JP4337041B2 - Dc−dcコンバータ - Google Patents

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Description

本発明は、DC−DCコンバータに関する。
従来、DC−DCコンバータとして、例えば、特開2003−174768号公報に開示されているものがある。図5に示すように、このDC−DCコンバータ10は、インダクタ111と、ダイオード112と、キャパシタ119と、MOSFET113aと、抵抗120と、スイッチング制御回路115と、MPU22とから構成されている。インダクタ111の一端はプラス側入力端子10aを介して電池電源2のプラス側に、他端はダイオード112のアノードに接続され、電池電源2のマイナス側はマイナス側入力端子10bに接続されている。ダイオード112のカソードはキャパシタ119の一端とプラス側出力端子1cに接続され、キャパシタ119の他端はマイナス側出力端子1dに接続されている。MOSFET113aのドレインはインダクタ111とダイオード112の接続点に、ゲートはスイッチング制御回路115に、ソースは抵抗120を介してマイナス側入力端子10b及びマイナス側出力端子1dにそれぞれ接続されている。スイッチング制御回路115の2つの入力端子はMPU22に、出力端子はMOSFET113aのソースにそれぞれ接続されている。MPU22の入力端子は電池電源2のプラス側に、別の入力端子はダイオード112とキャパシタ119の接続点に、さらに別の入力端子はMOSFET113aのソースと抵抗120の接続点に、2つの出力端子はスイッチング制御回路115にそれぞれ接続されている。
MPU22は、内部のROM226に記憶されている基本昇圧波形と三角波波形との比較結果に基づいて、MOSFET113aをスイッチングするための基本スイッチング波形を発生する。この基本スイッチング波形のデューティ比は、電池電源2の電圧、キャパシタ119の電圧及びMOSFET113aを介してインダクタ111に流れる電流と、予め記憶されている基準変化カーブとの比較結果に基づいて変化する。スイッチング制御回路115はMPU22からのスイッチング波形に基づいてMOSFET113aをスイッチングする。MOSFET113aがオンすると、電池電源2からインダクタ111に電流が流れ、インダクタ111に磁気エネルギーが蓄積される。MOSFET113aがオフすると、インダクタ111に蓄積された磁気エネルギーがダイオード112を介して放出され、キャパシタ119が充電される。このとき、インダクタ111の端子間に電圧が誘起されため、キャパシタ119の電圧は電池電源2の電圧より高電圧となる。これにより、DC−DCコンバータ10は電池電源2の電圧を安定した所定の高電圧に昇圧して出力する。
特開2003−174768号公報
前述したDC−DCコンバータ10はMOSFET113aのスイッチングに伴ってスイッチングノイズを発生する。スイッチングノイズの周波数はMOSFET113aのスイッチング周波数である。このスイッチング周波数はMPU22のROM226に記憶された三角波波形の周波数によって一義的に決まる。そのため、スイッチングノイズのエネルギーはスイッチング周波数に集中する。これにより、スイッチング周波数におけるスイッチングノイズのエネルギーが大きくなり、DC−DCコンバータ10の周辺に配設される電子制御装置等の動作に影響を与える可能性がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、スイッチングノイズを低減することができるDC−DCコンバータを提供することを目的とする。
そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、スイッチング周波数を出力電圧の大きさに関係なく変化させることで、スイッチングノイズのエネルギーが特定の周波数に集中せず拡散できることを思いつき、本発明を完成するに至った。
すなわち、請求項1に記載のDC−DCコンバータは、直流電源に接続されるコイルと、前記コイルに接続されスイッチングすることで前記コイルに流れる前記直流電源からのコイル電流を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を介して流れる前記コイル電流の大きさと所定の電流閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第1のオン時間を決定するとともに前記第1のオン時間の長さに応じた第1のオン信号を発生する第1のオン信号発生回路と、負荷に供給される出力電圧の大きさと所定の電圧閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第2のオン時間を決定するとともに前記第2のオン時間の長さに応じた第2のオン信号を発生する第2のオン信号発生回路と、前記スイッチング素子の所定のオフ時間の長さに応じたオフ信号を発生するオフ信号発生回路と、前記第1のオン信号、前記第2のオン信号及び前記オフ信号から前記スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング素子駆動信号を合成するスイッチング素子駆動信号合成回路とを備えたDC−DCコンバータにおいて、前記第1のオン時間を時間の経過とともに変化させることで、前記出力電圧の大きさに関わらず前記スイッチング素子駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させるスイッチング周波数可変回路を有することを特徴とする。
請求項2に記載のDC−DCコンバータは、請求項1に記載のDC−DCコンバータにおいて、さらに、前記スイッチング周波数可変回路は、前記所定の電流閾値を時間の経過とともに変化させることを特徴とする。
請求項3に記載のDC−DCコンバータは、請求項2に記載のDC−DCコンバータにおいて、さらに、前記スイッチング周波数可変回路は、交流電圧を発生する交流電圧発生回路からなることを特徴とする。
請求項4に記載のDC−DCコンバータは、請求項2に記載のDC−DCコンバータにおいて、さらに、前記スイッチング周波数可変回路は、前記スイッチング素子のスイッチング回数を計数するカウンタ回路と、前記カウンタ回路の計数結果に基づいて複数の異なる大きさの電圧を順次切換えて出力する基準電源回路とからなることを特徴とする。
請求項5に記載のDC−DCコンバータは、直流電源に接続されるコイルと、前記コイルに接続されスイッチングすることで前記コイルに流れる前記直流電源からのコイル電流を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を介して流れる前記コイル電流の大きさと所定の電流閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第1のオン時間を決定するとともに前記第1のオン時間の長さに応じた第1のオン信号を発生する第1のオン信号発生回路と、負荷に供給される出力電圧の大きさと所定の電圧閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第2のオン時間を決定するとともに前記第2のオン時間の長さに応じた第2のオン信号を発生する第2のオン信号発生回路と、前記スイッチング素子の所定のオフ時間の長さに応じたオフ信号を発生するオフ信号発生回路と、前記第1のオン信号、前記第2のオン信号及び前記オフ信号から前記スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング素子駆動信号を合成するスイッチング素子駆動信号合成回路とを備えたDC−DCコンバータにおいて、前記所定のオフ時間を変化させることで、前記出力電圧の大きさに関わらず前記スイッチング素子駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させるスイッチング周波数可変回路を有し、前記オフ信号発生回路は、所定の充電電流で充電されるコンデンサの電圧の大きさと所定のオフ時間閾値との比較結果に基づいて前記所定のオフ時間の長さに応じたオフ信号を発生し、前記スイッチング周波数可変回路は、三角波状の交流電圧を発生する交流電圧発生回路と、前記交流電圧発生回路の発生する交流電圧をその電圧の大きさに応じた電流に変換する電圧電流変換回路とを有し、前記所定の充電電流を時間の経過とともに変化させることを特徴とする。
請求項6に記載のDC−DCコンバータは、
直流電源に接続されるコイルと、前記コイルに接続されスイッチングすることで前記コイルに流れる前記直流電源からのコイル電流を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を介して流れる前記コイル電流の大きさと所定の電流閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第1のオン時間を決定するとともに前記第1のオン時間の長さに応じた第1のオン信号を発生する第1のオン信号発生回路と、負荷に供給される出力電圧の大きさと所定の電圧閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第2のオン時間を決定するとともに前記第2のオン時間の長さに応じた第2のオン信号を発生する第2のオン信号発生回路と、前記スイッチング素子の所定のオフ時間の長さに応じたオフ信号を発生するオフ信号発生回路と、前記第1のオン信号、前記第2のオン信号及び前記オフ信号から前記スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング素子駆動信号を合成するスイッチング素子駆動信号合成回路とを備えたDC−DCコンバータにおいて、前記所定のオフ時間を変化させることで、前記出力電圧の大きさに関わらず前記スイッチング素子駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させるスイッチング周波数可変回路を有し、前記オフ信号発生回路は、複数の異なる前記所定のオフ時間の長さに応じた複数の前記オフ信号を発生し、前記スイッチング周波数可変回路は、前記スイッチング素子のスイッチング回数を計数するカウンタ回路と、前記カウンタ回路の計数結果に基づいて前記複数のオフ信号を順次切換えて出力するオフ信号切換え回路とからなることを特徴とする。
請求項7に記載のDC−DCコンバータは、請求項1乃至6に記載のDC−DCコンバータにおいて、さらに、前記スイッチング素子、前記第1のオン信号発生回路、前記第2のオン信号発生回路、前記オフ信号発生回路、前記スイッチング素子駆動信号合成回路及び前記スイッチング周波数可変回路は、ICとして一体に構成されていることを特徴とする。
請求項8に記載のDC−DCコンバータは、請求項1乃至7に記載のDC−DCコンバータにおいて、さらに、車両乗員を保護する車両用乗員保護装置に用いられることを特徴とする。
請求項1に記載のDC−DCコンバータによれば、スイッチング周波数可変回路で、出力電圧の大きさに関わらず、スイッチング素子駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させることができる。これにより、スイッチングノイズのエネルギーが特定の周波数に集中せず拡散されるため、それぞれのスイッチング周波数におけるスイッチングノイズのエネルギーの大きさを低減することができる。また、スイッチング周波数可変回路でスイッチング素子のオン時間を変化させるとことにより、スイッチング周波数を確実に変化させることができる。スイッチング周期はスイッチング素子のオン時間とオフ時間の合計である。スイッチング素子のオン時間を変化させることによりスイッチング周期が変わりスイッチング周波数が変化する。これにより、スイッチング周波数を確実に変化させることができる。
請求項2に記載のDC−DCコンバータによれば、スイッチング周波数可変回路で第1のオン信号発生回路における所定の電流閾値を変化させることにより、スイッチング素子のオン時間を確実に変化させることができる。
請求項3に記載のDC−DCコンバータによれば、スイッチング周波数可変回路を構成する交流電圧発生回路で第1のオン信号発生回路における所定の電流閾値を連続的かつ確実に変化させることができる。
請求項4に記載のDC−DCコンバータによれば、スイッチング周波数可変回路を構成するカウンタ回路と基準電源回路とで第1のオン信号発生回路における所定の電流閾値を離散的かつ確実に変化させることできる。
請求項5に記載のDC−DCコンバータによれば、スイッチング周波数可変回路で、出力電圧の大きさに関わらず、スイッチング素子駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させることができる。これにより、スイッチングノイズのエネルギーが特定の周波数に集中せず拡散されるため、それぞれのスイッチング周波数におけるスイッチングノイズのエネルギーの大きさを低減することができる。また、スイッチング周波数可変回路でスイッチング素子のオフ時間を変化させるとことにより、スイッチング周波数を確実に変化させることができる。スイッチング周期はスイッチング素子のオン時間とオフ時間の合計である。スイッチング素子のオフ時間を変化させることによりスイッチング周期が変わりスイッチング周波数が変化する。これにより、スイッチング周波数を確実に変化させることができる。さらに、スイッチング周波数可変回路でオフ信号発生回路における所定の充電電流を変化させることにより、スイッチング素子のオフ時間を確実に変化させることができる。加えて、スイッチング周波数可変回路を構成する交流電圧発生回路と電圧電流変換回路とでオフ信号発生回路における所定の充電電流を連続的かつ確実に変化させることができる。
請求項6に記載のDC−DCコンバータによれば、スイッチング周波数可変回路で、出力電圧の大きさに関わらず、スイッチング素子駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させることができる。これにより、スイッチングノイズのエネルギーが特定の周波数に集中せず拡散されるため、それぞれのスイッチング周波数におけるスイッチングノイズのエネルギーの大きさを低減することができる。また、スイッチング周波数可変回路でスイッチング素子のオフ時間を変化させるとことにより、スイッチング周波数を確実に変化させることができる。スイッチング周期はスイッチング素子のオン時間とオフ時間の合計である。スイッチング素子のオフ時間を変化させることによりスイッチング周期が変わりスイッチング周波数が変化する。これにより、スイッチング周波数を確実に変化させることができる。さらに、スイッチング周波数可変回路を構成するカウンタ回路とオフ信号切換え回路とでオフ信号発生回路における複数の異なる時間のオフ信号を切換えることにより、スイッチング素子のオフ信号を確実に変化させることができる。
請求項7に記載のDC−DCコンバータによれば、DC−DCコンバータを構成する回路を小型化することができる。
請求項8に記載のDC−DCコンバータによれば、スイッチングノイズが低減されることで、車両用乗員保護装置の信頼性を向上することができる。
本実施形態は、本発明に係るDC−DCコンバータをエアバッグ装置に適用した例を示す。
(第1実施形態)
第1実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図を図1に示す。そして、図1を参照し、構造、動作、効果の順で具体的に説明する。
まず、図1を参照して具体的構造について説明する。図1に示すように、DC−DCコンバータ1は、インダクタ2(コイル)と、ダイオード3と、コンデンサ4と、電界効果トランジスタ5(スイッチング素子)と、抵抗6と、第1のオン信号発生回路7と、第2のオン信号発生回路8と、オフ信号発生回路9と、トランジスタ駆動信号合成回路10(スイッチング素子駆動信号合成回路)と、スイッチング周波数可変回路11とから構成されている。
インダクタ2は磁気エネルギーを蓄積、放出するとともに電圧を誘起する素子である。インダクタ2の一端はバッテリ12の正極端に接続され、バッテリ12の負極端は車体に接地されている。インダクタ2の他端はダイオード3を介してコンデンサ4の一端とエアバッグ装置の点火回路13の一端とに接続され、コンデンサ4の他端と点火回路13の他端は車体に接地されている。
電界効果トランジスタ5は、インダクタ2に流れる電流を制御するためのスイッチング素子である。電界効果トランジスタ5のドレインはインダクタ2とダイオード3の接続点に、ゲートはトランジスタ駆動信号合成回路10に、ソースは電流検出端子を介して抵抗6の一端にそれぞれ接続され、抵抗6の他端は車体に接地されている。
第1のオン信号発生回路7は、電界効果トランジスタ5を介してインダクタ2に流れるコイル電流の大きさと所定の電流閾値との比較結果に基づいて電界効果トランジスタ5の第1のオン時間を決定するとともに、その長さに応じた第1のオン信号を発生する回路である。第1のオン信号発生回路7はコンパレータ70aで構成されている。コンパレータ70aの反転入力端子は電界効果トランジスタ5のソースと電流検出端子を介して抵抗6とに、非反転入力端子はスイッチング周波数可変回路11に、出力端子はトランジスタ駆動信号合成回路10の入力端子にそれぞれ接続されている。
第2のオン信号発生回路8は、出力電圧の大きさと所定の電圧閾値との比較結果に基づいて電界効果トランジスタ5の第2オン時間を決定するとともに、その長さに応じた第2のオン信号を発生する回路である。第2のオン信号発生回路8は、抵抗80a、80b、80c、80dと、コンパレータ80eとから構成されている。抵抗80aと抵抗80bとは直列接続されている。この直列接続された抵抗80a、80bの一端は回路電源端子を介して入力される電圧から定電圧を作る定電圧回路14の出力端子に接続され、他端は接地端子を介して車体に接地されている。抵抗80a、80bは所定の電圧閾値を決める抵抗であり、必要とされる出力電圧が得られる最適な値に設定されている。抵抗80cと抵抗80dとは直列接続されている。この直列接続された抵抗80c、80dの一端は電圧検出端子を介してダイオード3とコンデンサ4の接続点に接続され、他端は接地端子を介して車体に接地されている。コンパレータ80eの反転入力端子は抵抗80cと抵抗80dの接続点に、非反転入力端子は抵抗80aと抵抗80bの接続点に、出力端子はトランジスタ駆動信号合成回路10の別の入力端子にそれぞれ接続されている。
オフ信号発生回路9は、抵抗90a、90bと、定電流源90cと、コンデンサ90dと、電界効果トランジスタ90eと、NOT回路90fと、コンパレータ90gとから構成されている。オフ信号発生回路9は、定電流源90cからの定電流で充電されるコンデンサ90dの電圧の大きさと、抵抗90aと抵抗90bとの分圧で決まるオフ時間閾値との比較結果に基づいて、電界効果トランジスタ5がオフしてから所定の時間オフ状態を確保するためのオフ信号を発生する回路である。抵抗90aと抵抗90bとは直列接続されている。この直列接続された抵抗90a、90bの一端は回路電源端子を介して入力される電圧から定電圧を作る定電圧回路14の出力端子に接続され、他端は接地端子を介して車体に接地されている。抵抗90a、90bはオフ時間閾値を決める抵抗であり、インダクタ2に蓄積されたエネルギーを放出するのに充分な時間となるよう最適な値に設定されている。定電流源90cの一端は回路電源端子を介して入力される電圧から定電圧を作る定電圧回路14の出力端子に、他端はコンデンサ90dの一端と電界効果トランジスタ90eのドレインとに接続され、コンデンサ90dの他端と電界効果トランジスタ90eのソースは接地端子を介して車体に接地されている。電界効果トランジスタ90eのゲートはNOT回路90fの出力端子に接続され、NOT回路90fの入力端子はトランジスタ駆動信号合成回路10の出力端子に接続されている。コンパレータ90gの反転入力端子は抵抗90aと抵抗90bの接続点に、非反転入力端子は定電流源90cとコンデンサ90dと電界効果トランジスタ90eの接続点に、出力端子はトランジスタ駆動信号合成回路10のさらに別の入力端子にそれぞれ接続されている。
トランジスタ駆動信号合成回路10は、第1のオン信号、第2のオン信号及びオフ信号から電界効果トランジスタ5をスイッチングするための駆動信号を合成する回路であり、3入力のAND回路10aで構成されている。AND回路10aの3つの入力端子はコンパレータ70a、80e、90gの出力端子に、出力端子は電界効果トランジスタ5のゲートとNOT回路90fの入力端子とにそれぞれ接続されている。
スイッチング周波数可変回路11は、第1のオン信号発生回路7の所定の電流閾値を時間の経過とともに変化させる回路であり、時間の経過とともに一定周期で三角波状に変化する電圧を発生する三角波電圧発生回路11a(交流電圧発生回路)で構成されている。スイッチング周波数可変回路11の出力電圧はスイッチング周波数を可変範囲を決めるものであり、三角波電圧の振幅はDC−DCコンバータ1の出力電圧の変動等に問題が発生しない最適な値に設定されている。
そして、電界効果トランジスタ5、第1のオン信号発生回路7、第2のオン信号発生回路8、オフ信号発生回路9、トランジスタ駆動信号合成回路10及びスイッチング周波数可変回路11は、IC15として一体に構成されている。
次に、具体的動作について説明する。イグニッションスイッチ(図略)がオンされると、バッテリ12の電圧がインダクタ2の一端に印加される。ここで、電界効果トランジスタ5がオンすると、インダクタ2から電界効果トランジスタ5を経て抵抗6に至る経路で電流が流れ、インダクタ2に磁気エネルギーが蓄積される。その後、電界効果トランジスタ5がオフすると、インダクタ2に蓄積された磁気エネルギーがダイオード3を介して放出され、コンデンサ4が充電される。このとき、インダクタ2の両端に電圧が誘起されためコンデンサ4の電圧はバッテリ12の電圧より高電圧となる。
電界効果トランジスタ5がオンすることでインダクタ2に流れるコイル電流は、抵抗6によって電圧に変換される。コイル電流に相当する抵抗6の電圧は、コンパレータ70aで電流閾値に相当する三角波電圧発生回路11aの発生する一定周期で三角波状に変化する電圧と比較される。抵抗6の電圧が三角波電圧発生回路11aの発生する電圧より小さい場合、コンパレータ70aはHighレベルを出力し、それ以外の場合Lowレベルを出力する。これにより、コンパレータ70aはHighレベルの期間が時間の経過とともに変化する第1のオン信号を出力する。
コンデンサ4の電圧は抵抗80cと抵抗80dとで分圧される。抵抗80c、80dで分圧されたコンデンサ4の電圧は、コンパレータ80eで電圧閾値に相当する抵抗80a、80bで分圧された定電圧回路14の出力電圧と比較される。抵抗80c、80dで分圧されたコンデンサ4の電圧が抵抗80a、80bで分圧された定電圧回路14の出力電圧より小さい場合、コンパレータ90gはHighレベルを出力し、それ以外の場合Lowレベルを出力する。これにより、コンパレータ80eはHighレベルの期間が一定となる第2のオン信号を出力する。ところで、コンデンサ4の電圧の変化はコイル電流の変化に比べ非常に緩やかでありその周期も長い。そのため、第2のオン信号のHighレベルの期間は第1のオン信号のHighレベルの期間に比べ非常に長い。
電界効果トランジスタ5がオフすると、オフ信号発生回路9のNOT回路90eにより
電界効果トランジスタ90eがオンする。電界効果トランジスタ90eがオンすると、コンデンサ90dに蓄積された電荷が放電されコンデンサ90dの電圧は0Vになる。同時に、コンデンサ90dは定電流源90cからの定電流による充電を開始する。コンデンサ90dの電圧は定電流源90cの電流値とコンデンサ90dの容量とで決まる一定の傾きで徐々に増加し、コンパレータ80eで電流閾値に相当する抵抗90a、90bで分圧された定電圧回路14の出力電圧と比較される。コンデンサ90dの電圧が抵抗90a、90bで分圧された定電圧回路14の出力電圧より小さい場合、コンパレータ90gはLowレベルを出力し、それ以外の場合Highレベルを出力する。これにより、コンパレータ90gはトランジスタ5がオフしてからLowレベルの期間が一定となるオフ信号を出力する。
第1のオン信号、第2のオン信号及びオフ信号はトランジスタ駆動信号合成回路10を構成するAND回路10aに入力され論理積がとられる。これにより、AND回路10aはHighレベルの期間が時間の経過とともに変化しLowレベルの期間が一定となるトランジスタ駆動信号を周期的に断続して出力する。トランジスタ駆動信号は電界効果トランジスタ5のゲートに印加される。電界効果トランジスタ5はトランジスタ駆動信号がHighレベルのときオンし、Lowレベルのときオフしてスイッチングを繰り返す。これにより、DC−DCコンバータ1はバッテリ12の電圧を安定した高電圧に昇圧して点火回路13に供給する。ここで、車両衝突が発生した場合、DC−DCコンバータ1から点火回路13点火電流が流れエアバッグが展開して車両乗員を保護する。
最後に具体的効果について説明する。第1の実施形態によれば、DC−DCコンバータ1は、スイッチング周波数可変回路11で、出力電圧の大きさに関わらず、電界効果トランジスタ5の駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させることができる。これにより、スイッチングノイズのエネルギーが特定の周波数に集中せず拡散されるため、それぞれのスイッチング周波数におけるスイッチングノイズのエネルギーの大きさを低減することができる。
DC−DCコンバータ1は、スイッチング周波数可変回路11で電界効果トランジスタ5のオン時間を変化させるとことにより、スイッチング周波数を確実に変化させることができる。DC−DCコンバータ1は、スイッチング周波数可変回路11で第1のオン信号発生回路7における所定の電流閾値を変化させることにより、電界効果トランジスタ5のオン時間を確実に変化させることができる。DC−DCコンバータ1は、スイッチング周波数可変回路11を構成する交流電圧発生回路11aで第1のオン信号発生回路7における所定の電流閾値を連続的かつ確実に変化させることができる。
DC−DCコンバータ1は、DC−DCコンバータ1を構成する電界効果トランジスタ5、第1のオン信号発生回路7、第2のオン信号発生回路8、オフ信号発生回路9、トランジスタ駆動信号合成回路10及びスイッチング周波数可変回路11をIC15として一体に構成することで回路を小型化することができる。
さらに、DC−DCコンバータ1は、車両用乗員保護装置に用いられてスイッチングノイズを低減されることで、車両乗員保護装置の信頼性を向上することができる。
(第2実施形態)
次に第2実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図を図2に示す。ここでは、第1実施形態におけるDC−DCコンバータとの相違部分についてのみ説明し、共通する部分ついては、必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前記実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。
まず図2を参照して第1の実施形態と異なるスイッチング周波数可変回路11の具体的構造について説明する。図2に示すように、スイッチング周波数可変回路11はカウンタ回路110と、基準電源回路111とから構成されている。
カウンタ回路110は、電界効果トランジスタ5のスイッチング回数を計数する3ビットの2進カウンタである。
基準電源回路111は、カウンタ回路110の計数結果に基づいて複数の異なる大きさの電圧を順次切換えて出力する回路であり、抵抗111a〜111eと、電界効果トランジスタ111f〜111hとで構成されている。抵抗111aの一端は回路電源端子を介して入力される電圧から定電圧を作る定電圧回路14の出力端子に、他端は抵抗111b〜111eの一端にそれぞれ接続されている。抵抗111bの他端は接地端子を介して車体に接地されている。抵抗111cの他端は電界効果トランジスタ111fのドレインに接続され、電界効果トランジスタ111fのソースは接地端子を介して車体に接地されている。また、電界効果トランジスタ111fのゲートはカウンタ回路110の出力端子に接続されている。抵抗111dの他端は電界効果トランジスタ111gのドレインに接続され、電界効果トランジスタ111gのソースは接地端子を介して車体に接地されている。また、電界効果トランジスタ111gのゲートはカウンタ回路110の別の出力端子に接続されている。抵抗111eの他端は電界効果トランジスタ111hのドレインに接続され、電界効果トランジスタ111hのソースは接地端子を介して車体に接地されている。また、電界効果トランジスタ111hのゲートはカウンタ回路110のさらに別の出力端子に接続されている。基準電源回路111の出力電圧は、スイッチング周波数の可変範囲を決めるものであり、抵抗111a〜111eは、DC−DCコンバータ1の出力電圧の変動等に問題が発生しない最適な値に設定されている。
次に具体的動作について説明する。電界効果トランジスタ5がオフすると、カウンタ回路110はその都度カウントアップする。カウンタ回路110は電界効果トランジスタ5のスイッチング回数に応じた3ビットの信号を出力し、基準電源回路111を構成する電界効果トランジスタ111f〜111hにそれぞれ印加する。電界効果トランジスタ111f〜111hはカウンタ回路110の出力信号がHighレベルのときオンし、Lowレベルのときオフする。例えば、電界効果トランジスタ111fがオンすると抵抗111cが抵抗111bに並列接続され抵抗111aと並列接続された抵抗111b、111cの接続点の電圧が変化する。このようにして、基準電源回路111は電界効果トランジスタ5のスイッチング回数に基づいて8種類の異なる大きさの電圧を順次第1のオン信号発生回路7を構成するコンパレータ70aに出力する。
最後に具体的効果について説明する。第2の実施形態によれば、DC−DCコンバータ1は、スイッチング周波数可変回路11を構成するカウンタ回路110と基準電源回路111とで、第1のオン信号発生回路7における所定の電流閾値を離散的かつ確実に変化させることできる。
(第3実施形態)
次に第3実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図を図3に示す。ここでは、第1及び第2実施形態におけるDC−DCコンバータとの相違部分についてのみ説明し、共通する部分ついては、必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前記実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。
まず図3を参照して第1及び第2実施形態異なる第1のオン信号発生回路7、オフ信号発生回路9及びスイッチング周波数可変回路11の具体的構造について説明する。
図3に示すように、第1のオン信号発生7は、抵抗70b、70cと、コンパレータ7
0aとから構成されている。抵抗70bと抵抗70cとは直列接続されている。この直列接続された抵抗70b、70cの一端は回路電源端子を介して入力される電圧から定電圧を作る定電圧回路14の出力端子に接続され、他端は接地端子を介して車体に接地されている。抵抗80a、80bは所定の電流閾値を決める抵抗であり、必要とされるコイル電流が得られる最適な値に設定されている。コンパレータ70aの反転入力端子は電界効果トランジスタ5のソースと電流検出端子を介して抵抗6とに、非反転入力端子は抵抗70bと抵抗70cの接続点に、出力端子はトランジスタ駆動信号合成回路10の入力端子にそれぞれ接続されている。
オフ信号発生回路9は、抵抗90a、90bと、コンデンサ90dと、電界効果トランジスタ90eと、NOT回路90fと、コンパレータ90gとから構成されている。オフ信号発生回路9は、コンデンサ90dの電圧の大きさと、抵抗90aと抵抗90bとの分圧で決まるオフ時間閾値との比較結果に基づいて、電界効果トランジスタ5がオフしてから所定の時間オフ状態を確保するためのオフ信号を発生する回路である。抵抗90aと抵抗90bとは直列接続されている。この直列接続された抵抗90a、90bの一端は回路電源端子を介して入力される電圧から定電圧を作る定電圧回路14の出力端子に接続され、他端は接地端子を介して車体に接地されている。抵抗90a、90bはオフ時間閾値を決める抵抗であり、インダクタ2に蓄積されたエネルギーを放出するのに充分な時間となるよう最適な値に設定されている。コンデンサ90dと電界効果トランジスタ90eとは並列接続されている。コンデンサ90dの一端と電界効果トランジスタ90eのドレインとはスイッチング周波数可変回路11に、コンデンサ90dの他端と電界効果トランジスタ90eのソースは接地端子を介して車体に接地されている。電界効果トランジスタ90eのゲートはNOT回路90fの出力端子に接続され、NOT回路90fの入力端子はトランジスタ駆動信号合成回路10の出力端子に接続されている。コンパレータ90gの反転入力端子は抵抗90aと抵抗90bの接続点に、非反転入力端子はコンデンサ90dと電界効果トランジスタ90eとスイッチング周波数可変回路11の接続点に、出力端子はトランジスタ駆動信号合成回路10の別の入力端子にそれぞれ接続されている。
スイッチング周波数可変回路11は、オフ信号発生回路9のコンデンサ90dを充電するための時間の経過とともに変化する電流を供給する回路であり、三角波電圧発生回路11a(交流電圧発生回路)と、電圧電流変換回路11bとで構成されている。三角波電圧発生回路11aは時間の経過とともに一定周期で三角波状に変化する電圧を発生する回路である。電圧電流変換回路11bは入力された電圧をその電圧の大きさに応じた電流に変化する回路である。三角波電圧発生回路11aの出力端子は電圧電流変換回路11bの入力端子に接続され、電圧電流変換回路11bの出力端子はコンデンサ90dと電界効果トランジスタ90eとコンパレータ90gの反転入力端子の接続点に接続されている。スイッチング周波数可変回路11の出力電流はスイッチング周波数の可変範囲を決めるものであり、三角波電流の振幅はDC−DCコンバータ1の出力電圧の変動等に問題が発生しない最適な値に設定されている。
次に具体的動作について説明する。電界効果トランジスタ5がオンすることでインダクタ2に流れるコイル電流は、抵抗6によって電圧に変換される。コイル電流に相当する抵抗6の電圧は、コンパレータ70aで電流閾値に相当する抵抗70b、70cで分圧された定電圧回路14の出力電圧と比較される。抵抗6の電圧が抵抗70b、70cで分圧された定電圧回路14の出力電圧より小さい場合、コンパレータ70aはHighレベルを出力し、それ以外の場合Lowレベルを出力する。これにより、コンパレータ70aはHighレベルの期間が一定となる第1のオン信号を出力する。
電界効果トランジスタ5がオフすると、オフ信号発生回路9のNOT回路90eにより
電界効果トランジスタ90eがオンする。電界効果トランジスタ90eがオンすると、コンデンサ90dに蓄積された電荷が放電されコンデンサ90dの電圧は0Vになる。同時に、コンデンサ90dはスイッチング周波数可変回路11からの一定周期で三角波状に変化する電流による充電を開始する。コンデンサ90dの電圧はスイッチング周波数可変回路11の電流値とコンデンサ90dの容量とで決まる時間の経過とともに変化する傾きに従って徐々に増加し、コンパレータ80eで電流閾値に相当する抵抗90a、90bで分圧された定電圧回路14の出力電圧と比較される。コンデンサ90dの電圧が抵抗90a、90bで分圧された定電圧回路14の出力電圧より小さい場合、コンパレータ90gはLowレベルを出力し、それ以外の場合Highレベルを出力する。これにより、コンパレータ90gはトランジスタ5がオフしてからLowレベルの期間が時間の経過とともに変化するオフ信号を出力する。
第1のオン信号、第2のオン信号及びオフ信号はトランジスタ駆動信号合成回路10を構成するAND回路10aに入力され論理積がとられる。これにより、AND回路10aはHighレベルの期間が一定となりLowレベルの期間が時間の経過とともに変化するトランジスタ駆動信号を周期的に断続して出力する。
最後に具体的効果について説明する。第3の実施形態によれば、DC−DCコンバータ1は、スイッチング周波数可変回路11で電界効果トランジスタ5のオフ時間を変化させるとことにより、スイッチング周波数を確実に変化させることができる。DC−DCコンバータ1は、スイッチング周波数可変回路11でオフ信号発生回路9における所定の充電電流を変化させることにより電界効果トランジスタ5のオフ時間を確実に変化させることができる。DC−DCコンバータ1は、スイッチング周波数可変回路11を構成する交流電圧発生回路11aと電圧電流変換回路11bとでオフ信号発生回路9における所定の充電電流を連続的かつ確実に変化させることができる。
(第4実施形態)
次に第4実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図を図4に示す。ここでは、第1、第2及び第3実施形態におけるDC−DCコンバータとの相違部分についてのみ説明し、共通する部分ついては、必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前記実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。
まず図4を参照して第3の実施形態と異なるオフ信号発生回路9とスイッチング周波数可変回路11の具体的構造について説明する。
図4に示すように、オフ信号発生回路9は、Lowレベルのパルス幅の異なる4種類のオフ信号を発生する回路であり、NOT回路90hと、タイマ回路90iとから構成されている。NOT回路90hの入力端はトランジスタ駆動信号合成回路10を構成するAND回路10aの出力端に、出力端はタイマ回路90iの入力端にそれぞれ接続され、タイマ回路90iの4つの出力端はスイッチング周波数可変回路11にそれぞれ接続されている。オフ信号発生回路9の出力する4種類のオフ信号はスイッチング周波数の可変範囲を決めるものであり、そのパルス幅はDC−DCコンバータ1の出力電圧の変動等に影響がでない最適な値に設定されている。
スイッチング周波数可変回路11は、電界効果トランジスタ5のスイッチング回数に基づいてオフ信号発生回路9の発生する4種類のオフ信号を順次切換える回路であり、カウンタ回路112と、オフ信号切換え回路113とから構成されている。カウンタ回路112は電界効果トランジスタ5のスイッチング回数をカウントする2ビットの2進カウンタである。カウンタ回路112の入力端子はオフ信号発生回路9のNOT回路90hの出力端子に、2つの出力端子はオフ信号切換え回路113にそれぞれ接続されている。オフ信号切換え回路113は、カウンタ回路112の計数結果に基づいてオフ信号発生回路9の発生する4種類のオフ信号を順次切換えて出力する回路であり、デコーダ回路113aと、マルチプレクサ回路113bとから構成されている。デコーダ回路113aはカウンタ回路112の2進出力を10進出力に変換する回路である。デコーダ回路113aの2つの入力端子はカウンタ回路112に、4つの出力端子はマルチプレクサ回路113bにそれぞれ接続されている。マルチプレクサ回路113bはデコーダ回路113aの出力に基づいてオフ信号発生回路9の発生する4種類のオフ信号中から1つを選択する回路である。マルチプレクサ回路113bの4つの入力端子はデコーダ回路113aの出力端子に、出力端子はトランジスタ駆動信号合成回路10を構成するAND回路10aの入力端子にそれぞれ接続されている。
次に具体的動作について説明する。電界効果トランジスタ5がオフすると、オフ信号発生回路9のタイマ回路90iはLowレベルの期間が異なる4種類のオフ信号を出力し、カウンタ回路112はその都度カウントアップする。カウンタ回路112は電界効果トランジスタ5のスイッチング回数に応じた2ビットの信号をオフ信号切換え回路113を構成するデコーダ回路113aに出力する。デコーダ回路113aはカウンタ回路112の出力信号をデコードしてマルチプレクサ回路113bに出力する。マルチプレクサ回路113bはデコーダ回路113aに基づいてタイマ回路90iの異なる4種類のオフ信号の中から1つを選択してトランジスタ駆動信号合成回路10を構成するAND回路10aに出力する。
最後に具体的効果について説明する。第4の実施形態によれば、DC−DCコンバータ1は、スイッチング周波数可変回路11を構成するカウンタ回路112とオフ信号切換え回路113とでオフ信号発生回路9におけるオフ時間の異なる4種類のオフ信号を切換えることにより、電界効果トランジスタ5のオフ信号を確実に変化させることができる。
第1実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図を示す。 第2実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図を示す。 第3実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図を示す。 第4実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図を示す。 従来のDC−DCコンバータの回路図を示す。
符号の説明
1・・・DC−DCコンバータ、2・・・インダクタ(コイル)、3・・・ダイオード、4・・・コンデンサ、5・・・電界効果トランジスタ(スイッチング素子)、6・・・抵抗、7・・・第1のオン信号発生回路、70a・・・コンパレータ、70b、70c ・・・抵抗、8・・・第2のオン信号発生回路、80a〜80d・・・抵抗、80e・・・コンパレータ、9・・・オフ信号発生回路、90a、90b・・・抵抗、90c・・・定電流源、90d・・・コンデンサ、90e・・・電界効果トランジスタ、90f・・・NOT回路、90g・・・コンパレータ、90h・・・NOT回路、90i・・・タイマ回路、10・・・トランジスタ駆動信号合成回路、10a・・・AND回路、11・・・スイッチング周波数可変回路、11a・・・三角波電圧発生回路(交流電圧発生回路)、11b・・・電圧電流変換回路、110・・・カウンタ回路、110a〜110c・・・Tフリップフロップ回路、111・・・基準電源回路、111a〜110e・・・抵抗、111f〜111h・・・電界効果トランジスタ 、112・・・カウンタ回路、113・・・オフ信号切換え回路、113a・・・デコーダ回路、113b・・・マルチプレクサ回路、12・・・バッテリ、13・・・点火回路、14・・・定電圧回路、15・・・IC

Claims (8)

  1. 直流電源に接続されるコイルと、前記コイルに接続されスイッチングすることで前記コイルに流れる前記直流電源からのコイル電流を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を介して流れる前記コイル電流の大きさと所定の電流閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第1のオン時間を決定するとともに前記第1のオン時間の長さに応じた第1のオン信号を発生する第1のオン信号発生回路と、負荷に供給される出力電圧の大きさと所定の電圧閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第2のオン時間を決定するとともに前記第2のオン時間の長さに応じた第2のオン信号を発生する第2のオン信号発生回路と、前記スイッチング素子の所定のオフ時間の長さに応じたオフ信号を発生するオフ信号発生回路と、前記第1のオン信号、前記第2のオン信号及び前記オフ信号から前記スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング素子駆動信号を合成するスイッチング素子駆動信号合成回路とを備えたDC−DCコンバータにおいて、
    前記第1のオン時間を時間の経過とともに変化させることで、前記出力電圧の大きさに関わらず前記スイッチング素子駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させるスイッチング周波数可変回路を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  2. 前記スイッチング周波数可変回路は、前記所定の電流閾値を時間の経過とともに変化させることを特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバータ。
  3. 前記スイッチング周波数可変回路は、交流電圧を発生する交流電圧発生回路からなることを特徴とする請求項2記載のDC−DCコンバータ。
  4. 前記スイッチング周波数可変回路は、前記スイッチング素子のスイッチング回数を計数するカウンタ回路と、前記カウンタ回路の計数結果に基づいて複数の異なる大きさの電圧を順次切換えて出力する基準電源回路とからなることを特徴とする請求項2記載のDC−DCコンバータ。
  5. 直流電源に接続されるコイルと、前記コイルに接続されスイッチングすることで前記コイルに流れる前記直流電源からのコイル電流を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を介して流れる前記コイル電流の大きさと所定の電流閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第1のオン時間を決定するとともに前記第1のオン時間の長さに応じた第1のオン信号を発生する第1のオン信号発生回路と、負荷に供給される出力電圧の大きさと所定の電圧閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第2のオン時間を決定するとともに前記第2のオン時間の長さに応じた第2のオン信号を発生する第2のオン信号発生回路と、前記スイッチング素子の所定のオフ時間の長さに応じたオフ信号を発生するオフ信号発生回路と、前記第1のオン信号、前記第2のオン信号及び前記オフ信号から前記スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング素子駆動信号を合成するスイッチング素子駆動信号合成回路とを備えたDC−DCコンバータにおいて、
    前記所定のオフ時間を変化させることで、前記出力電圧の大きさに関わらず前記スイッチング素子駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させるスイッチング周波数可変回路を有し、
    前記オフ信号発生回路は、所定の充電電流で充電されるコンデンサの電圧の大きさと所定のオフ時間閾値との比較結果に基づいて前記所定のオフ時間の長さに応じたオフ信号を発生し、
    前記スイッチング周波数可変回路は、三角波状の交流電圧を発生する交流電圧発生回路と、前記交流電圧発生回路の発生する交流電圧をその電圧の大きさに応じた電流に変換する電圧電流変換回路とを有し、前記所定の充電電流を時間の経過とともに変化させることを特徴とするDC−DCコンバータ。
  6. 直流電源に接続されるコイルと、前記コイルに接続されスイッチングすることで前記コイルに流れる前記直流電源からのコイル電流を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を介して流れる前記コイル電流の大きさと所定の電流閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第1のオン時間を決定するとともに前記第1のオン時間の長さに応じた第1のオン信号を発生する第1のオン信号発生回路と、負荷に供給される出力電圧の大きさと所定の電圧閾値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子の第2のオン時間を決定するとともに前記第2のオン時間の長さに応じた第2のオン信号を発生する第2のオン信号発生回路と、前記スイッチング素子の所定のオフ時間の長さに応じたオフ信号を発生するオフ信号発生回路と、前記第1のオン信号、前記第2のオン信号及び前記オフ信号から前記スイッチング素子をスイッチングするためのスイッチング素子駆動信号を合成するスイッチング素子駆動信号合成回路とを備えたDC−DCコンバータにおいて、
    前記所定のオフ時間を変化させることで、前記出力電圧の大きさに関わらず前記スイッチング素子駆動信号のスイッチング周波数を時間の経過とともに変化させるスイッチング周波数可変回路を有し、
    前記オフ信号発生回路は、複数の異なる前記所定のオフ時間の長さに応じた複数の前記オフ信号を発生し、
    前記スイッチング周波数可変回路は、前記スイッチング素子のスイッチング回数を計数するカウンタ回路と、前記カウンタ回路の計数結果に基づいて前記複数のオフ信号を順次切換えて出力するオフ信号切換え回路とからなることを特徴とするDC−DCコンバータ。
  7. 前記スイッチング素子、前記第1のオン信号発生回路、前記第2のオン信号発生回路、前記オフ信号発生回路、前記スイッチング素子駆動信号合成回路及び前記スイッチング周波数可変回路は、ICとして一体に構成されていることを特徴とする請求項1乃至6記載のDC−DCコンバータ。
  8. 前記DC−DCコンバータは、車両乗員を保護する車両用乗員保護装置に用いられることを特徴とする請求項1乃至7記載のDC−DCコンバータ。
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