JP3755507B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
【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 (10)
- 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。
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