JP2019180122A - Ｄｃｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】チップ面積を小さくしつつ、直列回路における低電位側のスイッチを過電圧に対して保護できるＤＣＤＣコンバータを提供すること。【解決手段】ＤＣＤＣコンバータ１０は、第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２の直列回路１４、インダクタ１６、及びコンデンサ１８を有し、入力電圧Ｖｉｎを降圧する降圧部１２と、比較部２４と、制御部２６を備えている。低電位側に配置された第２スイッチ１４２の耐圧は、第１スイッチ１４１の耐圧よりも小さくされている。比較部２４は、第２スイッチ１４２の耐圧よりも小さい第１閾値Ｖｔｈ１と入力電圧Ｖｉｎを比較し、比較結果を制御部２６に出力する。制御部２６は、入力電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖｔｈ１以上の場合、第２スイッチ１４２を保護するように直列回路１４を制御する。【選択図】図１

Description

この明細書における開示は、ＤＣＤＣコンバータに関する。

特許文献１に、降圧型のＤＣＤＣコンバータが開示されている。このＤＣＤＣコンバータは、入力端子と基準電位であるグランドとの間で２つのスイッチが直列接続されてなる直列回路と、２つのスイッチの接続点に接続されたインダクタを有し、入力電圧を降圧するように構成されている。

特開２０１７−２００３８６号公報

従来のＤＣＤＣコンバータでは、直列回路を構成する２つのスイッチとして、耐圧が等しいものを採用している。このため、スイッチが形成されたチップの面積が大きいという問題があった。

本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、チップ面積を小さくしつつ、直列回路における低電位側のスイッチを過電圧に対して保護できるＤＣＤＣコンバータを提供することを目的とする。

本開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。

本開示のひとつであるＤＣＤＣコンバータは、
入力端子（２０）と基準電位との間に設けられ、高電位側に第１スイッチ（１４１）が配置され、低電位側に第１スイッチよりも耐圧が小さい第２スイッチ（１４２）が配置された直列回路（１４）と、第１スイッチと第２スイッチとの接続点と出力端子（２２）との間に設けられたインダクタ（１６）と、出力端子と基準電位との間に設けられたコンデンサ（１８）と、を有し、入力電圧を降圧する降圧部（１２）と、
入力電圧と第２スイッチの耐圧よりも小さい閾値電圧とを比較する比較部（２４）と、
入力電圧が閾値電圧以上の場合、第２スイッチを保護するように直列回路を制御する制御部（２６）と、
を備える。

このＤＣＤＣコンバータによれば、直列回路において、低電位側の第２スイッチの耐圧を小さくしたので、耐圧が第１スイッチと等しい構成に較べて、チップ面積を小さくすることができる。

また、入力電圧と比較される閾値電圧が第２スイッチの耐圧よりも小さくされており、制御部は、入力電圧が閾値電圧以上の場合に第２スイッチを保護するよう直列回路を制御する。以上より、チップ面積を小さくしつつ、低電位側の第２スイッチを過電圧に対して保護することができる。

第１実施形態のＤＣＤＣコンバータの概略構成を示す図である。 制御部が実行する直列回路の制御処理を示すフローチャートである。 通常制御と保護制御の切り替えにおけるタイミングチャートである。 第２実施形態のＤＣＤＣコンバータにおいて、通常制御と保護制御の切り替えにおけるタイミングチャートである。 保護制御から通常制御への復帰時に流れる電流を示す図である。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的に及び／又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。

（第１実施形態）
先ず、図１に基づき、本実施形態のＤＣＤＣコンバータの概略構成について説明する。本実施形態のＤＣＤＣコンバータは、車両に搭載され、バッテリから供給される直流電圧（たとえば１２Ｖ）を所定の電圧（たとえば５Ｖ）に降圧して、マイコンへ供給する。

図１に示すように、ＤＣＤＣコンバータ１０は、降圧部１２と、比較部２４と、制御部２６を備えている。降圧部１２は、入力端子２０を介して入力される直流電圧を降圧して出力する。降圧部１２は、直列回路１４と、インダクタ１６と、コンデンサ１８を有している。入力端子２０を介して入力される直流電圧を、以下、入力電圧Ｖｉｎと示す。

直列回路１４は、入力端子２０と基準電位である接地電位（グランド：ＧＮＤ）との間に設けられている。直列回路１４は、入力端子２０とグランドとの間で、第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２が直列接続されてなる。第１スイッチ１４１は、高電位（ハイサイド）側、すなわち入力端子２０側に配置されている。第２スイッチ１４２は、低電位（ローサイド）側、すなわちグランド側に配置されている。

本実施形態では、第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２として、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴを採用している。そして、第２スイッチ１４２の耐圧Ｖ２が、第１スイッチ１４１の耐圧Ｖ１よりも小さくされている。これにより、直列回路１４を構成するチップの面積が、耐圧Ｖ２が耐圧Ｖ１と同じ構成に較べて小さくなっている。第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２は、同一チップに構成してもよいし、別チップに構成してもよい。なお、耐圧とは、ドレイン−ソース間の最大定格電圧である。

インダクタ１６は、第１スイッチ１４１と第２スイッチ１４２との接続点１４３と、出力端子２２との間に設けられている。降圧部１２にて変換された直流電圧は、出力端子２２を介して出力される。降圧部１２にて変換された直流電圧を、以下、出力電圧Ｖｏｕｔと示す。本実施形態では、ＤＣＤＣコンバータ１０が、電力変換部として降圧部１２のみを有している。このため、インダクタ１６の一端が接続点１４３に接続され、他端が出力端子２２に接続されている。インダクタ１６は、コイルとも称される。

コンデンサ１８は、出力端子２２とグランドとの間に設けられている。本実施形態では、コンデンサ１８の正極がインダクタ１６と出力端子２２との接続点に接続され、負極がグランドに接続されている。

比較部２４は、入力電圧Ｖｉｎを取得し、取得した入力電圧Ｖｉｎと予め設定された所定の閾値とを比較し、その比較結果を制御部２６に出力する。比較部２４は、閾値としての第１閾値Ｖｔｈ１と入力電圧Ｖｉｎとを比較し、その比較結果を出力する。第１閾値Ｖｔｈ１は、第２スイッチ１４２の耐圧Ｖ２よりも小さい値とされている。具体的には、第２スイッチ１４２の耐圧Ｖ２から所定のマージンを減算した値とされている。第１閾値Ｖｔｈ１は、入力電圧Ｖｉｎが、第２スイッチ１４２にとって過電圧かを判定するために用いる閾値である。第１閾値Ｖｔｈ１は、閾値電圧に相当する。

また、比較部２４は、閾値としての第２閾値Ｖｔｈ２と入力電圧Ｖｉｎとを比較し、その比較結果を制御部２６に出力する。第２閾値Ｖｔｈ２は、後述する保護制御から通常制御への復帰判定に用いる閾値であり、第１閾値Ｖｔｈ１以下の値とされる。本実施形態では、第２閾値Ｖｔｈ２が第１閾値Ｖｔｈ１よりも小さい値とされ、２つの閾値Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２にヒステリシスをもたせている。比較部２４は、たとえば、第１閾値Ｖｔｈ１用のコンパレータと第２閾値Ｖｔｈ２用のコンパレータを備えて構成されている。

制御部２６は、直列回路１４を制御する。制御部２６は、直列回路１４を構成する第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２のそれぞれに駆動信号を出力し、第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２のオンオフを制御する。制御部２６は、比較部２４の比較結果に基づいて直列回路１４を制御する。制御部２６は、入力電圧Ｖｉｎが第１閾値以上ではない場合、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて直列回路１４を制御する。

制御部２６の生成した駆動信号は、バッファ２８を介して第１スイッチ１４１のゲートに入力される。ゲートにＨレベルの信号が入力されると第１スイッチ１４１はオンし、Ｌレベルの信号が入力されるとオフする。同じく、制御部２６の生成した駆動信号は、バッファ３０を介して第２スイッチ１４２のゲートに入力される。ゲートにＨレベルの信号が入力されると第２スイッチ１４２はオンし、Ｌレベルの信号が入力されるとオフする。

次に、図２に基づき、制御部２６が実行する直列回路１４の制御処理について説明する。電源が投入された状態で、制御部２６は、以下に示す処理を繰り返し実行する。

図２に示すように、先ず制御部２６は、比較部２４の比較結果に基づいて、入力電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖｔｈ１以上か否かを判定する（ステップＳ１０）。

入力電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖｔｈ１以上の場合、制御部２６は、保護制御を実行する（ステップＳ１２）。本実施形態では、制御部２６が、第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２をオフさせる。そして、一連の処理を終了する。

ステップＳ１０において、入力電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖｔｈ１以上ではない、すなわち入力電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖｔｈ１未満であると判定すると、制御部２６は、保護制御の実行中か否かを判定する（ステップＳ１４）。保護制御実行中の場合、比較部２４の比較結果に基づいて、入力電圧Ｖｉｎが第２閾値Ｖｔｈ２未満か否かを判定する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１４において保護制御実行中ではないと判定すると、制御部２６は、通常制御を実行する（ステップＳ１８）。制御部２６は、第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２のオンオフを、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいてフィードバック制御する。そして、一連の処理を終了する。

ステップＳ１６において、入力電圧Ｖｉｎが第２閾値Ｖｔｈ２未満の場合、制御部２６は、ステップＳ１８の通常制御を実行する。ステップＳ１６を経てステップＳ１８を実行するため、保護制御から通常制御へ復帰することとなる。したがって、保護制御が解除される。そして、一連の処理を終了する。

ステップＳ１６において、入力電圧Ｖｉｎが第２閾値Ｖｔｈ２未満ではない、すなわち入力電圧Ｖｉｎが第２閾値Ｖｔｈ２以上であると判定すると、制御部２６は、ステップＳ１２の保護制御を実行する。すなわち、保護制御を継続する。そして、一連の処理を終了する。

図３は、通常制御と保護制御との切り替えの一例を示すタイミングチャートである。通常制御の場合、制御部２６は、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて駆動信号であるＰＷＭ信号のデューティ比をフィードバック制御する。制御部２６は、第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２を交互にオンさせる。図３では、便宜上、デッドタイムを省略している。

第１スイッチ１４１のオンタイミングでは第２スイッチ１４２がオフされており、入力端子２０、第１スイッチ１４１、接続点１４３、インダクタ１６、コンデンサ１８、及び基準電位の電流経路が形成され、コンデンサ１８が充電されるとともに、インダクタ１６にエネルギが蓄積される。一方、第２スイッチ１４２のオンタイミングでは第１スイッチ１４１がオフされており、グランド、第２スイッチ１４２、接続点１４３、及びインダクタ１６の電流経路が形成され、インダクタ１６に蓄積されたエネルギがコンデンサ１８及び負荷へ供給される。

入力電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖｔｈ１以上になると、制御部２６は、通常制御から保護制御に切り替える。本実施形態の制御部２６は、上記したように第１スイッチ１４１及び第２スイッチ１４２をオフさせる。コンデンサ１８に蓄積されたエネルギは、負荷であるマイコンや、第２スイッチ１４２の寄生ダイオード、接続点１４３、インダクタ１６、コンデンサ１８、及び基準電位の経路において消費され、これにより出力電圧Ｖｏｕｔが徐々に低下する。

保護制御に切り替えた後、入力電圧Ｖｉｎが第２閾値Ｖｔｈ２未満になると、制御部２６は、保護制御から通常制御に切り替える。すなわち、保護制御から通常制御へ復帰する。制御部２６は上記した通常制御を実行する。

次に、上記したＤＣＤＣコンバータ１０の効果について説明する。

ＤＣＤＣコンバータ１０において、降圧部１２の直列回路１４を構成する低電位側の第２スイッチ１４２の耐圧Ｖ２を、高電位側の第１スイッチ１４１の耐圧Ｖ１よりも小さくしている。第２スイッチ１４２の耐圧Ｖ２を小さくしたので、耐圧Ｖ２が第１スイッチ１４１の耐圧Ｖ１と等しい構成に較べて、直列回路１４のスイッチが形成されたチップの面積を小さくすることができる。これにより、コストを低減することもできる。

また、入力電圧Ｖｉｎと比較される第１閾値Ｖｔｈ１が第２スイッチ１４２の耐圧Ｖ２よりも小さくされており、制御部２６は、入力電圧Ｖｉｎが第１閾値Ｖｔｈ１以上の場合に第２スイッチ１４２を保護するよう直列回路１４を制御する。したがって、チップ面積を小さくしつつ、耐圧Ｖ２の小さい第２スイッチ１４２を過電圧から保護することができる。

本実施形態では、第２スイッチ１４２を保護するために、制御部２６が、第１スイッチ１４１をオフさせる。第１スイッチ１４１のオフにより、入力端子２０と接続点１４３とが遮断されるため、第２スイッチ１４２にとっての過電圧が印加されるのを抑制することができる。

特に本実施形態では、第２スイッチ１４２を保護するために、制御部２６が、第１スイッチ１４１とともに第２スイッチ１４２もオフさせる。第２スイッチ１４２のオフにより、接続点１４３とグランドとが遮断されるため、保護制御時における出力電圧Ｖｏｕｔの低下が緩やかとなる。これにより、保護制御から通常制御に復帰する際に、負荷が必要とする所定の出力電圧Ｖｏｕｔを早く供給することができる。

また、本実施形態では、保護制御中に入力電圧Ｖｉｎが第２閾値Ｖｔｈ２未満まで低下すると、制御部２６が保護制御を解除する。すなわち、入力電圧Ｖｉｎの一時的な上昇の場合には、第２スイッチ１４２に影響を与えない電圧まで低下することをもって、再び通常制御に復帰することができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示したＤＣＤＣコンバータ１０と共通する部分についての説明は省略する。

先行実施形態では、保護制御時において、第２スイッチ１４２もオフさせる例を示した。これに対し、本実施形態の制御部２６は、図４に示すように、保護制御時において第１スイッチ１４１のみをオフさせ、第２スイッチ１４２をオンさせる。第２スイッチ１４２の駆動信号はデューティ比１００％とされ、保護制御中、第２スイッチ１４２はオンされる。第２スイッチ１４２のオンにより、保護制御時において、コンデンサ１８のエネルギがグランドに放電されるため、出力電圧Ｖｏｕｔの低下が先行実施形態よりも急峻となり、ほぼゼロ（Ｖ）となる。これにより、負荷の誤作動するのを抑制することができる。

先行実施形態では、保護制御時において、第２スイッチ１４２の寄生ダイオード、接続点１４３、インダクタ１６、コンデンサ１８、及び基準電位の経路が形成される。この経路においては、寄生ダイオードの順方向である正の方向にしか電流は流れない。すなわち、正の電流しか流れない。

これに対し、本実施形態では、第２スイッチ１４２、接続点１４３、インダクタ１６、コンデンサ１８、及び基準電位の経路が形成される。この経路においては、上記した正方向だけでなく、正方向とは逆向きの負方向にも電流も流れる。保護制御により第２スイッチ１４２をオンさせると、正の電流が徐々に減少し、ゼロを経て、負の電流が流れる。このため、通常制御に復帰させる直前には、負方向に電流が流れている。

通常制御に復帰する際、先ず高電位側の第１スイッチ１４１がオンされ、第２スイッチ１４２がオフされる。したがって、図５に破線矢印で示すように、第１スイッチ１４１の寄生ダイオード１４１ｄを介して、負方向の電流が維持される。このため、接続点１４３の電位は、寄生ダイオード１４１ｄの順方向電圧Ｖｆの分、入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。本実施形態では、第２閾値Ｖｔｈ２が、第２スイッチ１４２の耐圧Ｖ２から寄生ダイオード１４１ｄの順方向電圧Ｖｆを減じた値とされている。これにより、復帰時に順方向電圧Ｖｆが加算されても、第２スイッチ１４２の耐圧Ｖ２を超えることはない。したがって、保護制御から通常制御に復帰する際に、第２スイッチ１４２に過電圧が印加されるのを抑制することができる。なお、図５には、第２スイッチ１４２側の寄生ダイオード１４２ｄも示している。

この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

降圧部１２のみを有する降圧型のＤＣＤＣコンバータ１０の例を示したが、これに限定されない。降圧部１２に加えて昇圧部も有する昇降圧型のＤＣＤＣコンバータにも適用できる。昇降圧型の場合、上記した降圧部１２の構成要素に加えて、直列回路をもう一組有することとなる。インダクタ１６及びコンデンサ１８は、降圧部１２と昇圧部で共用となる。インダクタ１６の一端が、降圧部１２を構成する直列回路１４の接続点１４３に接続され、他端が昇圧部を構成する直列回路の接続点に接続される。

第２閾値Ｖｔｈ２が第１閾値Ｖｔｈ１よりも小さい値とされる例を示したが、これに限定されない。第１閾値Ｖｔｈ１と同じ値を採用してもよい。すなわち、過電圧検出と通常復帰に用いる閾値電圧Ｖｔｈとして同じ値を採用してもよい。この場合、図２において、ステップＳ１４，Ｓ１６の処理は省略される。また、ステップＳ１０で入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以上かを判定し、閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合に保護制御を実行、閾値電圧Ｖｔｈ未満の場合に通常制御を実行することとなる。

１０…ＤＣＤＣコンバータ、
１２…降圧部、
１４…直列回路、１４１…第１スイッチ、１４１ｄ…寄生ダイオード、１４２…第２スイッチ、１４２ｄ…寄生ダイオード、１４３…接続点、
１６…インダクタ、
１８…コンデンサ、
２０…入力端子、
２２…出力端子、
２４…判定部、
２６…制御部、
２８，３０…バッファ

Claims (6)

1. 入力端子（２０）と基準電位との間に設けられ、高電位側に第１スイッチ（１４１）が配置され、低電位側に前記第１スイッチよりも耐圧が小さい第２スイッチ（１４２）が配置された直列回路（１４）と、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの接続点と出力端子（２２）との間に設けられたインダクタ（１６）と、前記出力端子と前記基準電位との間に設けられたコンデンサ（１８）と、を有し、入力電圧を降圧する降圧部（１２）と、
   前記入力電圧と前記第２スイッチの耐圧よりも小さい閾値電圧とを比較する比較部（２４）と、
   前記入力電圧が前記閾値電圧以上の場合、前記第２スイッチを保護するように前記直列回路を制御する制御部（２６）と、
   を備えるＤＣＤＣコンバータ。
2. 前記制御部は、
   前記入力電圧が前記閾値電圧以上の場合、前記第１スイッチをオフさせる請求項１に記載のＤＣＤＣコンバータ。
3. 前記制御部は、
   前記入力電圧が前記閾値電圧以上の場合、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをオフさせる請求項２に記載のＤＣＤＣコンバータ。
4. 前記閾値電圧は第１閾値であり、
   前記比較部は、前記入力電圧と前記第１閾値以下の第２閾値とを比較し、
   前記制御部は、前記入力電圧が、前記第１閾値以上となった後に前記第２閾値未満まで低下すると、前記第２スイッチの保護を解除する請求項３に記載のＤＣＤＣコンバータ。
5. 前記制御部は、
   前記入力電圧が前記閾値電圧以上の場合、前記第１スイッチをオフさせ、前記第２スイッチをオンさせる請求項２に記載のＤＣＤＣコンバータ。
6. 前記第１スイッチ及び前記第２スイッチは、寄生ダイオード（１４１ｄ，１４２ｄ）を有し、
   前記閾値電圧は第１閾値であり、
   前記比較部は、前記入力電圧と前記第１閾値以下の第２閾値とを比較し、
   前記制御部は、前記入力電圧が、前記第１閾値以上となった後に前記第２閾値未満まで低下すると、前記第２スイッチの保護を解除し、
   前記第２閾値は、前記第２スイッチの耐圧から前記第１スイッチが有する寄生ダイオードの順方向電圧を減じた値とされている請求項５に記載のＤＣＤＣコンバータ。

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