JP4690213B2

JP4690213B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ

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Publication number: JP4690213B2
Application number: JP2006026983A
Authority: JP
Inventors: 容維三田村
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: JP2007209162A

Description

本発明は電源から入力された電圧を所望の電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータおよびそのＤＣ／ＤＣコンバータを有する電子機器に関する。

電池などを電源とする電子機器は、電源の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータを介して、各機能モジュールが必要とする電圧に変換して使用している。このようなＤＣ／ＤＣコンバータとしてはチョッパ方式のスイッチングレギュレータがある。チョッパ方式のスイッチングレギュレータはコイルに接続したスイッチをオンオフすることで電気エネルギーを充放電させ、その放電出力を平滑して所望の電圧に変換する。

図３にチョッパ方式の昇圧型スイッチングレギュレータ回路を用いた従来の回路を示す。昇圧型スイッチングレギュレータ２は図中点線で囲われた部分の回路である。この昇圧型スイッチングレギュレータ２はコイル４と整流素子５と平滑コンデンサ６と制御回路７とＮＰＮ型トランジスタ８とベース抵抗９とで構成されている。昇圧型スイッチングレギュレータ２の入力端子は電池１の高電位側端子（プラス端子）と接続され、出力端子は出力負荷３のプラス端子と接続されている。昇圧型スイッチングレギュレータ２は電池１の電圧を昇圧して、出力負荷３へ供給する。

昇圧型スイッチングレギュレータ２は、入力端子がコイル４の入力端子と接続されている。コイル４の出力端子は、整流素子５の入力端子とＮＰＮトランジスタ８のコレクタとに接続されている。整流素子５の出力端子は、制御回路７の電源端子と平滑コンデンサ６のプラス端子と昇圧型スイッチングレギュレータ２の出力端子とに接続されている。制御回路７の信号出力端子はベース抵抗９を介してＮＰＮトランジスタ８のベースに接続されている。電池１の低電位側端子（マイナス端子）は、ＮＰＮトランジスタ８のエミッタと出力負荷３のマイナス端子とに接続されている。平滑コンデンサ６は整流素子５の出力端子と電池１のマイナス端子間に介挿されている。

次に図３のチョッパ方式の昇圧型スイッチングレギュレータ回路を用いた従来の回路の動作について説明する。ＮＰＮトランジスタ８がオン状態のときは電池１からコイル４へほぼ無負荷で電流が流れる。次にＮＰＮトランジスタ８がオフすると急激に電流が減るので誘導起電力が発生し、電圧が上昇する。その電圧を整流素子５で整流し、平滑コンデンサ６で平滑して昇圧出力とする。ＮＰＮトランジスタ８は、制御回路７から出力される駆動パルスをベースに入力することによってオンオフする。ＮＰＮトランジスタ８のベース電流はベース抵抗９によって制限される。また、制御回路７では出力電圧を検出して、出力電圧が所定の電圧になるように駆動パルスのデューティーを可変し、トランジスタのオンオフを制御する。このように制御を行い所望の電圧の昇圧出力を得ている。

また、制御回路の電源として、電源回路への電源投入時には入力される電源を用い、電源回路が動作して所定の電圧が出力されるとその出力を用いる電源切替の回路が開示されている（特許文献１参照）。
特開平８−３３１８３９

従来のチョッパ方式の昇圧型スイッチングレギュレータ回路では、バイポーラ型トランジスタやＦＥＴ（電圧効果型トランジスタ）をスイッチング素子に用いている。これらのスイッチング素子は、入力する制御信号の電圧がスイッチング素子の閾値電圧（ＶｔｈあるいはＶＢＥ）を境に、オンオフする。一般的に、バイポーラ型トランジスタはＦＥＴより低電圧（例えば約０．５Ｖ）からオンするので、低電圧からの昇圧が可能である。また、ＦＥＴを用いた場合は、オンオフのために消費する電流はバイポーラ型トランジスタに比べ少ないので、昇圧効率が高い。

しかしながら、バイポーラ型トランジスタをスイッチング素子に用いると、低電圧から昇圧するために多くのコレクタ電流を必要とするので、そのために多くのベース電流を必要とする。その結果、スイッチング素子での消費電流が多くなり、昇圧効率が悪くなるという問題がある。また、ＦＥＴをスイッチング素子に用いると、電圧制御であるのでスイッチング素子での消費電流は小さいが、ゲート電圧がＶｔｈ（例えば約１．０Ｖ）を超えないとオンしないので、バイポーラ型トランジスタでは昇圧できる電圧でもＦＥＴでは昇圧できないという問題がある。

上述した開示されている技術（特許文献１）は昇圧のためのスイッチング素子を切替えて使用してはいないので、動作電圧や消費電力の問題を有している。

本発明は、この２つのスイッチング素子の長所を活かして、電圧制御型スイッチング素子の閾値電圧より低い電圧が入力されても昇圧され、消費電力の少ないＤＣ／ＤＣコンバータ及びそのＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電子機器を提供する。

本発明は、電源から入力される入力電圧を、所望の出力電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、入力電圧を昇圧するコイルと、そのコイルの一端と電源との間に介挿し、コイルに対して電気エネルギーを充放電させるため、コイルに流れる電流のオンオフ制御を行う、電流制御型スイッチング素子及び電圧制御型スイッチング素子が並列に接続されたスイッチング手段と、昇圧された電気エネルギーを一時的に蓄電するコンデンサと、そのコンデンサに蓄電される出力電圧が予め設定された電圧となるよう、スイッチング手段のオンオフ制御を行うオンオフ信号を出力する制御回路と、出力電圧が入力電圧より低い場合、入力電圧を制御回路の制御電圧とし、一方、出力電圧が入力電圧より高い場合、出力電圧を制御回路の制御電圧とする電源制御回路と、オンオフ信号を電流制御型スイッチング素子に入力させるか否かを、出力電圧に応じて行う駆動制御回路と、を有し、制御回路は駆動制御回路及び電圧制御型スイッチング素子に対して制御電圧の電圧レベルをオンオフ信号の振幅値とし出力する構成を有するＤＣ／ＤＣコンバータである。

また本発明では、予め設定された停止電圧を出力電圧が超えた場合、制御回路の制御により電流制御型スイッチング手段のオンオフを停止させる構成にすることができる。

また本発明では、駆動制御回路が、予め設定された停止電圧を前記出力電圧が超えた場合、オンオフ信号を電流制御型スイッチング素子に入力させず、オフ状態にてオンオフを停止させる構成にすることができる。

また本発明では、駆動制御回路が、出力電圧を予め設定された抵抗によって抵抗分割した分圧値が入力電圧以上の場合、オンオフ信号を電流制御型スイッチング素子に入力させず、オフ状態にてオンオフを停止させる構成にすることができる。

また、駆動制御回路が、オンオフ信号を電流制御型スイッチング素子へ出力する場合、電流制御型スイッチング素子を駆動させるために電源から電力の供給を受けてオンオフ信号を出力する構成にすることができる。

また、上記電流制御型スイッチング素子はバイポーラ型トランジスタであり、電圧制御型スイッチング素子は電界効果型トランジスタとすることができる。

また本発明は、上記構成を有するＤＣ／ＤＣコンバータを用いた電子機器である。

上述したように本発明により、電圧制御型スイッチング素子の閾値電圧より低くい電圧から昇圧をし、スイッチング手段における電力消費が少ないＤＣ／ＤＣコンバータを得ることができる。

以下本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態を示したブロック図である。

電池１０は直流電源で、二次電池や一次電池や太陽電池などの電池やＡＣ／ＤＣコンバータなどの直流の電源を用いることができる。

図１中で点線で囲った部分はＤＣ／ＤＣコンバータ１１である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は入力端子２２を介して電池１０から電力を入力し、昇圧し、出力端子２３を介して出力負荷１２へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は出力負荷１２で用いる電圧に応じて電圧を変換して出力する。出力負荷１２は、映像や音楽を再生する電子機器や、携帯電話などの通信機器や、コンピュータなどの電子機器などの直流電源を必要とする電子機器である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１１はコイル１３、整流素子１４、平滑コンデンサ１５、駆動制御信号生成回路１６、電源制御回路１７、制御回路１８、駆動制御回路１９、電流制御型スイッチング素子２０、電圧制御型スイッチング素子２１を有し構成している。

コイル１３の入力端子は、入力端子２２を介して電池１０の高電位側端子（プラス端子）、駆動制御信号生成回路１６の第一の入力端子、電源制御回路１７の第一の入力端子、及び駆動制御回路１９の電源入力端子とに接続される。コイル１３の出力端子は、電圧制御型スイッチング素子２１の第一のスイッチ端子、電流制御型スイッチング素子２０の第一のスイッチ端子、及び整流素子１４の入力端子とに接続される。

電圧制御型スイッチング素子２１の第二のスイッチ端子は電池１０の低電位側端子（マイナス端子）に接続される。電流制御型スイッチング素子２０の第二のスイッチ端子は電池１０のマイナス端子に接続される。

整流素子１４の出力端子は、出力端子２３を介して出力負荷１２のプラス端子、平滑コンデンサ１５のプラス端子、駆動制御信号生成回路１６の第二入力端子、電源制御回路１７の第二入力端子、及び制御回路１８の電圧検出端子とに接続される。

接続負荷１２のマイナス端子は電池１０のマイナス端子に接続される。平滑コンデンサ１５のマイナス端子は電池１０のマイナス端子に接続される。駆動制御信号生成回路１６の出力端子は駆動制御回路１９の制御入力端子に接続される。電源制御回路１７の出力端子は制御回路１８の入力端子に接続される。制御回路１８の出力端子は、駆動制御回路１９の入力端子と電圧制御型スイッチング素子２１の制御入力端子とに接続される。駆動制御回路１９の出力端子は電流制御型スイッチング素子２０の制御入力端子と接続される。

電池１０は、電池１０のプラス端子を入力端子２２に接続し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１に電力を供給する。コイル１３は、電池１０から入力される入力電圧を所望の出力電圧に変換するために、スイッチング素子をオンオフさせることでコイル１３に流れる電流変化させ、誘導起電力を発生させ、発生した電流を整流素子１４で整流し、平滑コンデンサ１５で平滑して出力端子２３から直流の昇圧出力として所望の出力電圧で出力する。

コイル１３に誘導起電力を発生させるために電圧制御型スイッチング素子２１と電流制御型スイッチング素子２０を並列に接続してスイッチング手段として用いる。コイル１３の出力端子と電池１０のマイナス端子間にスイッチング手段を介挿し、このスイッチング手段をオンオフさせ、コイル１３に電流を流したり急に少なくしたりすることで、コイル１３に誘導起電力を発生させる。また、制御回路１８によってスイッチング素子のオンオフをコントロールすることで出力電圧を調整することができる。

電圧制御型スイッチング素子２１は、制御入力端子に所定の電圧（閾値電圧（Ｖｔｈ））を超える電圧を入力するとオン状態になり、Ｖｔｈ以下の電圧を入力するとオフ状態になる。よって、電圧制御型スイッチング素子２１をオンオフ制御するにはＶｔｈを超える振幅を持つ信号の入力が必要となる。

駆動制御信号生成回路１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の入力電圧と出力電圧を入力し、どちらかの電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈを超える電圧のとき、駆動制御回路１９に対して、電流制御型スイッチング素子２０をオフ状態で停止させるための制御信号を出力する。一方、駆動制御信号生成回路１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータの１１の入力電圧と出力電圧を入力し、両方の電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより低いとき、制御回路１８からのオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力させるための制御信号を、駆動制御回路１９へ出力する。また、駆動制御信号生成回路１６は電源制御回路１７の回路の一部を共通に用いている。

駆動制御回路１９は駆動制御信号生成回路１６からの制御信号に応じて、制御回路１８からのオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力するか否かを制御する。駆動制御回路１９は、電流制御型スイッチング素子２０へ出力する場合、電池１０から電力の供給を受け、制御回路１８からのオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０が動作するのに必要な電流量のオンオフ信号を出力する。

電源制御回路１７は２つの電源入力端子を有し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の入力電圧と出力電圧を入力して電圧が高いほうを制御回路１８の電源として出力する。

制御回路１８は、電源制御回路１７から電源の供給を受ける。また、制御回路１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力を入力して、出力電圧が一定の電圧値になるように電流制御型スイッチング素子２０あるいは電圧制御型スイッチング素子２１をオンオフするためのオンオフ信号を出力端子から出力する。また、制御回路１８は、オンオフ信号の振幅を電源制御回路１７から供給される電源の電圧（制御電圧）で出力する。

電圧制御型スイッチング素子２１に入力されるオンオフ信号の振幅電圧がＶｔｈより小さい場合、電圧制御型スイッチング素子２１はオンオフせずオフ状態のままである。振幅電圧がＶｔｈ以上の場合、電圧制御型スイッチング素子２１はそのオンオフ信号に応じてオンオフする。

電流制御型スイッチング素子２０は、例えばバイポーラ型トランジスタを用いる。バイポーラ型トランジスタは、一般的なＦＥＴに比べてオンする閾値電圧（ベース電圧）は低いが、コレクタ電流を多く流すためにはそれに応じてベース電流を多く流す必要がある。電圧制御型スイッチング素子２１は、例えばＦＥＴを用いる。ＦＥＴは、ゲート電圧がＶｔｈを超えればオンする。また、ＦＥＴのゲート電流は、バイポーラ型トランジスタのベース電流に比べて小さい。しかし、一般的なＦＥＴをオンさせるために必要なゲート電圧は、バイポーラ型トランジスタをオンさせるために必要なベース電圧に比べて高い。このような２つの特徴の異なる電流制御型スイッチング素子２０（例えばバイポーラ型トランジスタ）と電圧制御型スイッチング素子２１（例えばＦＥＴ）を並列接続してスイッチング手段として用いる。

また、駆動制御信号生成回路１６は、入力されるＤＣ／ＤＣコンバータ１１の入力電圧と出力電圧のどちらかの電圧が所定の電圧を超えると、駆動制御回路１９に対して電流制御型スイッチング素子２０をオフ状態で停止させるための制御信号を駆動制御回路へ出力するように構成することができる。このとき、所定の電圧を電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈのばらつきの上限を設定することで、電圧駆動型スイッチング素子２１がオンオフ動作をした後に電流制御型スイッチング素子２０を停止させることができる。

また、制御回路１８は、出力電圧を電圧検出端子から入力し、入力された出力電圧に応じてオンオフ信号の波形を変えることでスイッチング素子を制御し、コイル１３に流れる電流を制御し、出力電圧が予め設定した電圧値になるように制御する。例えば、制御回路１８は、オンオフ信号としてＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧に応じてＰＷＭ制御したパルス信号を出力し、このパルス信号によってスイッチング素子のオンオフを制御する。

また、電圧制御型スイッチング素子２１は自らのＶｔｈを境にオンオフするので、新たに電圧制御型スイッチング素子２１と電流制御型スイッチング素子２０とを切換える切換回路を設けなくてもよいので、回路を簡略化することができる。

また、電圧制御型スイッチング素子２１は自らのＶｔｈを境にオンオフするので、電池１０の電圧かまたはＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力の電圧に応じて電圧制御型スイッチング素子２１がオンオフ動作する。よって、電圧検出をして所定値と比較してその結果に基づき電圧制御型スイッチング素子２１の制御するような複雑な制御をせずとも、電圧制御型スイッチング素子２１のオンオフ制御ができる。電圧検出回路やコンパレータなどの余分な回路を設けずにすみ、回路構成を簡略化できる。

また、駆動制御回路１９は、駆動制御信号に基づき、オンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力するか否か制御している。オンオフ信号を出力する場合は、電池１０から電源の供給を受けて、電流制御型スイッチング素子２０の動作に必要な電流のオンオフ信号を出力する。オンオフ信号を出力しない場合は、電流制御型スイッチング素子２０をオフ状態にする。このようにすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１に負荷が接続された場合や低い電圧の電源を接続したときなどでも、電流制御型スイッチング素子の制御入力端子へ必要なだけ電流を供給することができるので、出力電力を十分にとりだすことができる。また、駆動制御回路１９の出力端子の出力インピーダンスは、制御回路１８の出力端子の出力インピーダンスより小さくすることで、電圧降下を少なくできる。よって、電圧降下による影響を抑えられる。電流制御型スイッチング素子２０のオンオフを制御するのに十分な電流と電圧の信号を入力することができるために、負荷において消費する電力以上の出力電力を得られるように昇圧動作をさせることができる。

また、制御回路１８の出力端子から電流制御型スイッチング素子２０を駆動することもできるが、その場合、出力端子の出力インピーダンスと出力される電流との積の値分の電圧降下してしまう。そうすると、電圧降下した分だけ元々の制御電圧を高くするなどの回路が必要となる。制御回路１８の出力端子の出力インピーダンスより低い出力インピーダンスをもつ駆動制御回路１９を設けることにより、電圧降下の影響を小さくできる。

また、駆動制御信号生成回路１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の入力電圧より出力電圧が高いことを電流制御型スイッチング素子２０のオフ状態での停止のための条件として、制御信号を出力することもできる。

また、駆動制御信号生成回路１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の入力電圧が出力電圧より高い場合は、駆動制御回路１９から電流制御型スイッチング素子２０へオンオフ信号を出力させるための駆動制御信号を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の入力電圧が出力電圧より低い場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧を所定の比率で分圧した電圧を駆動制御信号として出力する。駆動制御回路１９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の入力電圧がこの駆動制御信号の電圧より高ければ、電流制御型スイッチング素子２０へオンオフ信号を出力する。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の入力電圧がこの駆動制御信号より低ければ、電流制御型スイッチング素子２０をオフ状態で停止させる。この分圧の設定を、電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈの製造ばらつきによる範囲や温度特性によるＶｔｈの変化の範囲などの変化要因を考慮して、Ｖｔｈがとる最大値以上の電圧を設定することで、電圧制御型スイッチング素子２１がオンオフ動作を開始した後に電流制御型スイッチング素子２０のオンオフ動作を停止することができる。

また、駆動制御信号生成回路１６は電源制御回路１７の回路の一部を共通に用いることで回路構成規模を小さくしている。

電池１０の電圧またはＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈ以下の場合は、電流制御型スイッチング素子２０がオンオフして電池１０の電圧を昇圧する。その後、電圧制御型スイッチング素子２１がオンオフ動作可能となるＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力を得たら、電圧制御型スイッチング素子２１でオンオフを行うようする。そして、電圧制御型スイッチング素子２１が動作を開始した後に電流制御型スイッチング素子２０のオンオフ動作を停止させる。このように制御することで、電流制御型スイッチング素子２０が動作しているときには消費電流は多くなるが、電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより低電圧からの昇圧が可能となる。また、電圧制御型スイッチング素子２１のオンオフ動作を開始した後に電流制御型スイッチング素子２０のオンオフ動作を停止することで電流制御型スイッチング素子２０で消費する電力を削減できので、昇圧回路の消費電力も小さくできる。

次に図１の本発明の実施の形態を示したブロック図のＤＣ／ＤＣコンバータ１１の動作の説明をする。

電池１０の電圧が、電流制御型スイッチング素子２０のＶｔｈより低く、電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより低い場合をケース１とする。電池１０の電圧が、電流制御型スイッチング素子２０のＶｔｈより高く、電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより低い場合をケース２とする。電池１０の電圧が、電流制御型スイッチング素子２０のＶｔｈより高く、電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより高い場合をケース３とする。

＜ケース１＞
ケース１の場合は、スイッチング素子がオンオフできないので、昇圧はされない。出力端子２３の電圧は、電池１０の電圧からコイル１３と整流素子１４に係る電圧を差し引いた電圧が出力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は昇圧動作しない。

＜ケース２＞
ケース２の場合において、出力端子２３の電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈ以下の状態で、出力端子２３の電圧が入力端子２２の電圧以下の場合をケース２（１）とし、出力端子２３の電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈ以下の状態で、出力端子２３の電圧が入力端子２２の電圧を越えた状態の場合をケース２（２）とし、出力端子２３の電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈを超えた状態の場合をケース２（３）とする。

ケース２（１）：出力端子２３の電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈ以下の状態で、出力端子２３の電圧が入力端子２２の電圧以下の状態。

入力端子２２の電圧が出力端子２３の電圧より高いので、電源制御回路１７は電池１０を制御回路１８の電源として選択し、出力する。制御回路１８は電池１０の電圧を制御電圧として動作する。電圧制御型スイッチング素子２１は、入力されるオンオフ信号の振幅がＶｔｈに達しないのでオンオフしない。

駆動制御信号生成回路１６には、出力端子２３の電圧が電池１０の電圧以下、且つ、電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより低い電圧が入力される。よって、駆動制御信号生成回路１６は、オンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力するための制御信号を駆動制御回路１９へ出力する。駆動制御回路１９は制御回路１８からのオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力する。このとき、駆動制御回路１９は、電池１０から電源の供給を受け、昇圧のためにコイル１３に流す電流が電流制御型スイッチング素子２０によって制限されないように、電流制御型スイッチング素子２０の制御入力端子に対して十分な電流のオンオフ信号を出力する。

電流制御型スイッチング素子２０は、オンオフ信号を入力しオンオフを行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は昇圧動作をし、出力端子２３の電圧が上昇する。

ケース２（２）：出力端子２３の電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈ以下の状態で、出力端子２３の電圧が入力端子２２の電圧を越えた状態。

出力端子２３の電圧が電池１０の電圧より高いので、電源制御回路１７は出力端子２３を電源として選択し、ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧された出力電圧を出力する。制御回路１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧された出力電圧を制御電圧として動作する。電圧制御型スイッチング素子２１はオンオフ信号がＶｔｈ以下となるのでオンオフ動作しない。

駆動制御信号生成回路１６には出力端子２３が電池１０の電圧より高いが、電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより低い電圧が入力される。よって、駆動制御信号生成回路１６は、オンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力するための制御信号を駆動制御回路１９へ出力する。駆動制御回路１９は、制御回路１８からのオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力する。このとき、駆動制御回路１９は電池１０から電源の供給を受け、昇圧のためにコイル１３に流す電流が電流制御型スイッチング素子２０で制限されないような電流のオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力する。

電流制御型スイッチング素子２０はオンオフし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は昇圧動作をし、出力端子２３の電圧が上昇する。

ケース２（３）：出力端子２３の電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈを超えた状態。

出力端子２３の電圧が電池１０の電圧より高いので、電源制御回路１７は制御回路１８へ制御電源としてＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧出力を出力する。制御回路１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の昇圧された出力電圧を制御電圧として動作する。電圧制御型スイッチング素子２１はオンオフ信号がＶｔｈを越える電圧なのでオンオフし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は昇圧動作をし、出力端子２３の電圧が上昇する。

駆動制御信号生成回路１６には、出力端子２３が電池１０の電圧より高く、且つ、電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより高い電圧が入力される。よって、駆動制御信号生成回路１６は、オンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０に対してオフ状態で停止させるための制御信号を駆動制御回路１９へ出力する。駆動制御回路１９は、制御回路１８からのオンオフ信号の出力を停止し、電流制御型スイッチング素子２０をオフ状態で停止させる。

＜ケース３＞
ケース３において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧が入力電圧より低い場合をケース３（１）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧が入力電圧より高い場合をケース３（２）とする。

ケース３（１）の場合は以下のような動作をする。

電源制御回路１７は、入力電圧側である電池１０を制御電圧として選択し、制御回路１８へ出力する。制御回路１８から出力されるオンオフ信号の振幅は電池電圧１０の電圧となる。

駆動制御信号生成回路１６は、入力された電池１０の電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより高いので、駆動制御回路１９に対してオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力しないための制御信号を出力する。駆動制御回路１９は駆動制御信号生成回路１６からの制御信号により、制御回路１８からのオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力せずに、電流制御型スイッチング素子２０をオフ状態にしてオンオフさせない。

電圧制御型スイッチング素子２１は入力されるオンオフ信号の振幅がＶｔｈを超えているのでそのオンオフ信号に従ってオンオフ動作を行う。オンオフが開始されると、昇圧が開始され、出力端子２３の電圧が上昇する。

ケース３（２）の場合は以下のような動作をする。

電源制御回路１７は、出力電圧側であるＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力を制御電圧として選択し、制御回路１８へ出力する。制御回路１８はＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧でオンオフ信号を出力する。

駆動制御信号生成回路１６は、入力された出力電圧が電圧制御型スイッチング素子２１のＶｔｈより高いので、駆動制御回路１９に対してオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力しないための制御信号を出力する。駆動制御回路１９は駆動制御信号生成回路１６からの制御信号により、制御回路１８からのオンオフ信号を電流制御型スイッチング素子２０へ出力せずに、電流制御型スイッチング素子２０をオフ状態にしてオンオフさせない。

電圧制御型スイッチング素子２１は入力されるオンオフ信号の振幅がＶｔｈを超えているのでそのオンオフ信号に従ってオンオフ動作を行う。オンオフが開始されると、昇圧が開始され、出力端子２３の電圧が上昇する。制御回路１８は出力端子２３の電圧を入力し、出力端子２３の電圧が一定になるようにオンオフ信号を制御する。

図２は本発明の実施の形態を示した回路図である。この回路図を用いて実施の形態を説明する。図２では、図１と図２とで同様のものは同一の符号を用いた。

電池１０のプラス端子は、入力端子２２を介しコイル１３の入力端子と入力平滑コンデンサ２４のプラス端子と抵抗２５の一端子とＰＮＰトランジスタ３７のエミッタとＰＮＰトランジスタ３１のエミッタとに接続されている。コイル１３の出力端子は、ＮチャンネルＦＥＴ２１のドレインとＮＰＮトランジスタ２０のコレクタとダイオード３８のアノードとに接続されている。ダイオード３８のカソードは、ＩＣ１８のＶＯＵＴ端子とＮＰＮトランジスタ３０のコレクタと電流を制限するための抵抗２９の一端子とＰＮＰトランジスタ２７のエミッタと平滑コンデンサ１５のプラス端子と出力端子２３とに接続されている。抵抗２５の他端子は、ＰＮＰトランジスタ２７のベースに接続され、ベースに流れる電流を制限する。抵抗２９の他端子は、ＮＰＮトランジスタ３０のベースとツェナーダイオード２６のカソードとに接続され、電流を制限している。ＰＮＰトランジスタ２７のコレクタは抵抗２８の一端子と接続されている。ＰＮＰトランジスタ３７のベースは、抵抗３６の一端子とＰＮＰトランジスタ３１のベースと抵抗２８の他端子とに接続されている。ＰＮＰトランジスタ３７のコレクタは、ＮＰＮトランジスタ３０のエミッタとＩＣ１８のＶＤＤ端子とに接続されている。ＩＣ１８のＥＸＴ端子は、ＰＮＰトランジスタ３３のベースとＮチャンネルＦＥＴ２１のゲートとに接続されている。ＰＮＰトランジスタ３１のコレクタは電流を制限するための抵抗３２の一端子に接続されている。抵抗３２の他端子は、ＰＮＰトランジスタ３３のエミッタと抵抗３４の一端子とコンデンサ３５の一端子とに接続されている。抵抗３４の他端子は、コンデンサ３５の他端子とＮＰＮトランジスタ２０のベースとに接続されている。電池１０のマイナス端子は、入力平滑コンデンサ２４のマイナス端子と抵抗３６の他端子とＮチャンネルＦＥＴ２１のソースとＮＰＮトランジスタ２０のエミッタとＰＮＰトランジスタ３３のコレクタとＩＣ１８のＶＳＳ端子とツェナーダイオード２６のアノードと平滑コンデンサ１５のマイナス端子とに接続されている。

ＮＰＮトランジスタ２０はバイポーラ型トランジスタであり電流制御型スイッチング素子である。ＮチャンネルＦＥＴ２１はＦＥＴであり電圧制御型スイッチング素子である。ＩＣ１８は、ＮＰＮトランジスタ２０とＮチャンネルＦＥＴ２１のスイッチング素子に対してオンオフ信号を出力して、スイッチング手段の制御を行う制御回路である。図中点線で囲われている部分はＮＰＮトランジスタ２０の駆動を制御をする駆動制御回路１９である。図中一点鎖線で囲われた部分はＩＣ１８へ供給する電源を電池１０から供給するか出力端子２３から供給するかを選択制御する電源制御回路１７である。図中二点鎖線で囲われた部分は駆動制御回路１９へ駆動制御信号を出力する駆動制御信号生成回路１６である。

入力平滑コンデンサ２４は電源の電圧変動を抑えるためのコンデンサである。ＮＰＮトランジスタ２０かまたはＮチャンネルＦＥＴ２１のどちらかまたは両方を用いてオンオフをして、コイル１３を充放電させ、誘導起電力を発生させ、昇圧した電圧をダイオード１４で整流し、平滑コンデンサ１５で平滑し、出力端子２３から出力する。出力端子２３から出力する電圧はＩＣ１８のＶＯＵＴ端子に入力され、ＩＣ１８でこの出力電圧が一定になるようにオンオフ信号をＥＸＴ端子からＮＰＮトランジスタ２０とＮチャンネルＦＥＴ２１に対して出力し、制御する。ＥＸＴ端子から出力されるオンオフ信号の振幅はＩＣ１８の電源端子であるＶＤＤ端子とＶＳＳ端子間の電圧となる。電池１０のマイナス端子はＧＮＤに接続される。

駆動制御信号生成回路１６は、電源制御回路１７の回路の一部を使い、電源制御回路１７に含まれる構成となっている。別々の回路にすることもできるが、併用し、重複する回路を省略することで回路規模を小さくしている。

入力端子２２の電圧が出力端子２３の電圧より高い場合は、ＰＮＰトランジスタ２７とＮＰＮトランジスタ３０はオフとなる。このとき、ＰＮＰトランジスタ３７のベース電圧はＧＮＤ電位となるのでオンしてＩＣ１８のＶＤＤ端子へ電池１０から電力が供給される。

入力端子２２の電圧が出力端子２３の電圧より低い場合は、ＰＮＰトランジスタ２７はオンする。ＰＮＰトランジスタ２７はオンすると、ＰＮＰトランジスタ３７のベースの電圧は抵抗２８と抵抗３６の分圧となる。この分圧が入力端子２２の電圧より低ければＰＮＰトランジスタ３７はオンするし、高ければオフする。ＮＰＮトランジスタ３０はオンとなり、ＩＣ１８のＶＤＤ端子へ出力端子２３側から電力が供給される。このように、電源を選択して制御回路１９へ供給する制御を行う。

また、抵抗２８と抵抗３６の分圧は、ＰＮＰトランジスタ３１のベースの電圧でもある。この分圧は、駆動制御信号生成回路１６から駆動制御回路１９への駆動制御信号とでもある。この分圧が、入力端子２２の電圧より低ければＰＮＰトランジスタ３１はオンし、高ければオフする。

抵抗２８と抵抗３６の値を変えることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧が入力電圧に対してどの値になったらＰＮＰトランジスタ３７やＰＮＰトランジスタ３１の動作を切り換えるかを設定できる。

ツェナーダイオード２６は、ツェナー電圧で設定された電圧以上に出力端子２３の電圧が上昇しないように制御して回路を保護する。

駆動制御回路１９は、ＩＣ１８のＥＸＴ端子からオンオフ信号をＰＮＰトランジスタ３３のベースに入力する。ＰＮＰトランジスタ３１がオンの場合はＰＮＰトランジスタ３３のエミッタとＮＰＮトランジスタ２０のベースに入力端子２２から電池１０の電圧の電源が供給される。ＩＣ１８のＥＸＴ端子からのオンオフ信号の電圧がＶＤＤのレベルならばＰＮＰトランジスタ３３はオフして、ＮＰＮトランジスタ２０のベースは電池１０の電圧となり、ＮＰＮトランジスタ２０はオンしてコレクタ電流が流れコイル１３が充電される。ＩＣ１８のＥＸＴ端子からのオンオフ信号の電圧がＶＳＳのレベルならばＰＮＰトランジスタ３３はオンして、ＮＰＮトランジスタ２０のベースは電池１０のマイナス端子の電圧となり、ＮＰＮトランジスタ２０はオフしてコイル１３が放電される。抵抗３４はＮＰＮトランジスタ２０のベース電流を制限する抵抗である。コンデンサ３５はＮＰＮトランジスタ２０のベースに入力する信号の伝達を早くするためのコンデンサである。

ＩＣ１８のＥＸＴ端子から出力される電流が少なくても、ＰＮＰトランジスタ３１によって電池１０から電源の供給を受け、ＰＮＰトランジスタ３３のベースに入力することで、ＮＰＮトランジスタ２０のベースに流す電流を、抵抗３２と抵抗３４と電池１０の電圧とによって決まる電流とすることができる。

ＩＣ１８のＥＸＴ端子からの信号の振幅電圧はＶＤＤ端子とＶＳＳ端子間の電圧である。ＶＤＤ端子とＶＳＳ端子間の電圧がＮチャンネルＦＥＴ２１のＶｔｈを超えるとオンオフを開始する。

抵抗２８と抵抗３６の設定によって決まる出力端子２３の電圧の分圧と入力端子２２の電圧によって、ＮＰＮトランジスタ２０をオンオフさせるかオフ状態にするか制御できる。

スイッチング手段のオンオフを制御するオンオフ信号をＩＣ１８のＥＸＴ端子からの一つの信号で制御している。つまり、オンオフ信号の生成回路を複数設けず一つにすることで回路規模を小さくしている。

電流制御型スイッチング素子を停止させる電圧を定めるだけで、余分な検出手段を設けなくとも、電流制御型スイッチング素子と電圧制御型スイッチング素子の動作を切り替えることができる。

また、特にポータブル電子機器では、充電せずに、または電池を取り替えずに、長時間使用するために、できるだけ消費電力を小さくすることや電池から電気エネルギーをできる限り取り出すことが望まれている。本発明のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることで、このような省電力化と、できるだけ電池から電気エネルギーを取り出すことができる。

また、本発明のＤＣ／ＤＣコンバータを用いれば、電池電圧が低い状態であっても、バイポーラ型トランジスタのＶＢＥ以上であれば、昇圧を開始し、電池に蓄えられた電気エネルギーを取り出すことができる。さらに、昇圧後はＦＥＴでオンオフするので昇圧回路の消費電力を少なくすることができる。

次に回路の動作の説明をする。

ここで、ＮＰＮトランジスタ２０のＶＢＥを０．５Ｖ、ＮチャンネルＦＥＴ２１のＶｔｈを１．０Ｖ、電池１０の電圧を０．７Ｖ、所望の出力電圧を３．０Ｖ、抵抗２８と抵抗３６とは同じ抵抗値とし、電池１０を接続してから昇圧出力が３．０Ｖになるまでを順に説明する。

＜電源投入直後＞
まだＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作が始まっていない。電池１０が接続された直後は入力端子２２の電圧は０．７Ｖ、出力端子２３の電圧は０．４Ｖである。出力端子２３の電圧は入力端子２２の電圧からコイル１３とダイオード３８に係る電圧を差し引いた電圧である。

このとき、ＮＰＮトランジスタ３０はオフである。ＰＮＰトランジスタ２７はオフであり、ＰＮＰトランジスタ３７のベースはＧＮＤ電位であるのではオンとなる。また、ＰＮＰトランジスタ３１のベースはＧＮＤ電位となる。

ＩＣ１８の制御電圧であるＶＤＤはＰＮＰトランジスタ３７がオンでＮＰＮトランジスタ３０はオフであるので電池１０の電圧０．７Ｖとなる。よって、ＩＣ１８のＥＸＴ端子から出力されるオンオフ信号の振幅は０．７Ｖである。ＮチャンネルＦＥＴ２１は０．７Ｖではオンオフ動作しない。ＰＮＰトランジスタ３３にもオンオフ信号が入力される。ＰＮＰトランジスタ３３がオフの場合、ＮＰＮトランジスタ２０のベースにはＰＮＰトランジスタ３１のコレクタ電流が流れ込み、オンする。ＰＮＰトランジスタ３３がオンの場合、ＮＰＮトランジスタ２０のベースはＧＮＤ電位になるので、オフする。このようにＩＣ１８からのオンオフ信号によってＮＰＮトランジスタ２０がオンオフし、昇圧が開始され出力端子２３の電圧が上昇する。

＜昇圧電圧が０．７Ｖ超えるとき＞
電池１０が接続されている入力端子２２の電圧は０．７Ｖ、出力端子２３の電圧が上昇して０．７Ｖを超えると、ＰＮＰトランジスタ２７はオンし、抵抗２８と抵抗３６の分圧が０．３５Ｖを超える。

ＰＮＰトランジスタ３７のベース電位は抵抗２８と抵抗３６の分圧である。ＮＰＮトランジスタ３０がオンするので、ＰＮＰトランジスタ３７はオフとなる。また、ＰＮＰトランジスタ３１はオン状態である。

ＩＣ１８の制御電圧であるＶＤＤは出力端子２３の電圧の０．７Ｖを超えた値となる。よって、ＩＣ１８のＥＸＴ端子から出力されるオンオフ信号の振幅は０．７Ｖを超えた値である。ＮチャンネルＦＥＴ２１は、１．０Ｖを超えるまでオンオフ動作しない。ＰＮＰトランジスタ３３にもオンオフ信号が入力される。ＰＮＰトランジスタ３３がオフの場合、ＮＰＮトランジスタ２０のベースにはＰＮＰトランジスタ３１のコレクタ電流が流れ込み、オンする。ＰＮＰトランジスタ３３がオンの場合、ＮＰＮトランジスタ２０のベースはＧＮＤ電位になるので、オフする。このようにＩＣ１８からのオンオフ信号によってＮＰＮトランジスタ２０がオンオフし、昇圧動作し、出力端子２３の電圧が上昇する。

＜昇圧電圧が１．０Ｖ超えるとき＞
電池１０が接続されている入力端子２２の電圧は０．７Ｖ、出力端子２３の電圧が上昇して１．０Ｖを超えると、ＰＮＰトランジスタ２７はオンし、抵抗２８と抵抗３６の分圧が０．５Ｖを超える。

ＩＣ１８の制御電圧であるＶＤＤは出力端子２３の電圧の１．０Ｖを超えた値となる。よって、ＩＣ１８のＥＸＴ端子から出力されるオンオフ信号の振幅は１．０Ｖを超えた値である。ＮチャンネルＦＥＴ２１はオンオフ信号が１．０Ｖを超えたのでオンオフ動作をする。ＰＮＰトランジスタ３３にもオンオフ信号が入力される。ＰＮＰトランジスタ３３にもオンオフ信号が入力される。ＰＮＰトランジスタ３３がオフの場合、ＮＰＮトランジスタ２０のベースにはＰＮＰトランジスタ３１のコレクタ電流が流れ込み、オンする。ＰＮＰトランジスタ３３がオンの場合、ＮＰＮトランジスタ２０のベースはＧＮＤ電位になるので、オフする。このようにＩＣ１８からのオンオフ信号によってＮＰＮトランジスタ２０がオンオフし、昇圧動作し、出力端子２３の電圧が上昇する。

＜昇圧電圧が１．４Ｖ超えるとき＞
電池１０が接続されている入力端子２２の電圧は０．７Ｖ、出力端子２３の電圧は上昇して１．４Ｖを超えると、ＰＮＰトランジスタ２７はオンし、抵抗２８と抵抗の分圧が０．７Ｖを超える。

ＰＮＰトランジスタ３７のベース電位は抵抗２８と抵抗３６の分圧である。ＮＰＮトランジスタ３０がオンするので、ＰＮＰトランジスタ３７はオフとなる。また、ＰＮＰトランジスタ３１のベース電圧が０．７Ｖを超えるのでオフ状態となる。

ＩＣ１８の制御電圧であるＶＤＤは出力端子２３の電圧の１．４Ｖを超えた値となる。よって、ＩＣ１８のＥＸＴ端子から出力されるオンオフ信号の振幅は１．４Ｖを超えた値である。ＮチャンネルＦＥＴ２１はオンオフ信号が１．４Ｖを超えているのでオンオフ動作をする。ＰＮＰトランジスタ３３にもオンオフ信号が入力される。ＰＮＰトランジスタ３１がオフ状態となり、ＮＰＮトランジスタ２０のオンオフ動作は行われない。ＮチャンネルＦＥＴ２１によってオンオフが行われ、昇圧動作し、出力端子２３の電圧が上昇する。

＜昇圧電圧が３．０Ｖ超えるとき＞
ＩＣ１８のＶｏｕｔ端子に３．０Ｖを超える電圧が入力されると、出力電圧を下げるオンオフ信号がＥＸＴ端子から出力され、出力電圧を下げる。

出力電圧が３．０Ｖより下がると、出力電圧を上げるオンオフ信号がＥＸＴ端子から出力され、出力電圧を上げる。このような制御を行い出力電圧を３．０Ｖに保つ。

また、抵抗２８と抵抗３６の値を変えることで、電流制御スイッチング素子を停止させる電圧を設定できる。電圧制御スイッチング素子の動作開始と電流制御スイッチング素子の停止を同時に行うこともできるが、電圧制御スイッチング素子の動作が開始してから電流制御スイッチング素子を停止させることで動作が安定する。

本発明の実施の形態を示したブロック図である。本発明の実施の形態を示した回路図である。従来のＤＣ／ＤＣコンバータを示したブロック図である。

符号の説明

１０電池
１３コイル
１６駆動制御信号生成回路
１７電源制御回路
１９駆動制御回路
２０電流制御型スイッチング素子
２１電圧制御型スイッチング素子
２２入力端子
２３出力端子
３７ＰＮＰトランジスタ
３０ＮＰＮトランジスタ
２７ＰＮＰトランジスタ
３１ＰＮＰトランジスタ
３３ＰＮＰトランジスタ

Claims

電源から入力される入力電圧を、所望の出力電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記入力電圧を昇圧するコイルと、
前記コイルの一端と前記電源との間に介挿し、前記コイルに対して電気エネルギーを充放電させるため、前記コイルに流れる電流を制御する電流制御型スイッチング素子及び電圧制御型スイッチング素子が並列に接続されたスイッチング手段と、
昇圧された電気エネルギーを蓄電するコンデンサと、
前記コンデンサに蓄電された前記出力電圧が予め設定された電圧となるよう、前記スイッチング手段にオンオフ制御を行うオンオフ信号を出力する制御回路と、
前記出力電圧が前記入力電圧より低い場合、前記入力電圧を前記制御回路の制御電圧とし、一方、前記出力電圧が前記入力電圧より高い場合、前記出力電圧を前記制御回路の制御電圧とする電源制御回路と、
前記オンオフ信号を前記電流制御型スイッチング素子に入力させるか否かを、前記入力電圧と前記出力電圧との予め定めた関係に応じて、行う駆動制御回路と、
を有し、
前記制御回路は前記駆動制御回路及び前記電圧制御型スイッチング素子に対して前記制御電圧の電圧レベルを前記オンオフ信号の振幅値とし出力することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記駆動制御回路が、予め設定された停止電圧を前記出力電圧が超えた場合、前記オンオフ信号を前記電流制御型スイッチング素子に入力させず、オフ状態にて停止させることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記駆動制御回路が、前記出力電圧を予め設定された抵抗によって抵抗分割した分圧値が前記入力電圧以上の場合、前記オンオフ信号を前記電流制御型スイッチング素子に入力させず、オフ状態にてオンオフを停止させることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記駆動制御回路が、前記オンオフ信号を前記電流制御型スイッチング素子へ出力する場合、前記電流制御型スイッチング素子を駆動させるために前記電源から電力の供給を受けて前記オンオフ信号を出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記電流制御型スイッチング素子はバイポーラ型トランジスタであり、前記電圧制御型スイッチング素子は電界効果型トランジスタであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータを有することを特徴とする電子機器。