JP5813274B2

JP5813274B2 - チャージポンプ回路

Info

Publication number: JP5813274B2
Application number: JP2015513431A
Authority: JP
Inventors: 末竹　成規; 成規末竹; 浅井　孝公; 孝公浅井; 賢一藤江
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: EP2991213A1; JPWO2014174634A1; US9680373B2; CN105144558B; CN105144558A; EP2991213B1; WO2014174634A1; US20150318783A1; EP2991213A4

Description

この発明は、例えば、多相モータを通電制御するスイッチ素子の制御電圧の供給手段に係り、特に、電源電圧を昇圧して昇圧電圧を発生させるチャージポンプ回路に関するものである。

多相モータを通電制御するＮｃｈ型ＭＯＳスイッチ素子では、正常導通させるために、ソース電圧より所定値以上のゲート電圧が必要になる。
このとき、高電圧を得るために電源電圧を昇圧して昇圧電圧を得るチャージポンプ回路が知られている。

また、自動車に搭載される電子機器にはラジオノイズなど、電磁ノイズを抑制することが要求されており、一般にラジオノイズは半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ時に発生する消費電流の変化時に発生し、電流変化が急峻なほどノイズレベルは増大する傾向がある。

図３は一般的なチャージポンプ回路の構成を示しており、切り替えスイッチのスイッチ（ＳＷ３）３をＯＦＦ、スイッチ（ＳＷ４）４をＯＮすることで、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２がソース電源のＢ端子よりダイオード（Ｄ１）７を介して供給される電流で充電され、スイッチ（ＳＷ３）３をＯＮ、スイッチ（ＳＷ４）４をＯＦＦすることで、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２に充電された電荷がダイオード（Ｄ２）８を介してタンクコンデンサ（ＣＵ）１３へ放電される。
このチャージポンプ回路の動作に伴い、Ｂ端子から急峻な電流変化が発生するため、ラジオノイズレベルが増大することとなる。

また、たとえば、特許文献１では、チャージポンプ回路と電源間にフィルターを設けることで、スイッチングノイズを除去するものが開示されている。

特開平１０−１５５２７０号公報

特許文献１ではチャージポンプ回路の電源ラインにフィルターを設けることが開示されているが、チャージポンプ回路についての回路構成は開示されていない。
図４は特許文献１から予測されるチャージポンプ回路の回路図を示したものであり、タンクコンデンサ（ＣＵ）１３の端子は、電源ラインから抵抗（Ｒｉ）１５とコンデンサ（Ｃｉ）からなるフィルター通過後の箇所に接続されている。
このとき、フィルター通過後の箇所はチャージポンプの動作により、電位が安定しないため、タンクコンデンサ（ＣＵ）１３の基準電位が安定せず、チャージポンプの出力も不安定となることが懸念される。なお、図４において、図３との同一符号は同一または相当部分を示すもので、説明は省略する。

また、タンクコンデンサ（ＣＵ）１３をＧＮＤに接続すれば上記の問題は解消できるが、耐圧が高いコンデンサを選定する必要がある。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、安価な構成で、チャージポンプ回路によるスイッチングノイズを抑制、除去し、ラジオノイズを低下、除去することのできるチャージポンプ回路を提供することを目的とする。

この発明に係わるチャージポンプ回路は、一端が第１の逆流防止素子を介してソース電源側に接続されて充電電流が供給され、他端が切り替えスイッチを介して２種類の電圧源に接続されるポンプコンデンサと、一端が第２の逆流防止素子を介して前記ポンプコンデンサの高電位端子に接続され前記第２の逆流防止素子を介して前記ポンプコンデンサから充電電流が供給され、他端が前記ソース電源に接続される出力コンデンサを有するチャージポンプ回路であって、前記ソース電源と前記第１の逆流防止素子の間に、抵抗とコンデンサで構成されるフィルタ回路を備え、前記フィルタ回路の抵抗とコンデンサの接続点と前記第１の逆流防止素子の一端とを接続したものである。

この発明のチャージポンプ回路によれば、チャージポンプ回路によるスイッチングノイズを抑制、除去し、ラジオノイズを低下、除去するチャージポンプ回路を得ることができる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の実施の形態1に係るチャージポンプ回路の回路構成図である。この発明の実施の形態２に係るチャージポンプ回路の回路構成図である。一般的なチャージポンプ回路の一例を示す回路図である。従来装置の他の一例を示すチャージポンプ回路の回路図である。図３のチャージポンプ回路におけるノイズレベルを示す図である。図２のチャージポンプ回路におけるノイズレベルを示す図である。

以下、この発明のチャージポンプ回路の実施の形態について、図を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるチャージポンプ回路の回路構成を示す図である。
図1において、まず、ソース電源Ｂラインから供給された電流は、抵抗（Ｒｉ）１５とコンデンサ（Ｃｉ）１１とを直列接続して構成されるフィルタ回路の抵抗（Ｒｉ）１５を通してコンデンサ（Ｃｉ）１１に充電される。

この状態でスイッチ（ＳＷ３）３がＯＦＦ、スイッチ（ＳＷ４）４がＯＮとなると、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２には、コンデンサ（Ｃｉ）１１より第１の逆流防止素子であるダイオード（Ｄ１）７（以下単にダイオード７ともいう。）を介して電荷が移動し、Ｂｆ−Ｖｆとなるよう充電される。
ここで、Ｂｆはコンデンサ（Ｃｉ）１１の電位、Ｖｆはダイオード７の電圧降下である。
この動作をフェーズ１とする。

その後スイッチ（ＳＷ３）３がＯＮ、スイッチ（ＳＷ４）４がＯＦＦとなると、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２は電圧源Ｖ１に接続され、出力コンデンサ（ＣＵ）１３には、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２より第２の逆流防止素子であるダイオード（Ｄ２）８（以下単にダイオード８ともいう。）を介して電荷が移動し、Ｂｆ＋Ｖ−２Ｖｆとなるよう充電される。ここで、Ｖは電圧源Ｖ１の電位、２Ｖｆはダイオード７および８の電圧降下である。
この動作をフェーズ２とする。

ここで、フェーズ１のとき、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２への電荷の供給源はコンデンサ（Ｃｉ）１１となるため、ソース電源Ｂラインには急峻な電流変化が発生しない。
また、ノイズ発生の要因は急峻な電流変化、または、電圧変化であるが、本構成によれば上記のとおり、ソース電源Ｂラインには急峻な電流変化がないため、ソース電源Ｂラインのノイズレベルが低減、または、除去される。

ここで、コンデンサ（Ｃｉ）１１の容量はポンプコンデンサ（Ｃ２）１２から消費される電流を補充するために十分な容量になるよう設定すればよく、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２の容量が小さいほど、また、チャージポンプ動作周波数が低いほどコンデンサ（Ｃｉ）１１の容量は小さく設定できる。

また、出力コンデンサ（ＣＵ）１３の低電圧側はソース電源Ｂラインに接続されているため、出力コンデンサ（ＣＵ）１３にかかる電位差は、チャージポンプで充電された電圧分だけでよく、耐圧を高くする必要がない。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２におけるチャージポンプ回路の回路構成を示す図である。図２において、まず、ソース電源Ｂラインから供給された電流は、抵抗（Ｒｉ）１５（以下単に抵抗１５ともいう。）とコンデンサ（Ｃｉ）１１（以下単にコンデンサ１１ともいう。）とを直列接続して構成されるフィルタ回路の、抵抗１５を通してコンデンサ１１に充電される。
この状態でスイッチ（ＳＷ３）３（以下単にスイッチ３ともいう。）がＯＦＦ、スイッチ（ＳＷ４）４（以下単にスイッチ４ともいう。）がＯＮとなると、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２にはコンデンサ１１より第１の逆流防止素子であるダイオード（Ｄ１）７（以下単にダイオード７ともいう。）を介して電荷が移動し、Ｂｆ−Ｖｆとなるよう充電される。ここで、Ｂｆはコンデンサ１１の電位、Ｖｆはダイオード７の電圧降下である。
この動作をフェーズ１とする。

その後スイッチ３がＯＮ、スイッチ４がＯＦＦとなると、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２は電圧源Ｖ１に接続され、一旦電荷蓄積手段であるコンデンサ（Ｃ３）１４に、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２よりダイオード８を介して電荷が移動し、その後出力コンデンサ（ＣＵ）１３が抵抗１６を介して、Ｂｆ＋Ｖ−２Ｖｆとなるよう充電される。
ここで、Ｖは電圧源Ｖ１の電位、２Ｖｆはダイオード７および８の電圧降下である。
この動作をフェーズ２とする。

ここで、この実施の形態２においても、フェーズ１のとき、ポンプコンデンサ（Ｃ２）１２への電荷の供給源がコンデンサ１１となるため、ソース電源Ｂラインには急峻な電流変化が発生しない。
また、ノイズ発生の要因は急峻な電流変化、または、電圧変化であるが、本構成によれば上記のとおり、ソース電源Ｂラインには急峻な電流変化がないため、ソース電源Ｂラインのノイズレベルが低減、または、除去される。

さらに、フェーズ２のとき、電荷が出力コンデンサ（ＣＵ）１３に移動する際、一旦電荷蓄積手段であるコンデンサ（Ｃ３）１４に蓄積されることより、出力コンデンサ（ＣＵ）１３への急峻な電流変化が発生しない。
したがって、出力コンデンサ（ＣＵ）１３への電荷の移動の際、ソース電源Ｂラインから独立した経路での電流移動となるため、ソース電源Ｂラインには急峻な電流変化がなく、ソース電源Ｂラインのノイズレベルを低減、または、除去することができる。

図５は、図３に示す従来のチャージポンプ回路におけるノイズレベルを示す図である。
チャージポンプ回路の作動周波数は２００ｋＨzとしており、図中の２００ｋＨｚ、および、２００ｋＨｚの整数倍の周波数のノイズレベルが大きくなっている。
一方、図６は、この発明の実施の形態２のチャージポンプ回路におけるノイズレベルを示す図である。
図５および図６から明らかなとおり、チャージポンプ回路の作動周波数２００ｋＨzでは、実施の形態２のチャージポンプ回路では従来のチャージポンプ回路のノイズレベルより約２３ｄＢｕＶ低減しており、２００Ｈｚの整数倍の周波数でも約３０ｄＢｕＶのノイズレベルが低減している。

以上説明したように、この発明のチャージポンプ回路によれば、簡単な構成で、チャージポンプによるスイッチングノイズを抑制、除去し、ラジオノイズを低下、除去することができる。

この発明は、車両に搭載される半導体スイッチ素子の制御電圧供給手段として、電源電圧を昇圧して昇圧電圧を発生させるチャージポンプ回路として有益なものである。

１、２スイッチ、７、８ダイオード、１１コンデンサ、
１２ポンプコンデンサ、１３出力コンデンサ、
１４コンデンサ（電荷蓄積手段）、１５、１６抵抗

Claims

一端が第１の逆流防止素子を介してソース電源側に接続されて充電電流が供給され、他端が切り替えスイッチを介して２種類の電圧源に接続されるポンプコンデンサと、一端が第２の逆流防止素子を介して前記ポンプコンデンサの高電位端子に接続され前記第２の逆流防止素子を介して前記ポンプコンデンサから充電電流が供給され、他端が前記ソース電源に接続される出力コンデンサを有するチャージポンプ回路であって、
前記ソース電源と前記第１の逆流防止素子の間に、抵抗とコンデンサで構成されるフィルタ回路を備え、前記フィルタ回路の抵抗とコンデンサの接続点と前記第１の逆流防止素子の一端とを接続したことを特徴とするチャージポンプ回路。
前記第２の逆流防止素子と前記出力コンデンサの高電位端子の間に電荷蓄積手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ回路。
スイッチング周波数と前記ポンプコンデンサの容量により前記フィルタ回路のコンデンサの容量を決めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のチャージポンプ回路。