JP3755507B2

JP3755507B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP3755507B2
Application number: JP2002288187A
Authority: JP
Inventors: 克也小山; 昭二佐々木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: JP2004129350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源装置に関する。特に、昇降圧機能を有する電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−１６６２２３号公報には、省エネルギ化の要求を満足するために、ＰＷＭ制御方式とＰＦＭ制御方式のいずれの制御方式によろうとも、動作状態がどのようであっても電源効率を、より改善できるようにすることが記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１６６２２３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電源装置のシュリンク化においては、昇圧時の電流値が課題となる。昇圧時の電流値は、降圧時と比較して大きくなることが知られている。このため、昇圧時電流をターゲットにして設計するとデバイスサイズが大きくなる。特に、過電流発生時の検出値が課題となり、昇圧時の検出値で統一すると降圧時の過電流制限動作時の発熱が大きくなリ、デバイスサイズも大きくなる。
【０００５】
また、バッテリがへたってきた際に電源投入すると、常時昇圧動作となり発熱が大きくなる。昇降圧機能を有する電源装置おいて、昇圧時の過電流検出値で統一すると降圧時の過電流制限動作時の発熱が大きくなるという課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、発熱をより低減し、且つ、デバイスサイズをより小型化できる電源装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明の電源装置では、バッテリと、前記バッテリから出力された電圧を降圧する機能と、前記バッテリから出力された電圧を昇圧する機能と、降圧時または昇圧時の出力電流が過電流状態であることを検出する機能と、前記過電流状態であることを検出した場合に、前記出力電流の電流制限動作を行う機能とを有する電源装置において、前記過電流状態における過電流検出値は、前記降圧時の方が前記昇圧時より小さい値に設定されていることを特徴としている。
【０００８】
また、電源投入時は昇圧動作を禁止する手段を有することを特徴としている。
【０００９】
また、バッテリ電圧を検出する手段と、昇圧動作有効バッテリ電圧に下限値を有し、バッテリ電圧が前記下限値以下であることを検出したとき、昇圧機能を停止する手段を有することを特徴としている。
【００１０】
また、電源装置の過熱を検出する手段を有し、過熱検出時は電源装置の動作を停止する手段を有することを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明者らは関係する技術を種々検討した。電圧５Ｖを出力するためには、バッテリ電圧は最低でも６Ｖ必要であり、動作保証バッテリ電圧範囲は６Ｖ以上であることが一般的である。従来の電源装置は昇圧機能を有していない。しかし、近年のアイドルストップ機構などによりバッテリへの負荷は大きくなってきている。また、動作保証バッテリ最低電圧は低電圧化が要求される。例えば、最低動作保証バッテリ電圧は４.５Ｖを要求されてきている。
【００１２】
このために、従来の降圧機能のみの電源装置では前記要求仕様を満足できないので昇降圧機能を必要とする。
【００１３】
以下、一実施例を説明する。図１は、電源装置の一例を示した図である。１は、バッテリである。バッテリ電圧１ａは、電源装置８内に設定されるレギュレータ２に供給される。
【００１４】
レギュレータ２では、バッテリ電圧１ａを後段のレギュレータ３、および、レギュレータ４の損失が小となり、且つ、レギュレータ３、および、レギュレータ４が目標電圧を出力できる低電圧を生成する。例えば、レギュレータ２の出力電圧２ａは、６.５Ｖとする。
【００１５】
レギュレータ３では、レギュレータ出力電圧２ａから、例えばマイコンのＩ／Ｏ電源に最適な５Ｖを生成する。
【００１６】
また、レギュレータ４では、レギュレータ出力電圧２ａから、例えばマイコンのＣＰＵコア電源に最適な３.３Ｖを生成する。
【００１７】
６は、電源装置８の過温度を検出する過熱検出器である。電源装置８内の過温度を過熱検出器６で検出すると、その検出信号６ａにより、レギュレータ２を停止し、それによりレギュレータ２の後段のレギュレータ３、および、４を停止し、電源装置８を完全停止する。
【００１８】
また、７はマイクロコンピュータであり、近年のマイクロコンピュータのシュリンク化，高速化により、マイクロコンピュータの電源は複数有することが一般的である。
【００１９】
電圧３ａは、主にＩ／Ｏ入出力用電源であり、先に延べた５Ｖ電圧が一般的である。
【００２０】
また、電圧４ａはマイクロコンピュータのＣＰＵコア電源に適用され、損失を低減するために低電圧化する傾向がある。近年は、電圧４ａは３.３Ｖが一般的であるが、将来的には２.６Ｖ，１.８Ｖと更に低電圧化する傾向にある。
【００２１】
５はバッテリ電圧１ａの電圧値を検出する電圧検出器であり、レギュレータ２では、検出値５ａに従いレギュレータ２の昇圧／降圧動作を切換える。
【００２２】
図２は、レギュレータ２の内部回路構成を示す図である。本図では、１コイル方式の昇降圧スイッチングレギュレータを例に説明する。
【００２３】
スイッチングレギュレータ２は、昇圧動作と降圧動作の２機能をバッテリ電圧１ａの電圧を元に切換えることは前述の通りである。
【００２４】
バッテリ電圧１ａは、電圧検出器５で検出し、検出信号５ａに基づき昇圧／降圧動作をコントローラ１５で切換える。
【００２５】
また、トランジスタ１１から出力する電流２２は、トランジスタ１２で分流した電流２３を電流電圧変換素子１３の両端の電圧を検出することにより測定できる。本方式では、電流２２と電流２３の比は、トランジスタ１１とトランジスタ１２の比で決定され、通常トランジスタ１２に流す電流２３は、電流２２の１／１００程度に設定する。
【００２６】
よって、トランジスタ１１から出力する電流２２は、電流電圧変換素子１３の両端の電圧を過電流検出部１４で測定し、過電流か否かを判定し、過電流検出信号１４ａをコントローラ１５に入力する。
【００２７】
コントローラ１５では、過電流発生時は過電流検出信号１４ａにより、電流２２の電流制限制御を行い、レギュレータ２を保護する。
【００２８】
ここで、降圧動作時のレギュレータ２の回路動作について説明する。
【００２９】
コントローラ１５は、出力電圧２ａに基づき、トランジスタ１１をＰＷＭ動作させ、生成した矩形波形をトランジスタ１１後段のインダクタンス１８，コンデンサ２１，ダイオード１７で平滑化して一定電圧を２ａに出力する。
【００３０】
なお、降圧動作時は、トランジスタ１６はオフ固定である。
【００３１】
次に、昇圧動作時の回路動作について説明する。
【００３２】
昇圧動作時は、コントローラ１５は、トランジスタ１６をＰＷＭ動作させる。このとき、トランジスタ１１はオン固定、または、トランジスタ１６に同期させて動作させるかの２通りが考えられるが、このような昇圧／降圧動作を切換えるようなレギュレータでは、切換えをスムーズに行うために、トランジスタ１１は、トランジスタ１６に同期させて動作させる方が望ましい。
【００３３】
コントローラ１５により、トランジスタ１６がオンすると、インダクタンス１８にエネルギーが蓄えられる。そして、トランジスタ１６がオフすると、インダクタンス１８に蓄えられたエネルギーが解放され、コンデンサ２１に前記エネルギーがコピーされ、昇圧動作を行う。ダイオード１９は、コンデンサ２１に蓄えられたエネルギーが逆流するのを防止するために設定した素子である。
【００３４】
昇圧時と降圧動作時では、電流２４が同一でも電流２２は異なる値となる。
【００３５】
消費電流２４をＩｒ、バッテリ電圧１ａをＶｂａｔ、生成電圧２ａをＶＣＣ、インダクタンス１８をＬ、スイッチングレギュレータの駆動周波数をｆｒｅｑ、電流２２をＩＬとすると、昇圧／降圧動作時の電流２２は下記となる。
【００３６】

【００３７】
上記式１、および、式２より、電流２２ＩＬは、昇圧時の方が降圧時より大きくなることが明らかである。
【００３８】
よって、昇圧時の電流２２に合わせて、全ての動作時の過電流判定値を決定すると、降圧時の過電流制限動作時の損失が大きくなり望ましくない。そのために、昇圧動作と降圧動作時の過電流判定値は分ける必要がある。
【００３９】
図２において、電圧検出器５の検出信号５ａにより、コントローラ１５で昇圧／降圧動作を切換えると同時に、過電流検出部１４で過電流判定値を切換える。
【００４０】
図３は、昇圧／降圧切換え時の各部の波形を示した図である。
【００４１】
タイミング３４までの、バッテリ電圧１ａが、電圧３２以上の時は、レギュレータ２の生成電圧２ａは、降圧動作により生成される。降圧動作時は、コントローラ１５は、トランジスタ１６を信号１５ｂによりオフ固定とし、検出信号15ａが“０”によりトランジスタ１１をＰＷＭ動作する。ここで、検出信号１５ａは、“０”が降圧動作時、“１”が昇圧動作時を示すこととする。
【００４２】
降圧動作時の電流２２の過電流判定レベル３１は３６ａとし、また電流２２は図３に示すようにレベル３６ａより小さい値となる。
【００４３】
タイミング３４から３５は、昇圧動作時となり、バッテリ電圧１ａが、電圧
３２以下になったことを電圧検出器５で検出すると、検出信号５ａが“１”になりレギュレータ２は昇圧動作を開始する。
【００４４】
昇圧動作時は、コントローラ１５では、トランジスタ１１の制御信号１５ａとトランジスタ１６の制御信号１５ｂを出力し、２つのトランジスタをＰＷＭ制御する。
【００４５】
電流２２は、バッテリ電圧１ａの低下により、大きくなっていくのは、式２より明らかである。また、過電流判定レベルは、検出信号５ａにより昇圧動作時のレベル３６ｂに切換える。レベル３６ｂは、降圧動作時の過電流判定レベル36ａより大きな値である。図のように昇圧動作時の電流２２は、降圧動作時の過電流判定レベル３６ａより大きくなる。
【００４６】
タイミング３５以降は、バッテリ電圧１ａの電圧値が上昇し、昇圧動作を停止し、降圧動作に切り換わることを示した図である。
【００４７】
昇圧動作から降圧動作に切換えるタイミングは、バッテリ電圧１ａが、電圧３２に対しヒステリシス電圧を有する電圧３３以上のタイミングである。バッテリ電圧１ａが電圧３３以上になったことを電圧検出器５で検出し、検出信号５ａが“０”になり、コントローラ１５は昇圧動作から降圧動作に切換わる。なお、降圧動作時の各部の動作は区間３４までの時と同じである。
【００４８】
過電流判定レベル３１を３６ａと３６ｂの２段階に設定することは、過電流発生時のレギュレータ２の保護に有効である。
【００４９】
通常バッテリ電圧１ａは、１２Ｖ程度であり電圧３３より大きいので、レギュレータ２は降圧動作である。即ち、通常動作時、レギュレータ２は降圧動作時の頻度が高い。よって、もし、過電流状態が発生しても、降圧動作用の低い過電流制限値３６ａでレギュレータ出力電流２２を制限すれば、レギュレータ２の発熱を低く防ぐことができる。
【００５０】
また、昇圧動作時、電流２２は大きくなるので、過電流誤検出防止のために、過電流判定レベル３１は高いレベル３６ｂにする必要がある、もし、過電流が発生しても、過電流制限値３６ｂで電流２２を制限し発熱を防止する。
【００５１】
更に発熱がレギュレータ２で発生した場合は、過熱検出器６で検出し、レギュレータ２を停止し、デバイス破壊を防止できる。
【００５２】
図４は、電源投入時の各部の波形を示した図である。
【００５３】
タイミング４１で電源が投入されると、バッテリ電圧１ａは上昇していき、その上昇に従いレギュレータ出力電圧２ａも上昇していく。このとき、トランジスタ１１の制御信号１５ａはオン固定となり、トランジスタ１１もオン固定となる。よって、レギュレータ出力電圧２ａは、バッテリ電圧１ａに追従する。制御信号１５ａがオン固定となるのは、バッテリ電圧１ａが低いためにレギュレータ２の目標電圧に満たないためである。
【００５４】
本実施例では、昇圧動作に許可条件を設けている。バッテリ電圧１ａが、電圧３３を１回以上大きくなったことを電圧検出器５で検出した後、バッテリ電圧１ａが電圧３２以下になった場合に昇圧動作を開始する。
【００５５】
そのため、バッテリ電圧１ａが、電圧３２以下であるが、電圧検出器５の電圧検出信号５ａは、“０”となり降圧動作時を示す。即ち、電源投入時は、昇圧動作は開始せずに、過電流判定レベル３１は３６ａ、トランジスタ１６の制御信号１５ｂはオフとなる。
【００５６】
タイミング４２で、バッテリ電圧１ａが電圧３３以上となった時、電圧検出器５内部において、電圧検出信号５ｂが“１”となる。
【００５７】
電圧検出信号５ｂが“１”になると、電圧検出信号５ａは許可状態になり、昇圧機能の動作が許可される。以降、図４に示した通り、バッテリ電圧１ａに従い昇圧／降圧動作を切換え可能とする。
【００５８】
図５は、電源遮断時の各部の波形を示した図である。
【００５９】
電源であるバッテリ電圧１ａが低下する。
【００６０】
タイミング５１で、バッテリ電圧１ａが電圧３２以下であることを電圧検出器５で検出し、電圧検出信号５ａが“１”に変化し、昇圧動作を開始する。即ち、過電流判定レベルは、昇圧動作時の３６ｂとなり、トランジスタ１６を制御する信号１５ｂがコントローラ１５から出力する。
【００６１】
しかし、デバイスには、動作可能電圧が存在する。また、式２により、バッテリ電圧１ａであるＶｂａｔが低下するに従い、電流２２ＩＬが増大する。このため、本実施例では昇圧動作電圧に下限値を設定する。前記下限値はバッテリ電圧１ａにより決定し、下式を満たす値に設定する。
【００６２】
電圧５４＞デバイス動作可能電圧 …式３
よって、タイミング５２で、バッテリ電圧１ａが判定レベル５４以下であることを電圧検出器５で検出すると、検出信号５ａは“０”となり、本信号に基づき昇圧動作を停止し、降圧動作に切り換わる。即ち、コントローラ１５はトランジスタ１６の制御信号１５ｂを停止し、また、電流２２の過電流判定レベルは36ａになる。また、トランジスタ１１の制御信号１５ａはオン固定となり、レギュレータ２の出力電圧２ａはバッテリ電圧１ａに追従して低下する。制御信号１５ａがオン固定となるのは、バッテリ電圧１ａが低いためにレギュレータ２の目標電圧に満たないためである。
【００６３】
タイミング５３では、バッテリ電圧１ａが０Ｖとなり、レギュレータ２の出力電圧２ａは０Ｖとなる。
【００６４】
以上、一実施形態について記述したが、これは前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求項の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で設計において種種の変更ができるものである。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱をより低減し、且つ、デバイスサイズをより小型化できる電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電源装置の一例を示した図。
【図２】レギュレータ２の内部回路構成を示す図。
【図３】昇圧／降圧切換え時の各部の波形を示した図。
【図４】電源投入時の各部の波形を示した図。
【図５】電源遮断時の各部の波形を示した図。
【符号の説明】
１…バッテリ、２…レギュレータ、５…電圧検出器、６…過熱検出器、１１…（降圧用）トランジスタ、１４…過電流検出部、１５…コントローラ、１６…（昇圧用）トランジスタ、１７…ダイオード、１８…インダクタンス、１９…ダイオード、２１…コンデンサ。

Claims

バッテリと、
前記バッテリから出力された電圧を降圧する機能と、
前記バッテリから出力された電圧を昇圧する機能と、
降圧時または昇圧時の出力電流が過電流状態であることを検出する機能と、
前記過電流状態であることを検出した場合に、前記出力電流の電流制限動作を行う機能とを有する電源装置であって、
前記過電流状態における過電流検出値は、前記降圧時の方が前記昇圧時より小さい値に設定されていることを特徴とする電源装置。
請求項１記載の電源装置において、
前記電源装置は、前記バッテリの電源立ち上り時に、昇圧動作を禁止する手段を有することを特徴とする電源装置。
請求項１記載の電源装置において、
前記電源装置は、前記バッテリの出力電圧を検出する電圧検出手段を有し、
昇圧動作が有効な前記出力電圧には下限値が設けられており、
前記出力電圧が前記下限値より小さいことを前記電圧検出手段が検出したとき、前記昇圧する機能を停止する手段を有することを特徴とする電源装置。
請求項１記載の電源装置において、
前記電源装置は、該電源装置が過熱状態であることを検出する過熱検出手段と、
前記過熱検出手段が前記過熱状態であることを検出した場合、前記電源装置の動作を停止する手段とを有することを特徴とする電源装置。
バッテリを備えた電源装置であって、
前記バッテリに電気的に接続されており、前記バッテリの電圧が第１の値以上の場合、前記バッテリの出力電圧から所定電圧を降圧生成する降圧回路と、
前記バッテリに電気的に接続されており、前記バッテリの電圧が第２の値以下の場合、前記バッテリの出力電圧から所定電圧を昇圧生成する昇圧回路と、
前記電源装置の出力電流の電流値を検出する電流検出回路と、
前記電流値が第１の電流値よりも大きい場合に電流制限動作を行う電流制限動作回路とを有し、
前記バッテリの電圧が前記第１の値以上の場合の前記第１の電流値は、前記第２の値以下の場合の前記第１の電流値より小さいことを特徴とする電源装置。
請求項５記載の電源装置において、
前記電源装置は、前記バッテリの電源立ち上り時には昇圧を行わないことを特徴とする電源装置。
請求項５記載の電源装置において、
前記電源装置は、前記バッテリの電圧が前記第２の値より小さい第３の値以下であることを検出したとき、昇圧機能を停止することを特徴とした電源装置。
請求項５記載の電源装置において、
前記電源装置は、該電源装置の温度を検出する温度検出回路を有し、
前記温度検出回路は、前記電源装置が過熱状態であると判定した時、該電源装置の動作を停止することを特徴とする電源装置。
バッテリと、
前記バッテリからの出力電圧を昇圧または降圧する昇降圧回路と、
前記出力電圧の大きさを検出する電流検出回路と、
前記電圧検出回路から検出された前記出力電圧の大きさが基準電圧値より小さい場合、前記昇降圧回路を昇圧動作させて電流を生成する昇圧状態に制御し、該出力電圧の大きさが該基準電圧値より大きい場合、該昇降圧回路を降圧動作させて電流を生成する降圧状態に制御する制御回路と、
前記電流が過電流状態であることを検出する過電流検出回路とを有する電源装置であって、
前記過電流検出回路は、前記過電流状態であるか否かを判定するための基準となる過電流値が設定されており、
前記過電流値の大きさは、前記昇圧状態における第１過電流値と前記降圧状態における第２過電流値とで異なって設定されており、
前記第１過電流値は、前記第２過電流値より大きいことを特徴とする電源装置。
請求項９記載の電源装置において、
前記制御回路は、ＰＷＭ動作により矩形波を生成して前記昇降圧回路を制御することを特徴とする電源装置。