部は、第２のスイッチング信号を生成する。セレクタは、パルス切り換え信号に基づいて、第１の信号生成部が生成する第１のスイッチング信号または第２の信号生成部が生成する第２のスイッチング信号のいずれかをスイッチング素子に出力する。スイッチ制御部は、セレクタに出力するパルス切り換え信号を生成する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

放射ノイズを低減させながら、昇圧電源装置の小型化を実現することができる。

実施の形態１による昇圧電源装置における構成の一例を示す説明図である。 図１の昇圧電源装置に設けられた電流制御部における構成の一例を示す説明図である。 図２の電流制御部における動作の一例を示す信号タイミングの説明図である。 本発明者が検討した定電流制御方式の昇圧電源装置の構成例を示す説明図である。 図４の昇圧電源装置におけるインダクタ電流とスイッチング信号との信号波形の一例を示すタイミングチャートである。 実施の形態２による昇圧電源装置における構成の一例を示す説明図である。 図６の昇圧電源装置に設けられた電流制御部の構成の一例を示す説明図である。 図７の電流制御部における動作の一例を示す信号タイミングの説明図である。 実施の形態３による電流制御部における構成の一例を示す説明図である。 図９の電流制御部における動作の一例を示す信号タイミングの説明図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
以下、実施の形態を詳細に説明する。

〈昇圧電源装置の構成例〉
図１は、本実施の形態１による昇圧電源装置１０における構成の一例を示す説明図である。

昇圧電源装置１０は、例えば自動車に搭載されるＥＣＵに搭載される電源装置である。この場合、ＥＣＵは、例えばインジェクタの制御を司る。インジェクタは、燃料室に燃料を噴射する燃料噴射装置である。なお、ここでは、負荷の一例としてインジェクタを挙げているが、昇圧電源装置１０が電源を供給する負荷については、これに限定するものではない。昇圧電源装置１０は、動作電源としてバッテリＢＡＴよりも高い電圧の昇圧電源が必要な様々な電装品などを負荷とすればよい。

昇圧電源装置１０は、自動車に搭載されたバッテリＢＡＴの電源ＶＢから、負荷となるインジェクタに供給する高電圧電源ＶＢＯＯＳＴを生成する。昇圧電源装置１０は、図１に示すように、昇圧用コイル１１、スイッチング素子１２、コンデンサ１３、ダイオード１４、電圧制御部１５、および電流制御部１６を有する。

昇圧用コイル１１の一端には、例えば自動車などに搭載されるバッテリＢＡＴの正（＋）端子が接続されている。昇圧用コイル１１の他端には、ダイオード１４のアノードおよびスイッチング素子１２の一端がそれぞれ接続されている。スイッチング素子１２は、例えばＮチャネルＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）のトランジスタからなる。

ダイオード１４のカソードには、コンデンサ１３の一端が接続されている。このダイオード１４とコンデンサ１３との接続ノードは、昇圧電源装置１０の出力部となり、高電圧電源ＶＢＯＯＳＴが出力される。ここで、昇圧電源装置１０が生成する高電圧電源ＶＢＯＯＳＴの電圧値は、例えば６５Ｖ程度である。

高電圧電源ＶＢＯＯＳＴは、負荷となるインジェクタＩＪの動作電源として供給される。バッテリＢＡＴの負（−）端子には、スイッチング素子１２の他端、コンデンサ１３の他端がそれぞれ接続されている。

電圧制御部１５は、昇圧電源装置１０から出力される高電圧電源ＶＢＯＯＳＴの電圧レベルを監視して、該高電圧電源ＶＢＯＯＳＴが所望の電圧となるように電流制御部１６を制御する。

電流制御部１６の信号出力部には、スイッチング素子１２の制御端子が接続されている。電流制御部１６は、信号出力部からスイッチング信号を出力して、スイッチング素子１２のオン、オフ動作を制御し、昇圧用コイル１１に流れるインダクタ電流ＩＬの平均値である平均電流Ｉａが既定の電流値になるように制御する。

続いて、昇圧電源装置１０の動作について説明する。

電圧制御部１５は、昇圧電源装置１０から出力される高電圧電源ＶＢＯＯＳＴの電圧値が、予め設定されているしきい値電圧よりも低くなると、電流制御部１６の動作を開始させる制御信号ＣＮＴを出力する。

電流制御部１６は、電圧制御部１５から出力される制御信号ＣＮＴを受けてスイッチング信号ＳＳを出力する。このスイッチング信号ＳＳによって、スイッチング素子１２がオンすると、昇圧用コイル１１に電流が流れる。また、スイッチング素子１２がオフすると、通電により昇圧用コイル１１に蓄積されたエネルギによって、コンデンサ１３の両端に高出力電圧、すなわち高電圧電源ＶＢＯＯＳＴが発生する。

電圧制御部１５は、高電圧電源ＶＢＯＯＳＴの電圧値が、予め設定されているしきい値電圧よりも高くなると制御信号ＣＮＴを出力して、電流制御部１６の動作を停止させる。

〈電流制御部の構成例〉
図２は、図１の昇圧電源装置１０に設けられた電流制御部１６における構成の一例を示す説明図である。

電流制御部１６は、図２に示すように、クロック生成部２０、分周器２１、パルス設定部２２、パルス生成部２３、スイッチ制御部２４、およびセレクタ２５を有する。クロック生成部２０は、図１の電圧制御部１５から出力される制御信号ＣＮＴに基づいて、基本クロックを生成する。

第２の信号生成部となる分周器２１は、クロック生成部２０が生成した基本クロックを分周したクロック信号ＣＫ１を出力する。第１の信号生成部であるパルス生成部２３は、分周器２１が生成したクロック信号ＣＫ１を基準クロックとしてパルス信号ＳＰＬを生成する。クロック信号ＣＫ１は、第２のスイッチング信号となり、パルス信号ＳＰＬは、第１のスイッチング信号となる。

スイッチ制御部２４は、パルス設定部２２によって設定された周期毎にパルス切り換え信号ＰＳＳを出力する。スイッチ制御部２４には、分周器２１が生成するクロック信号ＣＫ１が入力され、設定された周期となると該クロック信号ＣＫ１の信号立ち上がりに同期してパルス切り換え信号ＰＳＳを出力する。

セレクタ２５には、分周器２１が生成するクロック信号ＣＫ１およびパルス生成部２３が生成するパルス信号ＳＰＬがそれぞれ入力されている。セレクタ２５には、スイッチ制御部２４から出力されるパルス切り換え信号ＰＳＳに基づいて、クロック信号ＣＫ１またはパルス信号ＳＰＬを選択して出力する。

このセレクタ２５から出力されるクロック信号ＣＫ１またはパルス信号ＳＰＬのいずれかが図１のスイッチング素子１２の制御端子に入力されるスイッチング信号ＳＳとなる。例えばスイッチ制御部２４から出力されるパルス切り換え信号ＰＳＳが、ハイ信号（Ｈｉ）となるとクロック信号ＣＫ１をスイッチング信号ＳＳとして出力し、該パルス切り換え信号ＰＳＳが、ロー信号（Ｌｏ）となるとパルス信号ＳＰＬをスイッチング信号ＳＳとして出力する。

クロック信号ＣＫ１は、昇圧用コイル１１に流れるインダクタ電流を、設定されたピーク設定電流程度の電流値にクランプする。ピーク設定電流は、昇圧用コイル１１に流れるインダクタ電流の最大値を設定する。

パルス設定部２２は、パルス設定制御信号ＰＣＳに基づいて、クロック信号ＣＫ１およびパルス信号ＳＰＬの周波数やデューティ比など設定する。また、パルス設定部２２は、パルス設定制御信号ＰＣＳに基づいて、スイッチ制御部２４のパルス切り換え信号ＰＳＳのタイミングなどを設定する。なお、パルス信号ＳＰＬは、シングルパルスであるので、その設定は、周波数やデューティ比ではなく、出力間隔や出力期間などを設定するようにしてもよい。

パルス設定制御信号ＰＣＳは、例えばＥＣＵに設けられる図示しないＣＰＵなどから出力される。このパルス設定制御信号ＰＣＳによって、クロック信号ＣＫ１やパルス信号ＳＰＬの周波数やデューティ比、およびスイッチ制御部２４のパルス切り換え信号ＰＳＳのタイミングなどを様々に設定することができる。

このように、パルス設定制御信号ＰＣＳを外部入力とすることによって（ここでは、ＥＣＵに設けられるＣＰＵ）、クロック信号ＣＫ１やパルス信号ＳＰＬの周波数やデューティ比、およびスイッチ制御部２４によるパルス切り換え信号ＰＳＳのタイミングなどを容易に、かつフレキシブルに変更することができる。

これは、昇圧電源装置１０の昇圧用コイル１１のインダクタンス値が変更となった場合などにおいて、特に有効となる。例えば負荷が替わると、該負荷に応じて昇圧電源装置が生成する高電圧電源の電圧レベルが変更され、昇圧用コイル１１のインダクタンス値が変更される場合がある。このような場合であっても、ＣＰＵによって容易に昇圧用コイルのインダクタンス値に見合ったピーク設定電流および平均電流を設定することができる。

〈電流制御部の動作例〉
図３は、図２の電流制御部１６における動作の一例を示す信号タイミングの説明図である。

図３において、上方から下方にかけては、図１の昇圧電源装置１０に設けられた昇圧用コイル１１に流れるインダクタ電流ＩＬ、分周器２１から出力されるクロック信号ＣＫ１、パルス生成部２３から出力されるパルス信号ＳＰＬ、スイッチ制御部２４から出力されるパルス切り換え信号ＰＳＳ、および電流制御部１６から出力されるスイッチング信号ＳＳにおける信号タイミングをそれぞれ示している。

制御信号ＣＮＴが入力されると、クロック生成部２０が基準クロックを生成する。分周器２１は、クロック生成部２０が生成する基準クロックから、パルス設定部２２によって設定された周波数およびデューティ比となるクロック信号ＣＫ１を生成する。

まず、スイッチ制御部２４からは、ロー信号のパルス切り換え信号ＰＳＳが出力される。これにより、セレクタ２５は、パルス生成部２３が生成するパルス信号ＳＰＬをスイッチング信号ＳＳとして出力する。

図３では、パルス信号ＳＰＬが出力されていないので、ロー信号がスイッチング信号ＳＳとして出力されている。スイッチング信号ＳＳがロー信号の場合、図１のスイッチング素子１２はオフとなるので、インダクタ電流ＩＬが上昇する。

そして、パルス設定部２２によって設定された期間が経過、すなわちインダクタ電流ＩＬが予め設定されたピーク設定電流まで上昇すると、時間ｔ１において、スイッチ制御部２４は、ハイ信号のパルス切り換え信号ＰＳＳを出力する。ここで、ピーク設定電流は、予め設定した昇圧用コイル１１に流れるピーク電流である。これによって、セレクタ２５は、分周器２１が生成したクロック信号ＣＫ１をスイッチング信号ＳＳとして出力する。

クロック信号ＣＫ１は、インダクタ電流ＩＬの振幅が小さくなるように、十分高い周波数に設定されており。短い周期でインダクタ電流ＩＬの上昇および下降が繰り返されることになる。その結果、インダクタ電流ＩＬは、ピーク設定電流付近でクランプされる。分周器２１が生成するクロック信号ＣＫ１の周波数やデューティ比は、前述したように、パルス設定部２２によって設定される。

そして、インダクタ電流ＩＬをピーク設定電流付近でクランプした後、時間ｔ３において、スイッチ制御部２４は、再びロー信号のパルス切り換え信号ＰＳＳを出力する。このとき、パルス生成部２３からは、１ショットパルスが出力される。

これによって、セレクタ２５からは、パルス生成部２３が生成したハイ信号の１ショットパルスがスイッチング信号ＳＳとして出力される。このスイッチング信号ＳＳによって、スイッチング素子１２がオンとなり、インダクタ電流ＩＬが降下する。

ここでも、パルス生成部２３が出力するパルス信号ＳＰＬの出力周期やハイ信号の出力期間は、前述したように、パルス設定部２２によって設定される。

以上の動作を繰り返すことによって、電流制御部１６は、スイッチング信号ＳＳをスイッチング素子１２に出力する。

クロック信号ＣＫ１の周波数とデューティ比およびパルス信号ＳＰＬの出力周期と期間は、インダクタ電流ＩＬの平均電流Ｉａが予め設定される電流値となるように設定される。言い換えれば、設定される平均電流Ｉａは、昇圧電源装置１０の出力電流の仕様を満たす値である。

〈本発明者の検討による昇圧電源装置５０の構成例および動作〉
図４は、本発明者が検討した定電流制御方式の昇圧電源装置５０の構成例を示す説明図である。

昇圧電源装置５０は、図示するように、電流センシング回路５１、昇圧用コイル５２、スイッチング素子５３、ダイオード５４、電圧制御部５５、電流制御部５６、およびコンデンサ５７から構成されている。

スイッチング素子５３のオン、オフによる昇圧動作については、図１と同様であるので、説明は省略する。電流センシング回路５１は、昇圧用コイル５２に流れるインダクタ電流ＩＬを測定する。この電流センシング回路５１が測定したインダクタ電流ＩＬは、電流制御部５６に入力される。

電流制御部５６は、電流センシング回路５１が測定したインダクタ電流ＩＬに基づいて、該インダクタ電流ＩＬの平均電流Ｉａが、予め設定された既定の電流値となるようにスイッチング信号ＳＳを生成してスイッチング素子５３のオン、オフ動作を制御する。

図５は、図４の昇圧電源装置５０におけるインダクタ電流ＩＬとスイッチング信号ＳＳとの信号波形の一例を示すタイミングチャートである。

図５において、上方は、インダクタ電流ＩＬであり、その下方には、電流制御部５６から出力されるスイッチング信号ＳＳの信号波形をそれぞれ示している。また、図５のスイッチング信号に示す実線および点線は、それぞれ異なる周波数のスイッチング信号を示している。図からもわかるように、実線のスイッチング信号ＳＳは、点線のスイッチング信号よりもより高い周波数となっている。

また、インダクタ電流ＩＬにおける実線は、実線のスイッチング信号ＳＳによってスイッチング素子５３が動作した際のインダクタ電流の波形を示し、インダクタ電流ＩＬにおける点線は、点線のスイッチング信号ＳＳによってスイッチング素子５３が動作した際のインダクタ電流の波形を示している。周波数の高い実線のスイッチング信号および点線のスイッチング信号の何れの場合も、インダクタ電流ＩＬの平均電流Ｉａは、ほぼ同じである。平均電流Ｉａは、昇圧電源装置１０の出力電流の仕様を満たす値に設定される。

図５において、周波数の低い点線のスイッチング信号ＳＳによってスイッチング素子５３を駆動した場合には、点線に示すインダクタ電流ＩＬの振幅が大きくなり、その結果、ピーク電流が実線に示すインダクタ電流ＩＬに比べて大きくなっている。

この場合、スイッチング素子５３のスイッチング周波数は、低くすることができるので、インダクタ電流の放射ノイズを低減することができる。しかし、インダクタ電流ＩＬのピーク電流が大きくなり、その電流値に見合った耐性を有する昇圧用コイル５２を用意しなければならず、該昇圧用コイル５２が大型するとともにコストが上昇してしまうことになる。

一方、点線のスイッチング信号ＳＳよりも高い周波数である実線のスイッチング信号によってスイッチング素子５３を駆動した際には、点線に示すインダクタ電流ＩＬの振幅を小さくすることができる。その結果、昇圧用コイル５２を小型化することが可能となり、コストも低減することができる。

しかしながら、スイッチング周波数が高くなると、インダクタ電流の放射ノイズが増加してしまい、自動車メーカなどが要求するノイズ仕様を満たすことができない恐れが生じる。

一方、図１に示す昇圧電源装置１０においては、図３に示すように、パルス設定部２２によって設定された期間が経過してインダクタ電流ＩＬが予め設定される電流値以上となると、セレクタ２５がスイッチング信号ＳＳとして分周器２１が生成するクロック信号ＣＫ１を出力する。その結果、インダクタ電流ＩＬが予め設定されるピーク設定電流程度の電流値にてクランプされる。

それにより、インダクタ電流ＩＬのピーク電流を低減しながら、スイッチング信号ＳＳの周波数も小さくすることができる。

以上により、昇圧用コイル１１の小型化を実現しながら、放射ノイズを低減させることのできる昇圧電源装置１０を実現することができる。それにより、ＥＣＵの小型化や低コスト化を行うことができるとともに、該ＥＣＵの信頼性を向上させることができる。

（実施の形態２）
〈昇圧電源装置の構成例〉
図６は、本実施の形態２による昇圧電源装置１０における構成の一例を示す説明図である。

図６の昇圧電源装置１０において、前記実施の形態１の昇圧電源装置１０と異なるところは、電流センシング回路３０が新たに設けられた点である。電流測定部となる電流センシング回路３０は、昇圧用コイル１１に流れるインダクタ電流ＩＬを測定してその測定結果を電流制御部１６に出力する。その他の接続構成については、図１と同様であるので、説明は省略する。

〈電流制御部の構成例〉
図７は、図６の昇圧電源装置１０に設けられた電流制御部１６の構成の一例を示す説明図である。

電流制御部１６は、図７に示すように、クロック生成部２０、分周器２１、パルス設定部２２、パルス生成部２３、スイッチ制御部２４、およびセレクタ２５からなる前記実施の形態１の図２と同様の構成に、コンパレータ３５、ピーク電流検知部３６、ならびにカウンタ３７が新たに追加された構成となっている。また、スイッチ制御部２４、ピーク電流検知部３６、およびカウンタ３７によって、スイッチ設定制御部が構成されている。

コンパレータ３５の入力部およびピーク電流検知部３６には、電流センシング回路３０が測定したインダクタ電流ＩＬが入力される。コンパレータ３５は、インダクタ電流ＩＬとピーク設定電流値とを比較し、その比較結果を出力信号ＣＯＭとして出力する。具体的には、インダクタ電流ＩＬが予め設定されたピーク設定電流値よりも大きくなると、ハイ信号の出力信号ＣＯＭを出力し、インダクタ電流ＩＬが該ピーク設定電流値よりも小さくなると、ロー信号の出力信号ＣＯＭを出力する。

このピーク設定電流は、パルス設定部２２によって設定される。また、パルス設定部２２は、分周器２１のクロック信号ＣＫ１における周波数やデューティ比およびパルス生成部２３のパルス信号ＳＰＬの出力周期および出力期間などをそれぞれ設定する。

パルス設定部２２によるこれらの設定は、前記実施の形態１と同様に、例えばＥＣＵに設けられる図示しないＣＰＵなどから出力されるパルス設定制御信号ＰＣＳに基づいて設定される。

ピーク電流検知部３６は、電流センシング回路３０が測定したインダクタ電流ＩＬがピーク設定電流値Ｉｐとなる毎にパルス信号ＰＬＳを生成する。カウンタ３７は、ピーク電流検知部３６が生成した最初のパルス信号ＰＬＳが入力された際にハイ信号のカウント信号ＣＴを出力する。その後、パルス信号ＰＬＳのカウント数をカウントし、該カウント数が予め設定されているカウント数に到達した際にロー信号のカウント信号ＣＴを出力する。また、カウンタ３７は、ロー信号のカウント信号ＣＴを出力した際に、カウンタ値をリセットする。

スイッチ制御部２４は、カウンタ３７から出力されるカウント信号ＣＴに基づいて、パルス切り換え信号ＰＳＳをセレクタ２５に出力する。セレクタ２５の入力部には、パルス生成部２３が生成するパルス信号ＳＰＬおよびコンパレータ３５が生成する出力信号ＣＯＭがそれぞれ入力されている。セレクタ２５は、スイッチ制御部２４から出力される入力部には、パルス切り換え信号ＰＳＳに基づいて、パルス信号ＳＰＬまたは出力信号ＣＯＭのいずれかをスイッチング信号ＳＳとして出力する。なお、その他の分周器２１、およびクロック生成部２０の接続構成および動作については、前記実施の形態１の図２と同様である。

〈電流制御部の動作例〉
図８は、図７の電流制御部１６における動作の一例を示す信号タイミングの説明図である。

図８において、上方から下方にかけては、電流センシング回路３０が測定したインダクタ電流ＩＬ、ピーク電流検知部３６が出力するパルス信号ＰＬＳ、スイッチ制御部２４が出力するパルス切り換え信号ＰＳＳ、コンパレータ３５が出力する出力信号ＣＯＭ、パルス生成部２３から出力されるパルス信号ＳＰＬ、およびセレクタ２５から出力されるスイッチング信号ＳＳにおける信号タイミングをそれぞれ示している。

まず、スイッチ制御部２４からは、ロー信号のパルス切り換え信号ＰＳＳが出力される。これにより、セレクタ２５は、パルス生成部２３が生成するパルス信号ＳＰＬをスイッチング信号ＳＳとして出力する。

このとき、パルス生成部２３からは、パルス信号ＳＰＬが出力されていないので、ロー信号がスイッチング信号ＳＳとして出力されている。スイッチング信号ＳＳがロー信号の場合、図６のスイッチング素子１２は、オフとなってインダクタ電流ＩＬが上昇する。

ピーク電流検知部３６は、インダクタ電流ＩＬが上昇してピーク設定電流値Ｉｐになったことを検出すると、パルス信号ＰＬＳを出力する。カウンタ３７は、最初のパルス信号ＰＬＳが入力されるとハイ信号のカウント信号ＣＴを出力する。

その結果、スイッチ制御部２４は、ハイ信号のカウント信号ＣＴに基づいて、コンパレータ３５から出力される出力信号ＣＯＭをスイッチング信号ＳＳとして出力する（時間ｔ４）。出力信号ＣＯＭ、すなわちスイッチング信号ＳＳがハイ信号（期間Ｔ）の場合には、スイッチング素子１２がオンとなってインダクタ電流ＩＬが下降する。

コンパレータ３５は、インダクタ電流ＩＬの電流値がピーク設定電流値Ｉｐよりも小さくなると、再びハイ信号の出力信号ＣＯＭを出力する。これらを繰り返すことによって、インダクタ電流ＩＬの電流値がピーク設定電流値Ｉｐ付近においてクランプされる。

ピーク電流検知部３６は、クランプされたインダクタ電流ＩＬの電流値に応じて、パルス信号ＰＬＳを出力する。カウンタ３７は、入力されるパルス信号ＰＬＳをカウントし、設定されたカウント値に到達した際にロー信号のカウント信号ＣＴをスイッチ制御部２４に出力する。また、カウンタ３７は、ロー信号のカウント信号ＣＴを出力した際に、カウンタ値をリセットする。

スイッチ制御部２４は、ロー信号のカウント信号ＣＴが入力されると、セレクタ２５の出力を切り換え、パルス生成部２３から出力されるパルス信号ＳＰＬが出力されるように制御を行う（時間ｔ５）。

このとき、パルス生成部２３からは、ハイ信号のパルス信号ＳＰＬが生成され、該パルス信号ＳＰＬがスイッチング信号ＳＳとして出力される。スイッチング信号ＳＳがハイ信号の場合、スイッチング素子１２は、オンとなってインダクタ電流ＩＬが下降する。

以上の動作を繰り返すことによって、インダクタ電流ＩＬのピーク電流をピーク設定電流値Ｉｐ近傍にクランプする。

以上のように、コンパレータ３５を用いることによってインダクタ電流ＩＬにおける電流クランプの制御を行うことにより、電流クランプ時の電流値がほぼ一定となるように高精度に制御することができる。

それによって、上記実施の形態１の効果に加えて、昇圧電源装置１０が生成する高電圧電源ＶＢＯＯＳＴの安定性を向上させることができる。

（実施の形態３）
〈電流制御部の構成例〉
図９は、本実施の形態３による電流制御部１６における構成の一例を示す説明図である。なお、図９の電流制御部１６が設けられる昇圧電源装置１０の構成については、前記実施の形態２の図６と同様である。

電流制御部１６は、図９に示すように、パルス設定部２２、スイッチ制御部２４、セレクタ２５、およびヒステリシスコンパレータ４０，４１を有する。パルス設定部２２は、例えばＥＣＵに設けられる図示しないＣＰＵなどから出力されるパルス設定制御信号ＰＣＳに基づいて、スイッチ制御部２４、およびヒステリシスコンパレータ４０，４１の設定を行う。

具体的には、スイッチ制御部２４が出力するパルス切り換え信号ＰＳＳのデューティ比、および後述するヒステリシスコンパレータ４０，４１に用いる電流しきい値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈ３の設定である。電流しきい値Ｖｔｈ２は、電流しきい値Ｖｔｈ１よりも低い値であり、電流しきい値Ｖｔｈ３は、電流しきい値Ｖｔｈ２よりも低い値である。

電流しきい値Ｖｔｈ１は、第１のしきい値となり、電流しきい値Ｖｔｈ２は、第３のしきい値となる。また、電流しきい値Ｖｔｈ３は、第２のしきい値となる。

セレクタ２５は、スイッチ制御部２４が出力するパルス切り換え信号ＰＳＳに基づいて、ヒステリシスコンパレータ４０の出力信号ＳＧ１またはヒステリシスコンパレータ４１の出力信号ＳＧ２のいずれかをスイッチング信号ＳＳとして出力する。

第１の信号生成部となるヒステリシスコンパレータ４０は、電流しきい値Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ３と図６に示す電流センシング回路３０が測定したインダクタ電流ＩＬとを比較し、その比較結果である出力信号ＳＧ１を出力する。この出力信号ＳＧ１が、第１のスイッチング信号となる。

具体的には、ヒステリシスコンパレータ４０は、電流センシング回路３０が測定したインダクタ電流ＩＬが電流しきい値Ｖｔｈ１よりも大きくなると、ハイ信号の出力信号ＳＧ１を出力し、該インダクタ電流ＩＬが電流しきい値Ｖｔｈ３よりも小さくなると、ロー信号の力信号ＳＧ１を出力する。

第２の信号生成部であるヒステリシスコンパレータ４１は、電流しきい値Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２と図６に示す電流センシング回路３０が測定したインダクタ電流ＩＬとを比較し、その比較結果である出力信号ＳＧ２を出力する。この出力信号ＳＧ２が、第２のスイッチング信号となる。

具体的には、ヒステリシスコンパレータ４１は、電流センシング回路３０が測定したインダクタ電流ＩＬが電流しきい値Ｖｔｈ１よりも大きくなると、ハイ信号の出力信号ＳＧ２を出力し、該インダクタ電流ＩＬが電流しきい値Ｖｔｈ２よりも小さくなると、ロー信号の力信号ＳＧ２を出力する。

〈電流制御部の動作例〉
図１０は、図９の電流制御部１６における動作の一例を示す信号タイミングの説明図である。

図１０において、上方から下方にかけては、電流センシング回路３０が測定したインダクタ電流ＩＬ、ヒステリシスコンパレータ４１の出力信号ＳＧ２、ヒステリシスコンパレータ４０の出力信号ＳＧ１、スイッチ制御部２４が出力するパルス切り換え信号ＰＳＳ、およびセレクタ２５から出力されるスイッチング信号ＳＳにおける信号タイミングをそれぞれ示している。

まず、スイッチ制御部２４から出力されるパルス切り換え信号ＰＳＳの信号立ち上がり（時間ｔ７）において、セレクタ２５は、ヒステリシスコンパレータ４１から出力される出力信号ＳＧ２を選択し、スイッチング信号ＳＳとして出力する。

なお、パルス切り換え信号ＰＳＳのデューティ比は、前述したように事前に入力されたＣＰＵから出力されるパルス設定制御信号ＰＣＳに基づいて、パルス設定部２２がスイッチ制御部２４に対して設定を行う。

ヒステリシスコンパレータ４１は、インダクタ電流ＩＬが電流しきい値Ｖｔｈ１よりも大きくなると、出力信号ＳＧ２がハイ信号になり、該インダクタ電流ＩＬが電流しきい値Ｖｔｈ２よりも小さくなると、出力信号ＳＧ２がロー信号となる。よって、パルス切り換え信号ＰＳＳがハイ信号の期間は、ヒステリシスコンパレータ４１から出力されるパルス状の出力信号ＳＧ２が出力される。

また、電流しきい値Ｖｔｈ１および電流しきい値Ｖｔｈ２は、図６に示す昇圧用コイル１１のピーク設定電流として設定され、電流しきい値Ｖｔｈ１と電流しきい値Ｖｔｈ２との差は、小さく設定されている。これによって、インダクタ電流ＩＬが電流しきい値Ｖｔｈ１と電流しきい値Ｖｔｈ２との間でクランプされる。

続いて、パルス切り換え信号ＰＳＳがロー信号となると、該パルス切り換え信号ＰＳＳの信号立ち下がりにおいて（時間ｔ８）、セレクタ２５は、ヒステリシスコンパレータ４０から出力される出力信号ＳＧ１を選択してスイッチング信号ＳＳとして出力する。

このとき、インダクタ電流ＩＬは、電流しきい値Ｖｔｈ３よりも大きいので、ヒステリシスコンパレータ４０から出力される出力信号ＳＧ１は、ハイ信号である。よって、図６のスイッチング素子１２がオンとなり、インダクタ電流ＩＬが下降する。ここで、電流しきい値Ｖｔｈ３は、インダクタ電流ＩＬの最少電流値となる。

その後、インダクタ電流ＩＬが下降して電流しきい値Ｖｔｈ３よりも小さくなると、ヒステリシスコンパレータ４０の出力信号ＳＧ１が、ロー信号となり、スイッチング素子１２がオフする。それによって、インダクタ電流ＩＬが再び上昇する。

その後、スイッチ制御部２４は、セレクタ２５がヒステリシスコンパレータ４１から出力される出力信号ＳＧ２を選択するようにパルス切り換え信号ＰＳＳを出力する（時間ｔ９）。以降は、同様の処理が繰り返されることになる。

このように、インダクタ電流ＩＬに流れるピーク電流および最少電流をヒステリシスコンパレータ４０，４１によって設定するので、これらピーク電流および最少電流を高い精度でかつほぼ一定に制御することができる。

以上により、上記実施の形態１の効果に加えて、より安定した高電圧電源ＶＢＯＯＳＴを生成することができる。

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、本発明は前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いうまでもない。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１０ 昇圧電源装置
１１ 昇圧用コイル
１２ スイッチング素子
１３ コンデンサ
１４ ダイオード
１５ 電圧制御部
１６ 電流制御部
２０ クロック生成部
２１ 分周器
２２ パルス設定部
２３ パルス生成部
２４ スイッチ制御部
２５ セレクタ
３０ 電流センシング回路
３５ コンパレータ
３６ ピーク電流検知部
３７ カウンタ
４０ ヒステリシスコンパレータ
４１ ヒステリシスコンパレータ
５０ 昇圧電源装置
５１ 電流センシング回路
５２ 昇圧用コイル
５３ スイッチング素子
５４ ダイオード
５５ 電圧制御部
５６ 電流制御部
５７ コンデンサ
ＢＡＴ バッテリ

Claims (14)

1. 直流電源に並列接続されるスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のスイッチング動作によって前記直流電源を昇圧する昇圧用コイルと、
   第１のスイッチング信号および前記第１のスイッチング信号よりも高い周波数の第２のスイッチング信号によって前記スイッチング素子のオン、オフを制御して前記昇圧用コイルに流れるインダクタ電流を制御する電流制御部と、
   を有し、
   前記電流制御部は、前記昇圧用コイルに流れる前記インダクタ電流を、予め設定されたピーク設定電流にクランプするクランプ期間において、前記第２のスイッチング信号を用いて前記スイッチング素子のオン、オフを制御し、前記クランプ期間以外の期間において、前記第１のスイッチング信号を用いて前記スイッチング素子のオン、オフを制御する、電源装置。
2. 請求項１記載の電源装置において、
   前記電流制御部は、
   前記第１のスイッチング信号を生成する第１の信号生成部と、
   前記第２のスイッチング信号を生成する第２の信号生成部と、
   パルス切り換え信号に基づいて、前記第１の信号生成部が生成する前記第１のスイッチング信号または前記第２の信号生成部が生成する前記第２のスイッチング信号のいずれかを前記スイッチング素子に出力するセレクタと、
   前記セレクタに出力する前記パルス切り換え信号を生成するスイッチ制御部と、
   を有する、電源装置。
3. 請求項２記載の電源装置において、
   さらに、前記電流制御部は、外部から入力されるパルス設定制御信号に基づいて、前記第１の信号生成部が生成する前記第１のスイッチング信号の周波数またはデューティ比の少なくともいずれかを設定するパルス設定部を有する、電源装置。
4. 請求項３記載の電源装置において、
   前記パルス設定部は、前記パルス設定制御信号に基づいて、前記第２の信号生成部が生成する前記第２のスイッチング信号の周波数またはデューティ比の少なくともいずれかを設定する、電源装置。
5. 請求項３記載の電源装置において、
   前記パルス設定部は、前記パルス設定制御信号に基づいて、前記スイッチ制御部が生成する前記パルス切り換え信号の出力期間および出力タイミングをそれぞれ設定する、電源装置。
6. 請求項１記載の電源装置において、
   さらに、前記昇圧用コイルに流れる前記インダクタ電流を測定する電流測定部を備え、
   前記電流制御部は、
   前記第１のスイッチング信号を生成する第１の信号生成部と、
   前記第２のスイッチング信号を生成する第２の信号生成部と、
   パルス切り換え信号に基づいて、前記第１の信号生成部が生成する前記第１のスイッチング信号または前記第２の信号生成部が生成する前記第２のスイッチング信号のいずれかを前記スイッチング素子に出力するセレクタと、
   前記セレクタに出力する前記パルス切り換え信号を生成するスイッチ設定制御部と、
   を有し、
   前記第２の信号生成部は、前記電流測定部が測定した前記インダクタ電流と前記ピーク設定電流とを比較してその比較結果を出力する、電源装置。
7. 請求項６記載の電源装置において、
   前記スイッチ設定制御部は、
   前記電流測定部が測定した前記インダクタ電流が前記ピーク設定電流となる毎にパルス信号を出力するピーク電流検出部と、
   前記ピーク電流検出部から出力される前記パルス信号をカウントするカウント数に基づいてカウント信号を出力するカウンタと、
   前記カウンタが出力するカウント信号に基づいて、前記パルス切り換え信号を出力するスイッチ制御部と、
   を有し、
   前記カウンタは、前記ピーク電流検出部の前記パルス信号が入力されてから、前記パルス信号のカウント数が設定値に到達するまでの間、カウント信号を出力する、電源装置。
8. 請求項７記載の電源装置において、
   さらに、前記電流制御部は、外部から入力されるパルス設定制御信号に基づいて、前記第２の信号生成部が比較する前記ピーク設定電流を設定するパルス設定部を有する、電源装置。
9. 請求項８記載の電源装置において、
   さらに、前記パルス設定部は、前記パルス設定制御信号に基づいて、前記第１の信号生成部が生成する前記第１のスイッチング信号の周波数またはデューティ比の少なくともいずれかを設定する、電源装置。
10. 請求項１記載の電源装置において、
    さらに、前記昇圧用コイルに流れる前記インダクタ電流を測定する電流測定部を備え、
    前記電流制御部は、
    前記第１のスイッチング信号を生成する第１の信号生成部と、
    前記第２のスイッチング信号を生成する第２の信号生成部と、
    パルス切り換え信号に基づいて、前記第１の信号生成部が生成する前記第１のスイッチング信号または前記第２の信号生成部が生成する前記第２のスイッチング信号のいずれかを前記スイッチング素子に出力するセレクタと、
    前記セレクタに出力するパルス切り換え信号を生成するスイッチ設定制御部と、
    を有し、
    前記第１の信号生成部は、前記電流測定部が測定した前記インダクタ電流が第１のしきい値よりも大きくなると第１の信号を出力し、前記インダクタ電流が第２のしきい値よりも小さくなると前記第１の信号の反転信号である第２の信号を出力して前記第１のスイッチング信号のロー信号とハイ信号との期間を設定し、
    前記第２の信号生成部は、前記インダクタ電流が第１のしきい値よりも大きくなると第３の信号を出力し、前記インダクタ電流が第３のしきい値よりも小さくなると前記第３の信号の反転信号である第４の信号を出力して前記第２のスイッチング信号のロー信号とハイ信号との期間を設定する、電源装置。
11. 請求項１０記載の電源装置において、
    前記第１のしきい値および前記第３のしきい値は、前記ピーク設定電流を設定し、
    前記第２のしきい値は、前記インダクタ電流の最小電流を設定する、電源装置。
12. 請求項１０記載の電源装置において、
    さらに、前記電流制御部は、外部から入力されるパルス設定制御信号に基づいて、前記第１の信号生成部に設定される前記第１および前記第２のしきい値を設定するパルス設定部を有する、電源装置。
13. 請求項１２記載の電源装置において、
    前記パルス設定部は、前記パルス設定制御信号に基づいて、前記第２の信号生成部に設定される前記第１および前記第３のしきい値を設定する、電源装置。
14. 請求項１０記載の電源装置において、
    前記第１の信号生成部および前記第２の信号生成部は、ヒステリシスコンパレータである、電源装置。

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