JP2020005481A - 昇圧電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池側への逆流電流の発生を極力防止しつつ、同期整流を効率的に実施することができるようにした昇圧電源回路を提供する。【解決手段】バッテリ１から降圧ＤＣＤＣ変換回路３などを介して２次側電圧Ｖｏｕｔを供給する。バッテリ１の電圧低下や断線時に動作する昇圧電源回路１０は、リチウムイオン電池１１を昇圧して出力する。昇圧コイル１５、ＭＯＳＦＥＴ１６および１８を制御部２０によりオンオフ制御して昇圧電圧を出力して負荷である通信モジュール６に給電する。１次側電流を電流検出抵抗１７で検出し、参照電圧Ｖｒｅｆ１以上のときにＭＯＳＦＥＴ１８をオンさせて同期整流動作する。参照電圧Ｖｒｅｆ１未満のときには、寄生ダイオード１８ａによりダイオード整流動作させる。【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧電源回路に関する。

車両に搭載されるＥＣＵには、バッテリからの電源が断たれた状態や電源電圧が低下した状態でも、非常時の通信を確保することができるように給電を可能とするものがある。この場合、バックアップ電源として例えばリチウムイオン電池を備えたものでは、通常１次側の電圧が３．６Ｖ程度であるので、これを５Ｖ程度の電圧レベルまで昇圧して２次側に出力する昇圧回路を設けている。また、上記のように昇圧回路を設ける場合に、２次側の出力が１次側に戻らないようにするため、ダイオードや同期整流素子により逆流阻止を図る構成を採用している。

この場合、ダイオードだけを用いる構成ではダイオードの順方向電圧Ｖｆ分の損失が発生するので、動作時間が短くなる不具合がある。この点、同期整流方式を採用すると、ダイオードによる損失分をなくすことができるので効率の向上を図ることができるが、２次側の電流が少ない状態では同期整流のための制御で効率が低下することがあった。このため、ダイオード整流と同期整流とを併用する方式が採用されている。

しかしながら、特許文献１のもののように、負荷電流のレベルがモードによってある程度決まっている機器に用いられる場合にはＣＰＵによる切り替え制御で有効であるが、車両の負荷のように、負荷電流が状況によって変動するものでは、同期整流動作とダイオード整流動作との切り替えが必ずしも有効とならず、ＣＰＵによる制御が難しいものとなるため、ＣＰＵ側からのモードによる切替制御が難しくなることがある。

また、特許文献２のもののように、逆流電流を検出して切り替えるものでは、逆電流を確実に検出するためのしきい値を設定する場合に、ある程度の幅をもたせることが必要となり、設定状態によっては２次側から同期整流素子を通じて１次側に電流が流れ込む場合がある。この場合、前述のようにリチウムイオン電池を電源として昇圧する構成では、リチウムイオン電池側に電流が流れ込む状態が発生することは安全上の点で好ましくない点で採用することが難しくなる。

特開２００４−３４３９０９号公報 特開２０１４−１１７１０９号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、２次側から１次側のリチウムイオン電池への逆流電流の発生を極力防止しつつ、同期整流を効率的に実施することができるようにした昇圧電源回路を提供することにある。

請求項１に記載の昇圧電源回路は、直流電源からの給電が停止したときにリチウムイオン電池を電源として負荷に給電する昇圧電源回路であって、前記リチウムイオン電池の出力電圧を所定レベルまで昇圧するための昇圧コイルと、前記昇圧コイル用への通電用の第１のスイッチング素子と、出力用のダイオードおよびこれに並列接続される第２のスイッチング素子と、前記リチウムイオン電池からの給電電流を検出する電流検出回路と、前記第１のスイッチング素子をオンさせて前記リチウムイオン電池から前記昇圧用コイルに通電し、昇圧出力を前記ダイオードもしくは前記第２のスイッチング素子を介して出力する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記電流検出回路により検出される前記１次側電流の値が所定レベル以上のときに前記第２のスイッチング素子をオンさせて前記負荷側に給電する。

上記構成を採用することにより、制御回路は、電流検出回路により検出される１次側電流の値が所定レベル以上のときに第２のスイッチング素子をオンさせて負荷側に給電する。この状態では、１次側電流が所定レベル以上あることで、２次側での負荷電流の消費が大きい状態が判定できるので、逆流電流が発生することはないので、第２のスイッチング素子をオンさせて同期整流により給電することができる。

一方、電流検出回路により検出される１次側電流の値が所定レベル未満になると、第２のスイッチング素子はオフ状態としてダイオードを介して負荷側に給電する。この状態では、１次側電流が所定レベル未満となることで、２次側での負荷電流が少ない状態であるから、逆流電流の発生を抑制するダイオードを用いた給電動作として逆流阻止を図る。このようにして、制御回路により、１次側電流に応じて自律的に同期整流動作とダイオード整流動作との切り替え動作を行わせることができるので、リチウムイオン電池への逆流電流を抑制しつつ、同期整流による効率的な昇圧動作を実施することができる。

第１実施形態を示す電気的構成図 タイムチャート 第２実施形態を示す電気的構成図 第３実施形態を示す電気的構成図 第４実施形態を示す電気的構成図 第５実施形態を示す電気的構成図 第６実施形態を示す電気的構成図 制御パターンによる作用説明図 変形例を示す電気的構成図（その１） 変形例を示す電気的構成図（その２）

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を参照して説明する。
電気的構成を示す図１において、車両に搭載される各種負荷に対して、バッテリ１からダイオード２、降圧ＤＣＤＣ変換回路３およびＰチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ４を直列に介して２次側のコンデンサ５の出力端子に出力電圧Ｖｏｕｔとして給電する。バッテリ１は通常１２Ｖの直流電圧ＶＢであるから、これを降圧ＤＣＤＣ変換回路３により降圧して所定の２次側電圧Ｖｏｕｔを供給する。

これに対して、昇圧電源回路１０は、バックアップ電源であるリチウムイオン電池１１の１次側電圧である直流電圧Ｖｂｕを昇圧して出力端子に２次側電圧Ｖｏｕｔとして給電する。昇圧電源回路１０は、バッテリ１からの給電が停止したときに動作して２次側電圧Ｖｏｕｔを生成するもので、負荷として接続された通信もモジュール６のような、非常時に通信が可能となるように設けられたものである。

昇圧電源回路１０は、昇圧回路構成として、Ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ１２、１３、コンデンサ１４、昇圧コイル１５、昇圧用のＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ１６、電流検出抵抗１７および同期整流用のＰチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ１８を備える。また、これら昇圧回路構成の各部を制御する制御部２０を備える。

ＭＯＳＦＥＴ１２、１３は、双方向の導通を遮断するカットスイッチとして構成され、第３のスイッチング素子として機能する。また、ＭＯＳＦＥＴ１２、１３は、それぞれボディダイオード１２ａ、１３ａを備える。ＭＯＳＦＥＴ１６は第１のスイッチング素子として機能し、ＭＯＳＦＥＴ１８は第２のスイッチング素子として機能する。ＭＯＳＦＥＴ１８には寄生ダイオード１８ａが備わっているので、並列に接続されるダイオードとして機能する。

ＭＯＳＦＥＴ１２および１３は、ソース同士が共通に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１２のドレインが端子Ａを介してリチウムイオン電池１１の正極端子に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１３のドレインがコンデンサ１４を介してグランドに接続されるとともに、昇圧コイル１５の一端子に接続される。昇圧コイル１５の他端子は、ＭＯＳＦＥＴ１６のドレイン−ソース間および電流検出抵抗１７を直列に介してグランドに接続される。また、昇圧コイル１５の他端子は、ＭＯＳＦＥＴ１８のドレイン−ソース間から端子Ｂを介してコンデンサ５の出力端子に接続される。

制御部２０は、ＩＣ（半導体集積回路）として一体に設けられている。制御部２０において、昇圧制御回路２１は、端子Ｂの２次側電圧Ｖｏｕｔを取り込み、ＭＯＳＦＥＴ１６および１８を駆動制御する。この場合、昇圧制御回路２１は、バッテリ１の直流電圧ＶＢをモニタするように給電経路の電圧を検出しており、例えば降圧ＤＣＤＣ変換回路３への直流電圧ＶＢが所定レベル以下になると昇圧動作を開始するように構成されている。

昇圧制御回路２１の出力端子は、駆動回路２２を介してＭＯＳＦＥＴ１６のゲートに接続され、駆動回路２３を介してＭＯＳＦＥＴ１８のゲートに接続される。駆動回路２２は昇圧制御回路２１からの信号に応じて駆動信号Ｓ１を出力する。駆動回路２３は、常時ハイレベルの信号を出力しており、制御回路２４から同期整流切替信号が与えられると、昇圧制御回路２１からの信号に応じて駆動信号Ｓ２を出力する。この場合、ＭＯＳＦＥＴ１６は、駆動信号Ｓ１がハイレベルのときオンする。また、ＭＯＳＦＥＴ１８は駆動信号Ｓ２がローレベルのときオンする。

制御回路２４は、電流検出回路２５からの電流検出信号Ｓｘに基づいて駆動回路２３の動作状態を制御する。電流検出回路２５は、ヒステリシス付のコンパレータ２６を備え、電流検出抵抗１７に流れる１次側電流Ｉｄを、端子電圧Ｖｄとして取り込み、参照電圧Ｖｒｅｆ１と比較して、超えている場合に電流検出信号Ｓｘを制御回路２４に出力する。

この場合、参照電圧Ｖｒｅｆ１は、２次側から１次側に電流が回り込まないようにするため、１次側電流Ｉｄのレベルにより設定されている。具体的には、１次側への逆流を防止できるレベルの１次側電流Ｉｄに対応した端子電圧Ｖｄを判定できるように参照電圧Ｖｒｅｆ１を設定している。

次に、上記構成の作用について、図２も参照して説明する。
車両においては、通常状態ではバッテリ１が接続された状態となっているので、出力端子にはバッテリ１側から２次側電圧Ｖｏｕｔが給電されている。バッテリ１の直流電圧ＶＢは、ダイオード２を介して降圧ＤＣＤＣ変換回路３に入力されている。降圧ＤＣＤＣ変換回路３では、直流電圧ＶＢを降圧して所定電圧例えば５ＶにしてＭＯＳＦＥＴ４を介して２次側電圧Ｖｏｕｔとして供給される。これにより、負荷として接続される通信モジュール６および他の機器にも給電される。

上記の状態では、図２（ａ）に示すように、バッテリの直流電圧ＶＢは保持されており、図２（ｆ）に示すように、降圧ＤＣＤＣ変換回路３により降圧された２次側電圧Ｖｏｕｔが出力されている。この状態では、昇圧電源回路１０は、図２（ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１２、１３からなるカットスイッチがオフ状態となっている。リチウムイオン電池１１の１次側電圧Ｖｂｕは、図２（ｃ）に示すように、３．６Ｖで出力されている。なお、図２では、図２（ｇ）に示しているように、上記の状態で２次側電流Ｉｏｕｔの消費が少ない状態である。

そして、車両においてはクランキングなどでバッテリ１の直流電圧ＶＢが低下したり、給電経路の断線などでバッテリ１からの給電が停止すると、これに伴って、降圧ＤＣＤＣ変換回路３の出力も低下するため、２次側電圧Ｖｏｕｔを一定電圧に保持するために昇圧電源回路１０が動作を開始する。

この場合、図２に示すように、時刻ｔ０で直流電圧ＶＢの低下が始まる場合で説明する。制御部２０において昇圧制御回路２１は、図２（ａ）に示すように、時刻ｔ０の時点からバッテリ１の直流電圧ＶＢの検出電圧が急速に低下して時刻ｔ１で所定レベルを下回ると、昇圧動作を開始させる。これにより、制御部２０は、図２（ｂ）に示すように、カットスイッチのＭＯＳＦＥＴ１２および１３をオンさせてリチウムイオン電池１１からコンデンサ１４に充電する。

また、バッテリ１の直流電圧ＶＢの低下は、２次側電流Ｉｏｕｔが急激に増大するなどの変動がある場合にも発生するので、この場合においても、昇圧電源回路１０は動作を開始するようになる。なお、バッテリ１の断線状態と異なり、２次側電流Ｉｏｕｔの増大に伴う昇圧電源回路１０の起動では、起動後にバッテリ１の直流電圧ＶＢが正常レベルに復帰することがあり、降圧ＤＣＤＣ変換回路３が動作して２次側電圧Ｖｏｕｔを供給するようになると、昇圧電源回路１０の１次側への逆流電流の発生を防止する必要がある。

昇圧制御回路２１は、昇圧動作を開始すると、図２（ｈ）に示すように、時刻ｔ２で駆動回路２２に対して駆動信号Ｓ１を出力してＭＯＳＦＥＴ１６をオンさせる。このとき、図２（ｇ）に示すように、２次側電流Ｉｏｕｔはほとんど流れていないので、２次側電圧Ｖｏｕｔもほとんど低下しておらず、ＭＯＳＦＥＴ１６のオン期間は時刻ｔ３までの短期間である。

ＭＯＳＦＥＴ１６がオンすると、リチウムイオン電池１１側から昇圧コイル１５、ＭＯＳＦＥＴ１６および電流検出抵抗１７を通電経路として通電される。これにより、図２（ｄ）に示すように、昇圧コイル１５にコイル電流ＩＬが流れる。ＭＯＳＦＥＴ１６がオフされると、昇圧コイル１５に発生する昇圧された電圧がＭＯＳＦＥＴ１８のドレインに印加される。

このとき、上記したようにＭＯＳＦＥＴ１６のオン時間が短いので、図２（ｅ）に示すように、１次側電流Ｉｄが少なく、図２（ｊ）に示すように、電流検出回路２５は検出信号Ｓｘを出力しない。この結果、制御回路２４は駆動回路２３に同期整流切替信号を出力しない状態となり、図２（ｉ）に示すように、昇圧制御回路２１は、駆動信号Ｓ２をハイレベルに保持し、ＭＯＳＦＥＴ１８をオフ状態に保持する。これにより、昇圧コイル１５に発生した電圧によって寄生ダイオード１８ａのアノード−カソード間を通じて電流が流れてコンデンサ５にチャージされ、図２（ｆ）に示すように、２次側電圧Ｖｏｕｔが保持された状態となる。

この後、所定周期が経過すると、制御部２０は、再び上記同様にして制御動作を実施すことにより、ＭＯＳＦＥＴ１６を短期間オンさせた後、寄生ダイオード１８ａを介して２次側電圧Ｖｏｕｔを出力する動作を繰り返し実施する。

そして、図２（ｇ）に示すように、時刻ｔ１からｔ４までの期間の２次側電流Ｉｏｕｔが少ない状態の場合には、ＭＯＳＦＥＴ１８のオンオフ制御を実施するよりも、寄生ダイオード１８ａを通じて電流を流して２次側電圧Ｖｏｕｔを供給する。これによって２次側電流Ｉｏｕｔが小さいときには、ダイオード整流動作により効率の良い給電を行うことができる。また、ＭＯＳＦＥＴ１８をオフ状態に保持しているので、バッテリ１からの給電が短期間で復活した場合においても、２次側電流Ｉｏｕｔが昇圧電源回路１０側に流れ込むことを防止でき、リチウムイオン電池１への電流の逆流を防止できる。

次に、図２（ｇ）に時刻ｔ４以降で示すように、２次側電流Ｉｏｕｔが中間レベルで流れる状態では、コンデンサ５の電荷が多く消費されるので、２次側電圧Ｖｏｕｔを保持するために、昇圧制御回路２１によりＭＯＳＦＥＴ１６への駆動信号Ｓ１はデューティを大きくした信号となる。

これにより、図２（ｄ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１６のオン期間中は昇圧コイル５に流れる電流ＩＬが上昇し、１次側電流Ｉｄも増加するので、図２（ｅ）に示すように、電流検出回路２５では、時刻ｔ５で１次側電流Ｉｄに相当する検出電圧Ｖｄが参照電圧Ｖｒｅｆ１を超えるようになり、図２（ｊ）に示すように、ハイレベルの電流検出信号Ｓｘを制御回路２４に出力する。

これにより、駆動回路２３は、制御回路２４から同期整流切替信号が与えられ、昇圧制御回路２１からの信号に応じて駆動信号Ｓ２をＭＯＳＦＥＴ１８のゲートに出力する。昇圧制御回路２１は、時刻ｔ６で、ＭＯＳＦＥＴ１６をオフさせる駆動信号Ｓ１を出力すると同時にＭＯＳＦＥＴ１８をオンさせる駆動信号Ｓ２を出力する。

ＭＯＳＦＥＴ１８がオンすることで、昇圧コイル１５に発生した誘起電圧でＭＯＳＦＥＴ１８を通じて２次側電圧Ｖｏｕｔとして出力される。ＭＯＳＦＥＴ１８がオンすることで、ダイオード整流ではなく同期整流動作となる。以下、２次側電流Ｉｏｕｔが中間レベルで流れる期間中は同様の制御が実施され、ＭＯＳＦＥＴ１８による同期整流動作が実施される。

この場合、２次側電流Ｉｏｕｔが負荷で消費されていて中間レベルで流れているため、１次側電流Ｉｄが大きくなることで、２次側から昇圧電源回路１０側へ電流が流れ込むことがないので、同期整流によって効率良く昇圧動作を実行できる。

また、図２（ｇ）に時刻ｔ７以降で示すように、２次側電流Ｉｏｕｔが高レベルで流れる状態では、コンデンサ５の電荷が多く消費されるので、２次側電圧Ｖｏｕｔを保持するために、昇圧制御回路２１によりＭＯＳＦＥＴ１６への駆動信号Ｓ１はデューティを大きくした信号となる。

この場合においても、制御部１０は、上記した２次側電流Ｉｏｕｔが中間レベルの場合と同様に、１次側電流Ｉｄが大きくなり電流検出回路２５から電流検出信号Ｓｘが出力される。この結果、昇圧制御回路２１は、ＭＯＳＦＥＴ１６のオフ時にＭＯＳＦＥＴ１８をオンさせることで、時刻ｔ９で同期整流動作を行うことで、同様の制御を実施する。

この後、時刻ｔ１０でバッテリ１の直流電圧ＶＢによる給電が復活すると、制御部２０において昇圧制御回路２１は、図２（ａ）に示すように、時刻ｔ１０の時点でバッテリ１の直流電圧ＶＢの検出電圧が所定レベルに達したことを検出し、昇圧動作を停止させる。これにより、制御部２０はカットスイッチのＭＯＳＦＥＴ１２および１３をオフさせてリチウムイオン電池１１を遮断する。

このような第１実施形態においては、１次側電流Ｉｄを検出する電流検出抵抗１７および電流検出回路２５を設けた。また、１次側電流Ｉｄに対応する検出電圧Ｖｄが、参照電圧Ｖｒｅｆ１以下では、寄生ダイオード１８ａによるダイオード整流動作を行い、参照電圧Ｖｒｅｆ１を超えると、ＭＯＳＦＥＴ１８をオンさせて自律的に同期整流動作を行うようにした。

これにより、２次側電流Ｉｏｕｔが所定レベル以上では自律的に同期整流動作により効率的な昇圧動作を行わせることができ、２次側電流Ｉｏｕｔが少ないときにはダイオード整流により１次側に逆流するのを防止し且つ動作効率の低下を抑制できる。この結果、ＣＰＵなどの制御を介在させることなく簡単な構成で、昇圧電源回路１０の動作中に２次側から１次側に電流が逆流してリチウムイオン電池１１に故障を与えることなく効率的な昇圧動作を実施することができるようになる。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、制御部２０に代えて、ＩＣにより構成される制御部３０を設ける構成としたところが異なる。すなわち、図３において、制御部３０は、ＭＯＳＦＥＴ１６、１８、寄生ダイオード１８ａおよび電流検出抵抗１７もＩＣ内部に一体に作り込んだ構成とされている。

このような第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、制御部３０を用いることで、全体をコンパクトに構成することができるので、省スペース化を図ることができるようになる。

（第３実施形態）
図４は第３実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ１６に代えてＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ１９を設け、制御部２０に代えて制御部４０を設けている。

図４に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１９は、所定のセンス比でドレイン電流が流れるように構成された電流検出用のセンスＭＯＳ１９ａを内蔵したものである。センスＭＯＳ１９ａは、ドレイン、およびゲートがＭＯＳＦＥＴ１９と共通に接続された状態で使用される。またセンスＭＯＳ１９ａのソースは、制御部４０の電流検出回路２５に接続されるとともに、制御部４０の内部に設けられた抵抗２７を介してグランドに接続されている。

なお、この構成ではセンスＭＯＳ１９ａにより１次側電流Ｉｄの検出を行うので、電流検出抵抗１７は設けない構成としており、ＭＯＳＦＥＴ１９のソースは直接グランドに接続される。

上記構成によれば、ＭＯＳＦＥＴ１９に流れるドレイン電流に対して、所定のセンス比でセンスＭＯＳ１９ａにセンス電流Ｉｄが流れるので、これを制御部４０の抵抗２７に流し、端子電圧Ｖｄを１次側電流Ｉｄの検出値として電流検出回路２５に入力することができる。

したがって、このような第３実施形態によっても第１実施形態と同様の作用効果を得る事ができるとともに、センスＭＯＳ１９ａを内蔵したＭＯＳＦＥＴ１９を用いることで、電流検出抵抗による損失を無くすことができ、効率良く昇圧動作を実施することができるようになる。

（第４実施形態）
図５は第４実施形態を示すもので、以下、第３実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、制御部４０に代えて、ＩＣにより構成される制御部５０を設ける構成としたところが異なる。すなわち、図５において、制御部５０は、ＭＯＳＦＥＴ１８、寄生ダイオード１８ａ、ＭＯＳＦＥＴ１９、センスＭＯＳ１９ａもＩＣ内部に一体に作り込んだ構成とされている。

このような第４実施形態によっても、第３実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、制御部５０を用いることで、全体をコンパクトに構成することができるので、省スペース化を図ることができるようになる。

（第５実施形態）
図６は第５実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、１次側電流Ｉｄを検出する構成に代えて、２次側電流Ｉｏｕｔのうち、通信モジュール６に流れる電流ＩＳを検出する構成を採用している。また、制御部２０に代えて制御部６０を設けている。

図６に示すように、１次側電流Ｉｄを検出するための電流検出抵抗１７は設けておらず、ＭＯＳＦＥＴ１６のソースは直接グランドに接続している。２次側電流Ｉｏｕｔのうちの通信モジュール６に流れる電流ＩＳを検出するために、通信モジュール６への通電経路に電流検出抵抗６１を設けている。電流検出抵抗６１の両端子は、制御部６０に設けた電流検出回路６２の電圧モニタ６２ａに接続され、それぞれ電圧信号ＶＳＰ、ＶＳＭとして入力させる。電圧モニタ６２ａは、電圧信号ＶＳＰとＶＳＭの差電圧を検出し、電流検出信号ＳＩとして制御回路２４に入力させる。

制御回路２４は、電流検出信号ＳＩに基づいて通信モジュール６に流れる電流ＩＳをモニタしている。そして、制御回路２４は、電流ＩＳのレベルが、同期整流動作をしても１次側への逆流が発生しないように設定された所定レベルを超えると駆動回路２３を有効化して第１実施形態と同様にして同期整流動作を実施させる。

従って、このような第５実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができるようになる。なお、この場合には、実際に２次側に負荷として接続された通信モジュール６の動作状態に応じて同期整流動作とダイオード整流動作とを切り替えることができる。

（第６実施形態）
図７から図１０は第６実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、制御部２０に代えて制御部７０を設け、同期整流動作に切替るための参照電圧Ｖｒｅｆ１を、リチウムイオン電池１１の電圧に応じて異なる参照電圧Ｖｒｅｆ２に変更する構成を採用している。

図７において、制御部７０は、電圧検出回路としてのコンパレータ７１を備え、ＭＯＳＦＥＴ１２および１３の共通接続点の電圧ＶＡを１次側電圧として入力する。電圧ＶＡはＭＯＳＦＥＴ１２を介して得られるリチウムイオン電池１１の直流電圧Ｖｂｕである。ＭＯＳＦＥＴ１２がオン状態では、電圧ＶＡをほぼリチウムイオン電池１１の直流電圧Ｖｂｕとして検出することができる。コンパレータ７１は、電圧ＶＡが参照電圧Ｖｒｅｆ３以上であるときには検出信号を制御回路２４ａに出力する。

制御部７０は、電流検出回路２５に代えて電流検出回路２５ａを備える。電流検出回路２５ａは、コンパレータ２６の参照電圧Ｖｒｅｆ１に加えてこれよりも小さい電圧の参照電圧Ｖｒｅｆ２（＜Ｖｒｅｆ１）に切替可能に設けられる。各参照電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２は、それぞれスイッチ２７、２８により切替設定される。スイッチ２７、２８は、制御回路２１ａからの切替信号Ｓｓ１、Ｓｓ２によってオンオフの切り替え制御が行われる。

次に、上記構成の作用について、図８も参照して説明する。
この実施形態においては、バックアップ電源としてのリチウムイオン電池１１の使用に伴って、１次側電圧である直流電圧Ｖｂｕの大きさが変動することを想定したものである。すなわち、リチウムイオン電池１１の直流電圧Ｖｂｕが高いときと低いときとでは、２次側の電流に対する１次側の電流が変化するので、これに対応した制御をきめ細かく行えるようにしたものである。このため、リチウムイオン電池１１の直流電圧Ｖｂｕに対応する検出電圧ＶＡに応じて電流検出回路２５ａに設定している参照電圧Ｖｒｅｆ１を切り替える構成としている。

コンパレータ７１は、１次側電圧である検出電圧ＶＡが参照電圧Ｖｒｅｆ３以上であるか否かを判断して制御回路２４ａに検出信号を出力する。制御回路２４ａは、１次側電圧が高いときには、切替信号Ｓｓ２によりスイッチ２８をオンさせ、参照電圧Ｖｒｅｆ２を設定する。参照電圧Ｖｒｅｆ２は参照電圧Ｖｒｅｆ１よりも小さい電圧であるから、１次側電流Ｉｄが小さく検出電圧Ｖｄが参照電圧Ｖｒｅｆ１より小さい電圧でも、参照電圧Ｖｒｅｆ２以上であれば駆動回路２３を有効化して同期整流動作を実施させる。

これにより、図８に示すように、１次側電圧ＶＡが高く、１次側電流Ｉｄが低い場合でも、２次側電流Ｉｏｕｔが中程度となる場合には、同期整流動作を行わせることができるようになる。なお、同一の条件でも、参照電圧をＶｒｅｆ１だけで切り替える構成の場合にはダイオード整流動作となる。

このように、１次側電圧ＶＡのレベルに応じて参照電圧を切り替えることで、つぎのような効果を得ることができる。すなわち、１次側電圧つまりリチウムイオン電池１１の直流電圧Ｖｂｕが高い場合には、２次側の負荷電流が同等であっても、１次側に流れる電流Ｉｄは少なくなる。このため、コンパレータ２６に設定する参照電圧を同一に設定する場合には、１次側電圧ＶＡが低い場合に比べて、２次側でより多くの電流が流れないと同期整流に移行することが出来ない。したがって、１次側電圧が高い場合の方が、大電流時に効率が低下することになる。

本実施形態では、この点について効率を向上させるために、１次側電圧ＶＡを検出することで、検出電圧ＶＡが高い場合は低い参照電圧Ｖｒｅｆ２に切り替えることができる。これにより１次側電圧ＶＡが高い場合でも、低い場合と比較しても同等の負荷電流で同期整流に移行することが可能となる。

なお、上記実施形態においては、１次側電圧Ｖｂｕの検出を、ＭＯＳＦＥＴ１２および１３の共通接続点で検出電圧ＶＡとして検出する構成としているが、図９や図１０のように異なる部位で検出することもできる。

図９では、コンパレータ７１の非反転入力端子に、１次側電圧Ｖｂｕの電圧を検出電圧ＶＢとして直接入力する構成としている。この場合には、カットスイッチとなるＭＯＳＦＥＴ１２や１３を介さない状態で検出するので、誤差が少ない状態で検出をすることができる。

また、図１０では、コンパレータ７１の非反転入力端子に、１次側電圧Ｖｂｕの電圧をカットスイッチのＭＯＳＦＥＴ１２および１３を介した状態で検出電圧ＶＣとして入力する構成としている。この場合には、カットスイッチとなるＭＯＳＦＥＴ１２や１３を介しているので若干低い電圧として検出されるが、ＭＯＳＦＥＴ１２、１３がオフ状態のときには電圧の検出をしない構成である。

（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみ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の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。

上記各実施形態では、バッテリ１による給電が停止したり、クランキングなどで電圧が低下したときに負荷としての通信モジュール６の動作電源を確保するために昇圧電源回路１０を動作させる構成であるが、通信モジュール６以外の負荷を駆動する場合においても適用することができる。

また、上記各実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ１８の寄生ダイオード１８ａを、ダイオードとして機能させる構成としているが、寄生ダイオードを備えないＭＯＳＦＥＴを用いる場合には別途ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードを接続する構成とすることができる。
さらに、第１、第２および第３スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子を用いることもできる。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１はバッテリ（直流電源）、３は降圧ＤＣＤＣ変換回路、４はＰチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ、６は通信モジュール（負荷）、１０は昇圧電源回路、１１はリチウムイオン電池（バックアップ電源）、１２、１３はＰチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ（第３のスイッチング素子、カットスイッチ）、１５は昇圧コイル、１６はＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ（第１のスイッチング素子）、１７、６１は電流検出抵抗、１８はＰチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ（第２のスイッチング素子）、１８ａは寄生ダイオード（ダイオード）、２０、３０、４０、５０、６０、７０は制御部（半導体集積回路）、２１は昇圧制御回路、２４は制御回路、２５、２５ａ、６２は電流検出回路、７１はコンパレータ（電圧検出回路）である。

Claims (7)

1. 直流電源（１）からの給電が停止したときにバックアップ電源となるリチウムイオン電池（１１）を電源として負荷に給電する昇圧電源回路であって、
   前記リチウムイオン電池の出力電圧を所定レベルまで昇圧するための昇圧コイル（１５）と、
   前記昇圧コイル用への通電用の第１のスイッチング素子（１６、１９）と、
   出力用のダイオード（１８ａ）およびこれに並列接続される第２のスイッチング素子（１８）と、
   前記リチウムイオン電池からの給電電流を検出する電流検出回路（１７、１９ａ、２５、２５ａ、６１、６２）と、
   前記第１のスイッチング素子をオンさせて前記リチウムイオン電池から前記昇圧用コイルに通電し、昇圧出力を前記ダイオードもしくは前記第２のスイッチング素子を介して出力する制御部（２０、３０、４０、５０、６０、７０）とを備え、
   前記制御部は、前記電流検出回路により検出される電流の値が所定レベル以上のときに前記第２のスイッチング素子をオンさせて前記負荷側に給電する昇圧電源回路。
2. 前記リチウムイオン電池と前記昇圧用コイルとの間に通電経路を遮断する第３のスイッチング素子（１２、１３）を設けた請求項１に記載の昇圧電源回路。
3. 前記電流検出回路（１９ａ、２５）は、前記第１スイッチング素子（１９）に設けられた電流検出用のセンス素子（１９ａ）である請求項１または２に記載の昇圧電源回路。
4. 前記電流検出回路（６１、６２）は、前記負荷側の電流を検出するように設けられる請求項１から３のいずれか一項に記載の昇圧電源回路。
5. 前記リチウムイオン電池の電圧を検出する電圧検出回路（７１）を設け、
   前記制御部（７０）は、前記電圧検出回路により検出される電圧に応じて前記電流検出回路（２５ａ）により判定する所定レベルを切り替えるように構成された請求項１から４のいずれか一項に記載の昇圧電源回路。
6. 前記第３のスイッチング素子（１２、１３）は、ＭＯＳＦＥＴをソース同士もしくはドレイン同士を結合した直列回路として構成され、
   前記電圧検出回路は、前記２個のＭＯＳＦＥＴの共通接続点の電圧を検出する請求項２から５のいずれか一項に記載の昇圧電源回路。
7. 前記制御部（２０、３０、４０、５０、６０、７０）は、集積回路により構成される請求項１から６のいずれか一項に記載の昇圧電源回路。

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