JP5824312B2

JP5824312B2 - 昇降圧コンバータ

Info

Publication number: JP5824312B2
Application number: JP2011223920A
Authority: JP
Inventors: 高範難波; 祐介笠羽; 伊藤　昌康; 昌康伊藤
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2031-10-11
Also published as: JP2013085383A

Description

本発明はＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体光源に駆動電圧を印加する昇降圧コンバータに関する。

近年、前照灯などの車両用灯具に、従来のフィラメントを有するハロゲンランプに代えてより長寿命で低消費電力のＬＥＤが利用されている。ＬＥＤの発光の度合いすなわち明るさはＬＥＤに流す電流の大きさに依存するので、ＬＥＤを光源として利用する場合にはＬＥＤに流れる電流を調節するための点灯回路が必要となる。そのような点灯回路は通常エラーアンプを有し、ＬＥＤに流れる電流が一定となるようにフィードバック制御する。

点灯回路への電力は、通常車載バッテリから供給される。車載バッテリは点灯回路以外にも車両の様々な部分に電力を供給するので、バッテリ電圧の変動は比較的大きい。このバッテリ電圧がＬＥＤの順方向降下電圧をまたいで変動しうる場合は、点灯回路はバッテリ電圧を昇圧する機能と降圧する機能とを兼ね備えることが望ましい。

特許文献１には昇降圧チョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。このコンバータではハイサイドのスイッチング素子としてｐ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタが採用されている。

特開２００５−１９８４１０号公報

車両用灯具の光源として使用されるＬＥＤには、要求される明るさを実現するために比較的大きな電流を流すことが多い。したがって、昇降圧チョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータを使用してそのようなＬＥＤを点灯させる場合、ハイサイドのスイッチング素子として、一般的にｐ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタよりオン抵抗の低いｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを採用することが望ましい。

ｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタをオンするためにはゲート電圧をソース電圧よりも高める必要がある。これに対応して、従来、ｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ自体のオンオフ動作を使用して必要なゲート電圧を生成するブートストラップ回路が知られている。しかしながら、昇降圧コンバータの昇圧モードではハイサイドのｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを常時オンとしておかなくてはならないので、従来のブートストラップ回路を使用した場合、必要なゲート電圧を継続的に得ることは難しい。すなわち、従来のブートストラップ回路では、昇圧モードにおいてハイサイドのｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを常時オンとしておくことが原理的に困難である。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御端子に印加される電圧が入出力端子の電圧よりも高いとオンされるスイッチング素子を降圧用のスイッチング素子として採用した場合に、より容易に昇圧モードを実現できる昇降圧コンバータの提供にある。

本発明のある態様は、昇降圧コンバータに関する。この昇降圧コンバータは、車両用灯具に含まれる少なくともひとつの半導体光源に駆動電圧を印加する昇降圧コンバータであって、降圧モードにおいて、本昇降圧コンバータへの入力電圧が一端に印加される第１スイッチング素子のオンオフにより、入力電圧よりも低い駆動電圧を生成する降圧部と、昇圧モードにおいて、入力電圧よりも低い固定電圧が一端に印加される第２スイッチング素子のオンオフにより、入力電圧よりも高い駆動電圧を生成する昇圧部と、を備える。第１スイッチング素子は、制御端子に印加される電圧が他端の電圧よりも高いとオンされる。本昇降圧コンバータはさらに、一端が第１スイッチング素子の他端と接続されたブートストラップキャパシタと、昇圧モードにおいて、第２スイッチング素子のオンオフを利用してブートストラップキャパシタを充電する充電部と、昇圧モードにおいて、充電部によって充電されたブートストラップキャパシタの他端の電圧を第１スイッチング素子の制御端子に印加するスイッチ駆動部と、を備える。

この態様によると、昇圧モードにおいて、第２スイッチング素子のオンオフを利用して第１スイッチング素子をオンすることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、制御端子に印加される電圧が入出力端子の電圧よりも高いとオンされるスイッチング素子を降圧用のスイッチング素子として採用した昇降圧コンバータにおいて、より容易に昇圧モードを実現できる。

実施の形態に係る昇降圧コンバータの構成を示す回路図である。降圧モードにおける図１の昇降圧コンバータの動作状態を示すタイムチャートである。昇圧モードにおける図１の昇降圧コンバータの動作状態を示すタイムチャートである。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、信号には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面において説明上重要ではない部材の一部は省略して表示する。また、電圧、電流あるいは抵抗などに付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値あるいは抵抗値を表すものとして用いることがある。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

実施の形態に係る昇降圧コンバータでは、ハイサイドのスイッチング素子として、制御端子に印加される電圧が入出力端子の電圧よりも高いとオンされるスイッチング素子が採用される。例えば、ハイサイドのスイッチング素子としてｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、以下、ｎ型ＭＯＳＦＥＴと称す）またはｎｐｎ型バイポーラトランジスタが採用される。特にｎ型ＭＯＳＦＥＴはｐ型ＭＯＳＦＥＴと比較して、流れる電流の大きいアプリケーションにより適している。

昇降圧コンバータはハイサイドのｎ型ＭＯＳＦＥＴをオンするためのブートストラップ回路を有する。このブートストラップ回路は、昇降圧コンバータの降圧モードにおいて、ハイサイドのｎ型ＭＯＳＦＥＴ自体のオンオフを利用してハイサイドのｎ型ＭＯＳＦＥＴをオンするための電圧を生成する。ブートストラップ回路は、昇圧モードにおいて、ローサイドのスイッチング素子のオンオフを利用してハイサイドのｎ型ＭＯＳＦＥＴをオンするための電圧を生成する。これにより、昇圧モードにおいてハイサイドのｎ型ＭＯＳＦＥＴをオン状態に維持することが可能となり、より容易に昇圧モードを実現できる。

図１は、実施の形態に係る昇降圧コンバータ１００の構成を示す回路図である。昇降圧コンバータ１００は、昇降圧コンバータ１００への入力電圧すなわち車載バッテリ１１２のバッテリ電圧Ｖｂａｔを昇圧または降圧して駆動電圧Ｖｄを生成し、ＬＥＤ１０６に印加するＤＣ／ＤＣコンバータである。

ＬＥＤ１０６は車載用のＬＥＤであり、複数のＬＥＤを直列に接続して構成されてもよい。ＬＥＤ１０６は、不図示のバイパススイッチなどによりＬＥＤの点灯・非点灯をＬＥＤごとに個別に制御できるよう構成されていてもよい。ＬＥＤ１０６のアノードは昇降圧コンバータ１００の駆動電圧端子１６０と接続され、カソードは第１接地端子１６２と接続される。昇降圧コンバータ１００およびＬＥＤ１０６は前照灯などの車両用灯具に搭載される。

車載バッテリ１１２の正極端子は昇降圧コンバータ１００のバッテリ電圧端子１６４と接続され、負極端子は接地されると共に昇降圧コンバータ１００の第２接地端子１６６と接続される。これにより、バッテリ電圧端子１６４にはバッテリ電圧Ｖｂａｔが、第２接地端子１６６には接地電位が、それぞれ印加される。第１接地端子１６２と第２接地端子１６６とは昇降圧コンバータ１００内で実質的に等電位となるよう接続されている。また、第２接地端子１６６は制御部１２４の第３接地端子１７６とも接続され、制御部１２４に接地電位が供給される。

昇降圧コンバータ１００は、降圧部１０２と、昇圧部１０４と、入力キャパシタ１１０と、ブートストラップキャパシタ１１４と、第１抵抗１１６と、第２抵抗１２０と、制御部１２４と、を備える。
入力キャパシタ１１０の一端はバッテリ電圧端子１６４と接続され、他端は第２接地端子１６６と接続される。

降圧部１０２、昇圧部１０４のトポロジーはいずれも一般的なものであるため簡潔に説明する。
降圧部１０２は、降圧モードにおいて、バッテリ電圧Ｖｂａｔがドレインに印加されるハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のオンオフにより、バッテリ電圧Ｖｂａｔよりも低い駆動電圧Ｖｄを生成する。降圧部１０２は、出力キャパシタ１０８と、インダクタ１３０と、第２ダイオード１３２と、ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４と、を含む。

ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のドレインはバッテリ電圧端子１６４と接続され、ソースは第１接続ノードＮ１と接続される。ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のゲートは第１抵抗１１６を介して制御部１２４のハイサイド駆動端子１６８と接続される。第２ダイオード１３２のカソードは第１接続ノードＮ１と接続され、アノードは第２接地端子１６６と接続される。インダクタ１３０の一端は第１接続ノードＮ１と接続され、他端は第１ダイオード１２６を介して出力キャパシタ１０８の一端と接続される。出力キャパシタ１０８の一端はまた駆動電圧端子１６０とも接続される。出力キャパシタ１０８の他端は第２接地端子１６６と接続される。第１接続ノードＮ１は制御部１２４のハイサイドソース電圧端子１７０と接続される。

降圧モードにおいて、ハイサイド駆動端子１６８からハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のゲートに出力されるハイサイド駆動信号Ｓ１は、ＬＥＤ１０６に流れる駆動電流Ｉ_ＬＥＤの大きさに基づく電流フィードバック制御によりパルス幅変調された矩形波状の信号である。ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４はハイサイド駆動信号Ｓ１により定まるオンデューティでオンオフし、出力キャパシタ１０８の両端電圧はバッテリ電圧Ｖｂａｔよりも低い駆動電圧Ｖｄとなる。昇圧モードではハイサイド駆動信号Ｓ１はハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のソース電圧よりも高い略一定の電圧を有し、ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４はオンとなる。

昇圧部１０４は、昇圧モードにおいて、バッテリ電圧Ｖｂａｔよりも低い固定電圧すなわち接地電位がソースに印加されるローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８のオンオフにより、バッテリ電圧Ｖｂａｔよりも高い駆動電圧Ｖｄを生成する。昇圧部１０４は、出力キャパシタ１０８と、第１ダイオード１２６と、ローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８と、インダクタ１３０と、を含む。

ローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８のドレインはインダクタ１３０の他端と第１ダイオード１２６のアノードとの第２接続ノードＮ２と接続され、ソースは第２接地端子１６６と接続される。ローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８のゲートは第２抵抗１２０を介して制御部１２４のローサイド駆動端子１７２と接続される。

昇圧モードにおいて、ローサイド駆動端子１７２からローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８のゲートに出力されるローサイド駆動信号Ｓ２は、ＬＥＤ１０６に流れる駆動電流Ｉ_ＬＥＤの大きさに基づく電流フィードバック制御によりパルス幅変調された矩形波状の信号である。ローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８はローサイド駆動信号Ｓ２により定まるオンデューティでオンオフし、出力キャパシタ１０８の両端電圧はバッテリ電圧Ｖｂａｔよりも高い駆動電圧Ｖｄとなる。降圧モードではローサイド駆動信号Ｓ２の電圧は実質的に接地電位に固定され、ローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８はオフとなる。

ブートストラップキャパシタ１１４の一端１１４ａは第１接続ノードＮ１と接続され、他端１１４ｂは制御部１２４のブートストラップ端子１７４と接続される。

制御部１２４は、モードに応じて降圧部１０２および昇圧部１０４を制御するＩＣ（集積回路、Integrated Circuit）である。制御部１２４は、第３ダイオード１３６と、ハイサイドスイッチ駆動部１３８と、ローサイドスイッチ駆動部１４０と、充電部１４２と、駆動パルス生成部１５８と、ハイサイド駆動端子１６８と、ハイサイドソース電圧端子１７０と、ローサイド駆動端子１７２と、ブートストラップ端子１７４と、第３接地端子１７６と、６〜１０Ｖ程度の電源電圧Ｖｃｃが印加されるＩＣ電源電圧端子１７８と、を有する。

ハイサイドスイッチ駆動部１３８はハイサイド駆動信号Ｓ１を生成してハイサイド駆動端子１６８に出力する。ハイサイドスイッチ駆動部１３８は、第１ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４４と、第１ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１４６と、を有する。第１ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４４のコレクタは第３ダイオード１３６のカソードと接続される。第３ダイオード１３６のアノードはＩＣ電源電圧端子１７８と接続される。第１ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４４のエミッタは第１ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１４６のエミッタと接続される。第１ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４４のエミッタと第１ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１４６のエミッタとの第３接続ノードＮ３は、ハイサイド駆動端子１６８と接続される。すなわち、第３接続ノードＮ３の電圧がハイサイド駆動信号Ｓ１の電圧となる。第１ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１４６のコレクタはハイサイドソース電圧端子１７０と接続される。第１ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４４のベースおよび第１ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１４６のベースの両方には、駆動パルス生成部１５８によって生成されるハイサイド制御信号Ｓ３が入力される。

ローサイドスイッチ駆動部１４０はローサイド駆動信号Ｓ２を生成してローサイド駆動端子１７２に出力する。ローサイドスイッチ駆動部１４０は、第２ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４８と、第２ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１５０と、を有する。第２ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４８のコレクタはＩＣ電源電圧端子１７８と接続される。第２ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４８のエミッタは第２ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１５０のエミッタと接続される。第２ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４８のエミッタと第２ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１５０のエミッタとの第４接続ノードＮ４は、ローサイド駆動端子１７２と接続される。すなわち、第４接続ノードＮ４の電圧がローサイド駆動信号Ｓ２の電圧となる。第２ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１５０のコレクタは第３接地端子１７６と接続される。第２ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４８のベースおよび第２ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１５０のベースの両方には、駆動パルス生成部１５８によって生成されるローサイド制御信号Ｓ４が入力される。

充電部１４２は、昇圧モードにおいて、ローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８のオンオフを利用してブートストラップキャパシタ１１４を充電する。特に充電部１４２は、昇圧モードにおけるローサイド駆動信号Ｓ２の変動する電圧を利用する。充電部１４２はローサイド駆動信号Ｓ２の電圧の変動を利用するチャージポンプ回路であり、第４ダイオード１５２と、第５ダイオード１５４と、ポンプキャパシタ１５６と、を備える。第５ダイオード１５４のアノードはハイサイドソース電圧端子１７０と接続され、カソードは第４ダイオード１５２のアノードと接続される。第４ダイオード１５２のカソードはブートストラップ端子１７４と接続される。ブートストラップ端子１７４は第１ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４４のコレクタおよび駆動パルス生成部１５８とも接続される。ポンプキャパシタ１５６の一端１５６ａはローサイド駆動端子１７２と接続され、他端１５６ｂは第５ダイオード１５４のカソードと第４ダイオード１５２のアノードとの第５接続ノードＮ５と接続される。

駆動パルス生成部１５８は、駆動電流Ｉ_ＬＥＤの大きさが所定の目標値に近づくように、昇圧モードではローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８のオンオフのデューティ比を、降圧モードではハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のオンオフのデューティ比を、それぞれ制御する。駆動パルス生成部１５８は、例えば駆動電流Ｉ_ＬＥＤの経路上に設けられた不図示の電流検出抵抗の両端電圧を駆動電流Ｉ_ＬＥＤの大きさを示す電圧として使用してもよい。

昇圧モードでは、駆動パルス生成部１５８は、ハイサイド制御信号Ｓ３として電圧がハイレベルに固定された信号を生成する。このハイレベルはブートストラップ端子１７４に印加される電圧すなわちブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂである。ブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂは、第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１にブートストラップキャパシタ１１４の両端電圧ΔＶを足した電圧である。
駆動パルス生成部１５８は、ローサイド制御信号Ｓ４として例えば数十ｋＨｚから数ＭＨｚのスイッチング周波数で電圧が矩形波状に変化する信号を生成する。ローサイド制御信号Ｓ４のハイレベルは電源電圧Ｖｃｃ、ローレベルは接地電位である。駆動パルス生成部１５８は、駆動電流Ｉ_ＬＥＤの大きさが所定の目標値に近づくように、ローサイド制御信号Ｓ４のデューティ比を調整する。

降圧モードでは、駆動パルス生成部１５８は、ローサイド制御信号Ｓ４として電圧が接地電位に固定された信号を生成する。駆動パルス生成部１５８は、ハイサイド制御信号Ｓ３としてスイッチング周波数で電圧が矩形波状に変化する信号を生成する。ハイサイド制御信号Ｓ３のハイレベルはブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂ、ローレベルは第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１である。駆動パルス生成部１５８は、駆動電流Ｉ_ＬＥＤの大きさが所定の目標値に近づくように、ハイサイド制御信号Ｓ３のデューティ比を調整する。

以上の構成による昇降圧コンバータ１００の動作を説明する。
（降圧モード）
図２は、降圧モードにおける昇降圧コンバータ１００の動作状態を示すタイムチャートである。図２は、上から順に、ハイサイド制御信号Ｓ３、ハイサイド駆動信号Ｓ１、第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１、バッテリ電圧Ｖｂａｔ、駆動電圧Ｖｄ、ローサイド制御信号Ｓ４、ローサイド駆動信号Ｓ２、ブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂ、を示す。

ハイサイド制御信号Ｓ３はブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂと第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１とを繰り返す周期信号である。ハイサイド制御信号Ｓ３がハイレベルのとき第１ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４４はオン、第１ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１４６はオフとなるので、ハイサイド駆動信号Ｓ１の電圧は、第１ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４４のコレクタの電圧すなわちブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂとなる。ハイサイド制御信号Ｓ３がローレベルのとき第１ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４４はオフ、第１ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１４６はオンとなるので、ハイサイド駆動信号Ｓ１の電圧は第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１となる。後述の通りハイサイド制御信号Ｓ３がローレベルのとき第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１は接地電位となるので、ハイサイド駆動信号Ｓ１の電圧も接地電位となる。

ハイサイド駆動信号Ｓ１がハイレベルのとき、後述の通りブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂはバッテリ電圧Ｖｂａｔよりも高いので、ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４はオンし、第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１はバッテリ電圧Ｖｂａｔとなる。ハイサイド駆動信号Ｓ１がローレベルのとき、ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４はオフし、第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１は接地電位となる。

ローサイド制御信号Ｓ４は接地電位に固定され、したがってローサイド駆動信号Ｓ２も接地電位に固定される。その結果、ローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８は継続してオフとされる。

このようにローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８がオフになっている状態でハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４がオンオフされる結果、出力キャパシタ１０８にはバッテリ電圧Ｖｂａｔよりも低い駆動電圧Ｖｄが充電され、駆動電圧端子１６０からその駆動電圧Ｖｄが出力される。

ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４がオフのとき、ブートストラップキャパシタ１１４の一端１１４ａに印加される第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１は接地電位となる。ブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂには第３ダイオード１３６を介して電源電圧Ｖｃｃが印加される。すなわち、ブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂ＝両端電圧ΔＶ＝電源電圧Ｖｃｃとなる。

ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４がオンとなると、ブートストラップキャパシタ１１４の一端１１４ａに印加される第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１はバッテリ電圧Ｖｂａｔとなる。したがって、ブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂはバッテリ電圧Ｖｂａｔに両端電圧ΔＶ＝電源電圧Ｖｃｃを加えた値（Ｖｂａｔ＋Ｖｃｃ）となる。

なお、ハイサイド駆動信号Ｓ１がハイレベルのとき、ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のゲートソース間電圧はＶｂ−Ｖ_Ｎ１＝（Ｖｂａｔ＋Ｖｃｃ）−Ｖｂａｔ＝Ｖｃｃなので、電源電圧Ｖｃｃはハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のゲートソース間電圧のしきい値よりも高いほうが好ましい。

（昇圧モード）
図３は、昇圧モードにおける昇降圧コンバータ１００の動作状態を示すタイムチャートである。図３は、上から順に、ローサイド制御信号Ｓ４、ローサイド駆動信号Ｓ２、第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１、第５接続ノードＮ５の電圧Ｖ_Ｎ５、ブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂ、ハイサイド制御信号Ｓ３、ハイサイド駆動信号Ｓ１、駆動電圧Ｖｄ、バッテリ電圧Ｖｂａｔを示す。

ローサイド制御信号Ｓ４は電源電圧Ｖｃｃと接地電位とを繰り返す周期信号である。ローサイド制御信号Ｓ４がハイレベルのとき第２ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４８はオン、第２ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１５０はオフとなるので、ローサイド駆動信号Ｓ２の電圧は第２ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４８のコレクタの電圧すなわち電源電圧Ｖｃｃとなる。ローサイド制御信号Ｓ４がローレベルのとき第２ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ１４８はオフ、第２ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ１５０はオンとなるので、ローサイド駆動信号Ｓ２の電圧は接地電位となる。

ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４は継続してオンとされるので、第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１はバッテリ電圧Ｖｂａｔで略一定となる。
ローサイド駆動信号Ｓ２がローレベルのときポンプキャパシタ１５６の一端１５６ａには接地電位が印加される。ポンプキャパシタ１５６の他端１５６ｂには第５ダイオード１５４を介して第１接続ノードＮ１の電圧Ｖ_Ｎ１すなわちバッテリ電圧Ｖｂａｔが印加される。したがって、第５接続ノードＮ５の電圧Ｖ_Ｎ５はバッテリ電圧Ｖｂａｔとなる。

ローサイド駆動信号Ｓ２がハイレベルとなると、ポンプキャパシタ１５６の一端１５６ａには電源電圧Ｖｃｃが印加される。したがって、第５接続ノードＮ５の電圧Ｖ_Ｎ５は電源電圧Ｖｃｃにポンプキャパシタ１５６の両端電圧であるバッテリ電圧Ｖｂａｔを加えた値（Ｖｃｃ＋Ｖｂａｔ）となる。

ブートストラップキャパシタ１１４は充電部１４２によって充電される。ブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂには、ローサイド駆動信号Ｓ２がハイレベルになるごとに、第４ダイオード１５２を介して電源電圧Ｖｃｃ＋バッテリ電圧Ｖｂａｔの電圧が印加される。したがって、ブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂはバッテリ電圧Ｖｂａｔ＋電源電圧Ｖｃｃで略一定に保たれる。

ハイサイド制御信号Ｓ３はハイレベルすなわちブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂ（＝Ｖｂａｔ＋Ｖｃｃ）に固定され、したがってハイサイド駆動信号Ｓ１もブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂに固定される。ハイサイドスイッチ駆動部１３８は、充電部１４２によって充電されたブートストラップキャパシタ１１４の他端１１４ｂの電圧Ｖｂをハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のゲートに印加する。その結果、ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４は継続してオンとされる。

このようにハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４がオンになっている状態でローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８がオンオフされる結果、出力キャパシタ１０８にはバッテリ電圧Ｖｂａｔよりも高い駆動電圧Ｖｄが充電され、駆動電圧端子１６０からその駆動電圧Ｖｄが出力される。

本実施の形態に係る昇降圧コンバータ１００によると、昇圧モードにおいてハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４をオン状態に保つことができる。ハイサイドのスイッチング素子にｎ型ＭＯＳＦＥＴを採用する昇降圧コンバータにおいて昇圧モードでハイサイドのスイッチング素子をオンさせておく手法には、本実施の形態の手法以外にも以下の２通りが考えられる。

１．図１に記載の昇降圧コンバータ１００から充電部１４２を除去した構成
この場合、昇圧モードではハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のスイッチングが発生しないので、ブートストラップキャパシタ１１４に必要な電荷を保存することが困難である。一例として、ブートストラップキャパシタ１１４の電荷が減少するとハイサイドスイッチ駆動部１３８がハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４を一時的にスイッチングさせて強制的にブートストラップキャパシタ１１４に電荷をチャージすることが考えられる。しかしながら、これでは昇圧動作中に一定周期で昇降圧コンバータが降圧動作を行うこととなるため、駆動電流Ｉ_ＬＥＤが変動しうる。このような駆動電流Ｉ_ＬＥＤの変動はＬＥＤ１０６の点灯性能に悪影響を与えうる。

これに対して本実施の形態に係る昇降圧コンバータ１００では、昇圧モードにおいて、充電部１４２がハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のオンオフ動作によらずにブートストラップキャパシタ１１４を充電する。したがって、ハイサイドスイッチ駆動部１３８は、ブートストラップキャパシタ１１４に充電された電圧を使用することにより、ハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３４のゲートに継続的にソース電圧よりも高い電圧を供給できる。その結果、ハイサイドのスイッチング素子にｎ型ＭＯＳＦＥＴを採用する昇降圧コンバータにおいて昇圧モードでハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴを継続的にオンとすることが可能となる。昇圧モードにおいてもＬＥＤ１０６の高い点灯性能を維持することができる。

２．ローサイド駆動信号Ｓ２ではなく別途生成されたチャージポンプ用矩形波を充電部に供給する構成
この場合でも、昇圧モードでハイサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴを継続的にオンとすることが可能となる。しかしながら、チャージポンプ用矩形波を生成する回路を新たに追加しなければならないので、回路規模が増大しうる。

これに対して本実施の形態に係る昇降圧コンバータ１００では、昇圧モードにおいて、充電部１４２はローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８のオンオフを利用してブートストラップキャパシタ１１４を充電する。すなわち、ローサイドスイッチ駆動部１４０がローサイドｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２８の駆動とブートストラップキャパシタ１１４の充電とで共用されるので、回路規模の増大を抑えることができる。

また、本実施の形態に係る昇降圧コンバータ１００では、充電部１４２は制御部１２４に内蔵されている。したがって、充電機能を制御部１２４の外部に設ける場合と比較して制御部１２４すなわちＩＣの端子数の増加を抑え、かつ外付け部品の増加を抑えることができる。

以上、実施の形態に係る昇降圧コンバータの構成と動作について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１００昇降圧コンバータ、１０２降圧部、１０４昇圧部、１１４ブートストラップキャパシタ、１４２充電部、Ｖｄ駆動電圧。

Claims

車両用灯具に含まれる少なくともひとつの半導体光源に駆動電圧を印加する昇降圧コンバータであって、
降圧モードにおいて、本昇降圧コンバータへの入力電圧が一端に印加される第１スイッチング素子のオンオフにより、入力電圧よりも低い駆動電圧を生成する降圧部と、
昇圧モードにおいて、入力電圧よりも低い固定電圧が一端に印加される第２スイッチング素子のオンオフにより、入力電圧よりも高い駆動電圧を生成する昇圧部と、を備え、
前記第１スイッチング素子は、制御端子に印加される電圧が他端の電圧よりも高いとオンされ、
本昇降圧コンバータはさらに、
一端が前記第１スイッチング素子の他端と接続されたブートストラップキャパシタと、
昇圧モードにおいて、前記第２スイッチング素子のオンオフを利用して前記ブートストラップキャパシタを充電する充電部と、
昇圧モードにおいて、前記充電部によって充電されたブートストラップキャパシタの他端の電圧を前記第１スイッチング素子の制御端子に印加するスイッチ駆動部と、を備えることを特徴とする昇降圧コンバータ。
前記充電部は、
一端が前記第２スイッチング素子の制御端子と接続されるポンプキャパシタを含み、前記第２スイッチング素子がオフのとき、前記第１スイッチング素子の他端の電圧により前記ポンプキャパシタが充電され、前記第２スイッチング素子がオンのとき、前記ポンプキャパシタの他端の電圧により前記ブートストラップキャパシタを充電するチャージポンプ回路であることを特徴とする請求項１に記載の昇降圧コンバータ。
昇圧モードにおいて前記第２スイッチング素子の制御端子に印加される電圧は、前記少なくともひとつの半導体光源を流れる駆動電流の大きさが目標値に近づくようにパルス幅変調された電圧であることを特徴とする請求項２に記載の昇降圧コンバータ。
前記第１スイッチング素子はｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の昇降圧コンバータ。