JP5853153B2 - 昇降圧コンバータ - Google Patents

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Description

本発明は、電源からの入力直流電圧をインダクタを用いて所定の直流電圧に変換して負荷に供給する昇降圧コンバータに関し、特に、インダクタを流れるインダクタ電流に基づいて所定の直流電圧に制御する昇降圧コンバータに関する。
電源からの入力直流電圧をインダクタを用いて所定の直流電圧に変換して負荷に供給する昇降圧コンバータにおいて、4つのスイッチを用いてインダクタを流れるインダクタ電流を制御するHブリッジ回路を用いた構成が知られている(例えば特許文献1参照)。
図6は従来の昇降圧コンバータの概略構成を示す回路図である。図6に示されるように、昇降圧コンバータは、直流電源105と、インダクタ106と、インダクタ106の両端に2つずつ接続される第1〜第4スイッチ101〜104と、負荷108に出力電圧Voを印加するための出力コンデンサ107と、第3スイッチ103に流れる電流を検出する第1電流検出抵抗91と、第2スイッチ102に流れる電流を検出する第2電流検出抵抗92と、第1および第2電流検出抵抗91,92で検出される電流に基づいて各スイッチ101〜104のオンオフをスイッチングする制御回路110とを備えている。
このような昇圧コンバータにおいて、制御回路110は、第1スイッチ101と第2スイッチ102とが択一的(相補的)にオンし、第3スイッチ103と第4スイッチ104とが択一的(相補的)にオンするように制御する。そして、第1スイッチ101および第3スイッチ103がオンかつ第2スイッチ102および第4スイッチ104がオフのとき(第1の状態)、インダクタ106には直流電源105の入力電圧Viが印加され、インダクタ電流ILの増加とともにインダクタ106にエネルギーが蓄えられる。その後、第1スイッチ101および第3スイッチ103がオフしかつ第2スイッチ102および第4スイッチ104がオンにスイッチングすることにより(第2の状態)、インダクタ106に蓄えられたエネルギーが第2スイッチ102および第4スイッチ104を介して出力コンデンサ107を充電する。出力コンデンサ107に電荷が充電されることにより、負荷108に印加される出力電圧Voは増加する。
図7は図6に示す昇降圧コンバータの各部における信号波形を示すグラフである。第1の状態のとき、増加するインダクタ電流ILは、第1電流検出抵抗91で検出される。図6に示す昇降圧コンバータにおいては、第1電流検出抵抗91で検出されるインダクタ電流ILに基づく検出電圧Vs10が予め設定された上限電流指令値(電圧)V10に達すると、制御回路110は、各スイッチ101〜104を第2の状態に切り替える。第2の状態のとき、減少するインダクタ電流ILは、第2電流検出抵抗92で検出される。図6に示す昇降圧コンバータにおいては、第2電流検出抵抗92で検出されるインダクタ電流ILに基づく検出電圧Vs20が予め設定された下限電流指令値(電圧)V20に達すると、制御回路110は、各スイッチ101〜104を第1の状態に切り替える。このように、各状態において対応する電流検出抵抗91,92から検出されたインダクタ電流ILに基づいて各スイッチ101〜104を駆動制御している。したがって、上限電流指令値V10および下限電流指令値V20を調整することにより、負荷108に供給される出力電圧Voや出力電流Ioが調整される。
特開2005−237052号公報
上記のようなHブリッジ回路を用いた昇降圧コンバータにおける動作モードとしては、特許文献1のような動作以外にも昇圧モードや降圧モードと呼ばれる動作モードが知られている。昇圧モードは、第1スイッチ101をオンに固定しかつ第2スイッチ102をオフに固定した状態で、第3スイッチ103および第4スイッチ104を相補的に繰り返しオンオフすることにより入力電圧を昇圧して出力する。また、降圧モードは、第3スイッチ103をオフに固定しかつ第4スイッチ104をオンに固定した状態で、第1スイッチ101と第2スイッチ102とを相補的に繰り返しオンオフすることにより入力電圧を降圧して出力する。
しかしながら、図6に示したような従来の昇降圧コンバータは、第1スイッチ101および第4スイッチ104がオンしかつ第2スイッチ102および第3スイッチ103がオフする状態においては、いずれの電流検出抵抗91,92もインダクタ106に接続していない状態となるため、インダクタ電流ILを検出することができない問題がある。このため、図6に示すような回路構成では、結局、上記のように第1の状態と第2の状態とを交互に切り替える動作モードしか適用することができないため、昇圧および降圧のいずれのモードも採用できない。
インダクタ電流を検出する他の方法としては、インダクタに直列に抵抗を挿入し、その抵抗に流れる電流による電圧降下を検出する方法も考えられる。しかしながら、インダクタに直列に接続された抵抗の電圧は、各スイッチ101〜104のスイッチングに応じて増減してしまうため、インダクタに流れる電流を正しく検出するためには、各スイッチ101〜104の接続状態を検出し、当該接続状態に応じて検出電圧を補正する必要が生じる。したがって、回路構成が複雑になる。
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、Hブリッジ型の昇降圧コンバータにおいて、簡単な構成でスイッチの接続態様がいかなる場合においてもインダクタ電流を容易に検出することができる昇降圧コンバータを提供することを目的とする。
本発明のある形態に係る昇降圧コンバータは、一端が基準電位を基準とする入力直流電圧を生成する入力電源に接続され、他端が前記インダクタの一端に接続された第1スイッチと、一端が前記インダクタの一端に接続され、他端が前記基準電位を付与する基準電位付与部に接続された第2スイッチと、一端が前記インダクタの他端に接続された第3スイッチと、一端が前記インダクタの前記他端に接続された第4スイッチと、前記第3のスイッチの他端と前記第4スイッチの他端との間に接続され、前記第1スイッチから前記第4スイッチの接続状態に応じて入力直流電圧に基づいた電荷を充電し、充電した電荷に基づいて負荷へ印加する出力電圧を生成する蓄電回路要素と、前記第2スイッチの前記他端と前記第3スイッチの前記他端との間に接続され、前記インダクタに流れるインダクタ電流を検出する検出抵抗と、前記検出抵抗で検出された前記インダクタ電流に基づいて前記第1スイッチから前記第4スイッチを駆動する制御を行う制御回路とを備えている。
上記構成によれば、インダクタ電流を検出する検出抵抗が第2スイッチの他端と第3スイッチの他端との間に接続されるため、第1スイッチおよび第4スイッチがオンでかつ第2スイッチおよび第3スイッチがオフである場合を含むいずれの接続態様であっても2つのスイッチにより閉成された経路内に検出抵抗が存在することとなる。したがって、簡単な構成でスイッチの接続態様がいかなる場合においても検出抵抗を用いてインダクタ電流を容易に検出することができる。
前記制御回路は、前記出力電圧に基づく第1検出信号を検出するよう構成されており、当該制御回路は、前記出力電圧に基づく第1検出信号が所定の第1基準信号の信号レベルに一致するように調整する第1調整部と、前記出力電圧に基づく信号成分と前記検出された前記インダクタ電流に基づく信号成分とを含む第2検出信号が所定の第2基準信号の信号レベルに一致するように調整する第2調整部と、第1調整部および第2調整部に基づいて前記第1スイッチから前記第4スイッチを駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを備えていてもよい。これによれば、第1調整部において第1基準信号を基準として出力電圧がフィードバック制御され、第2調整部において第2基準信号を基準としてインダクタ電流に基づく電圧と出力電圧との加算値がフィードバック制御される。このように、出力電圧およびインダクタ電流のそれぞれについてフィードバック制御が行われることにより、より高精度かつ応答速度の速い出力調整が可能となる。
さらに、前記第1調整部は、前記出力電圧に基づく第1検出信号と前記所定の第1基準信号の誤差を増幅して第1誤差信号生成する第1誤差増幅器を含み、前記第2調整部は、前記検出抵抗で検出された前記インダクタ電流に基づく電圧平均化した電流信号生成するインダクタ電流検出回路と、前記第2検出信号して前記電流信号基づく電圧および前記第1誤差信号加算された信号と、前記所定の第2基準信号との誤差を増幅して第2誤差信号生成する第2誤差増幅器と、前記第2誤差信号からオフセット信号減算して第3誤差信号生成するオフセット回路とを含み、前記駆動信号生成部は、前記第2誤差信号と所定の三角波信号とを比較し、その比較結果に応じて前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを駆動する第1駆動信号を生成する第1比較器と、前記第3誤差信号と前記三角波信号とを比較し、その比較結果に応じて前記第3スイッチおよび前記第4スイッチを駆動する第2駆動信号を生成する第2比較器とを含んでもよい。これによれば、第1調整部および第2調整部を誤差増幅器を用いて容易に構成することができ、第1調整部および第2調整部の出力に応じて各スイッチを駆動する駆動信号を比較器を用いて容易に構成することができる。
前記制御回路は、前記第3スイッチが導通する際に、前記検出抵抗から前記インダクタ電流を検出しないよう構成されてもよい。第3スイッチの導通時(オン時)においてはインダクタ電流に基づく電圧が急峻に上昇し始めるため、突発的なスパイク電圧が生じる場合がある。したがって、このようなスパイク電圧に基づくスイッチングノイズを検出しないように構成することにより、各スイッチに対する誤った駆動信号の生成を防止することができる。
前記負荷は、発光素子を含んでもよい。また、前記負荷は、発光素子と、前記発光素子に直列接続された定電流源回路とを含み、前記第1調整部は、前記第1検出電圧として前記定電流源回路の電圧を検出するよう構成されてもよい。さらに、前記第1基準信号は、前記定電流源回路の動作に必要な最小値の電圧に応じた電圧であってもよい。これにより、出力電圧に基づく第1検出信号が定電流源回路の動作に必要な最小値の電圧(最小電圧)に一致するようにフィードバック制御される。したがって、出力電圧が定電流源回路の動作に必要な最小電圧に高精度に調整されるため、低消費電力で安定した発光器を実現することができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明は以上に説明したように構成され、Hブリッジ型の昇降圧コンバータにおいて、簡単な構成でスイッチの接続態様がいかなる場合においてもインダクタ電流を容易に検出することができるという効果を奏する。
図1は本発明の第1実施形態に係る昇降圧コンバータの概略構成例を示す回路図である。 図2は図1に示す昇降圧コンバータにおける昇降圧モード時の各スイッチの信号波形例およびそれによって検出抵抗で得られる検出電圧の波形例を示すグラフである。 図3は本発明の第2実施形態に係る昇降圧コンバータの概略構成例を示す回路図である。 図4は図3に示す昇降圧コンバータのより具体的な構成例を示す回路図である。 図5は図4に示す昇降圧コンバータにおける制御回路の各信号波形を示すグラフである。 図6は従来の昇降圧コンバータの概略構成を示す回路図である。 図7は図6に示す昇降圧コンバータの各部における信号波形を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
<第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態について説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る昇降圧コンバータの概略構成例を示す回路図である。図1に示すように、本実施形態の昇降圧コンバータ100は、基準電位(本実施形態においてはグランド電位)を基準とする入力直流電圧Viを生成する入力電源5に接続されている。昇降圧コンバータ100は、4つのスイッチ1〜4、インダクタ6および蓄電回路要素(本実施形態においては出力コンデンサ)7を備え、Hブリッジ型の昇降圧コンバータを構成している。昇降圧コンバータ100は、各スイッチ1〜4がスイッチングされることにより、出力コンデンサ7に電荷を蓄電する態様が変化することで出力コンデンサ7に接続された負荷8に供給される出力電圧Vo(または出力電流)を調整するように構成されている。本実施形態において、負荷8は出力コンデンサ7に並列に接続されている。スイッチ1〜4は例えばNチャンネルのMOSトランジスタで構成される。なお、第1スイッチ1および第4スイッチ4をPチャンネルのMOSトランジスタで構成し、第2スイッチ2および第3スイッチ3をNチャンネルのMOSトランジスタで構成することとしてもよい。この場合には、第1スイッチ1と第2スイッチ2とを駆動する信号を共通の信号とし、第3スイッチ3と第4スイッチ4とを駆動する信号を共通の信号とすることで、第1スイッチ1と第2スイッチ2との間および第3スイッチ3と第4スイッチ4との間の相補的動作を容易に実現することができる。
より詳しくは、第1スイッチ1は、一端が入力電源5の一端に接続され、他端がインダクタ6の一端に接続されている。また、第2スイッチ2は、一端がインダクタ6の一端に接続され、他端が基準電位を付与する基準電位付与部(本実施形態においてはグランド)GNDに接続されている。第3スイッチ3は、一端がインダクタ6の他端に接続され、他端が出力コンデンサ7に接続されている。第4スイッチ4は、一端がインダクタ6の他端に接続され、他端が出力コンデンサ7に接続されている。すなわち、出力コンデンサ7は、第3スイッチ3の他端と第4スイッチ4の他端との間に接続され、第1スイッチ1から第4スイッチ4の接続状態に応じて入力直流電圧Viに基づいた電荷を充電し、充電した電荷に基づいて負荷8に出力電圧Voを印加するよう構成されている。
さらに、昇降圧コンバータは、インダクタ6に流れるインダクタ電流ILを検出する検出抵抗9を備えている。検出抵抗9は、第2スイッチ2と第3スイッチ3との間に接続されている。言い換えると、検出抵抗9は、出力コンデンサ7(および負荷8)とグランドGNDとの間に接続されている。また、昇降圧コンバータ100は、検出抵抗9で検出されたインダクタ電流ILに基づいて第1スイッチ1から第4スイッチ4を駆動する制御を行う制御回路10を備えている。
以下に、本実施形態の昇降圧コンバータ100の各制御動作について説明する。まず、昇降圧コンバータ100が降圧モードで動作する場合、制御回路10からの制御信号により、第3スイッチ3がオフ(非導通状態)かつ第4スイッチ4がオン(導通状態)に固定され、第1スイッチ1および第2スイッチ2が択一的にオン(導通)するように(相補的に)動作する。すなわち、第1スイッチ1がオンで第2スイッチ2がオフの場合、入力電源5→第1スイッチ1→インダクタ6→第4スイッチ4→出力コンデンサ7および負荷8→検出抵抗9→入力電源5の順で電流が流れる。これにより、出力コンデンサ7にインダクタ6を介して入力電源5の入力直流電圧Viに基づく電荷が供給され、出力コンデンサ7に蓄積される。その後、第1スイッチ1がオフし、第2スイッチ2がオンすると、インダクタ6→第4スイッチ4→出力コンデンサ7および負荷8→検出抵抗9→第2スイッチ2→インダクタ6の順で電流が流れる。これにより、出力コンデンサ7に蓄えられた電荷に基づいてインダクタ6にエネルギーが蓄積される。このように、降圧モードの動作時においては、出力コンデンサ7に電荷が蓄積される場合およびインダクタ6にエネルギーが蓄積される場合のいずれの状態にあっても、検出抵抗9にインダクタ6と同様の電流が流れる。
次に、昇降圧コンバータ100が昇圧モードで動作する場合、制御回路10からの制御信号により、第1スイッチ1がオン(導通状態)かつ第2スイッチ2がオフ(非導通状態)に固定され、第3スイッチ3および第4スイッチ4が択一的にオン(導通)するように(相補的に)動作する。すなわち、第3スイッチ3がオンで第4スイッチ4がオフの場合、入力電源5→第1スイッチ1→インダクタ6→第3スイッチ3→検出抵抗9→入力電源5と電流が流れる。これにより、インダクタ6に入力電源5の入力直流電圧Viに基づいてエネルギーが蓄積される。その後、第3スイッチ3がオフし、第4スイッチ4がオンすると、入力電源5→第1スイッチ1→インダクタ6→第4スイッチ4→出力コンデンサ7および負荷8→検出抵抗9→入力電源5の順で電流が流れる。これにより、インダクタ6に蓄えられたエネルギーに基づいて出力コンデンサ7に電荷が蓄積される。このように、昇圧モードの動作時においても、出力コンデンサ7に電荷が蓄積される場合およびインダクタ6にエネルギーが蓄積される場合のいずれの状態にあっても、検出抵抗9にインダクタ6と同様の電流が流れる。
また、本実施形態の昇降圧コンバータ100は、入力直流電圧Viと設定された出力電圧Voとの差が小さい場合に、4つのスイッチ1〜4をスイッチングする(いずれのスイッチ1〜4もオンまたはオフに固定しない)昇降圧モードを実行する。図2は図1に示す昇降圧コンバータにおける昇降圧モード時の各スイッチの信号波形例およびそれによって検出抵抗で得られる検出電圧Vsの波形例を示すグラフである。検出電圧Vsは、インダクタ電流ILに対応して変化するため、図2はインダクタ電流ILの変化をそれに基づいた電圧変化によって示すものである。なお、図2に示す昇降圧モードにおいては第1スイッチ1がオンである間に第4スイッチ4に対して相補的に動作する第3スイッチ3がオフ→オン→オフと動作する態様を示している。なお、本実施形態における昇降圧コンバータ100において適用できる昇降圧モードはこれに限られない。
まず、図2に示す期間T1においては、第1スイッチ1がオンかつ第2スイッチ2がオフであるとともに第3スイッチ3がオフかつ第4スイッチ4がオンとなっている。このとき、インダクタ6には入力電源5の入力直流電圧Viと出力コンバータ7の出力電圧Voとの差電圧である入出力差電圧Vi−Voが印加される。インダクタ電流ILは、入力電源5→第1スイッチ1→インダクタ6→第4スイッチ4→出力コンデンサ7および負荷8→検出抵抗9→入力電源5の順に流れ、インダクタ6のインダクタンスをLとして、(Vi−Vo)/Lで表される傾きで変化する。なお、図2においては、Vi>Voの例をしめしているため、インダクタ電流ILは、期間T1において増加している。
次に、期間T2においては、第1スイッチ1および第2スイッチ2の接続状態(第1スイッチ1がオン、第2スイッチ2がオフ)が保持された状態で、第3スイッチ3がオンし、第4スイッチ4がオフする。このとき、インダクタ6には入力直流電圧Viが印加される。また、インダクタ電流ILは入力電源5→第1スイッチ1→インダクタ6→第3スイッチ3→検出抵抗9→入力電源5の順に流れ、Vi/Lで表される傾きで増加する。さらに、期間T3においては、各スイッチ1〜4の状態は期間T1と同じになる(再び第3スイッチ3および第4スイッチ4が相補的にスイッチングする)。その後、期間T4においては、第3スイッチ3および第4スイッチ4の接続状態(第3スイッチ3がオフ、第4スイッチ4がオン)が保持された状態で、第1スイッチ1がオフし、第2スイッチ2がオンする。このとき、インダクタ6には出力電圧Voが逆向きに印加される(−Voが印加される)。インダクタ電流ILは、インダクタ6→第4スイッチ4→出力コンデンサ7および負荷8→検出抵抗9→第2スイッチ2→インダクタ6の順に流れ、−Vo/Lで表される傾きで減少する。
このように、昇降圧モードの動作時におけるいずれの状態にあっても、検出抵抗9にインダクタ6と同様の電流が流れる。
以上のとおり、上記構成によれば、インダクタ電流ILを検出する検出抵抗9が第2スイッチ2の他端と第3スイッチ3の他端との間に接続されるため、第1スイッチ1および第4スイッチ4がオンでかつ第2スイッチ2および第3スイッチ3がオフである場合を含むいずれの接続態様であっても2つのスイッチにより閉成された経路内に検出抵抗9が存在することとなる。したがって、いかなる接続態様においても検出抵抗9にインダクタ電流ILに相当する電流が流れることとなる。これにより、簡単な構成でスイッチ1〜4の接続態様がいかなる場合においても検出抵抗9を用いてインダクタ電流ILを容易に検出することができる。さらに、各スイッチ1〜4に流れる電流のピーク値および谷値を検出抵抗9の一箇所で容易に検出することができるので、検出した電流を過電流保護や出力制御に容易に適用することができる。
なお、本実施形態において、制御回路10は、図2に示すように、第3スイッチ3がオンする際に、検出抵抗9からインダクタ電流ILを検出しないよう構成されている。
第2スイッチ2および第3スイッチ3がNチャンネルのトランジスタである場合、それらのスイッチの駆動電力が入力電源5から供給されると、特に第3スイッチ3への駆動電流は検出抵抗9を流れることとなる。このため、昇圧モードや昇降圧モードにおいて第3スイッチ3がオンにスイッチングする場合には、検出抵抗9による検出電圧Vsに図2の破線で示すような突発的なスパイク電圧Vxがスイッチングノイズとして重畳される場合がある。スパイク電圧Vxが重畳された検出電圧Vsに基づいて、昇降圧コンバータ100の各スイッチ1〜4への駆動信号を生成すると、出力電圧Voが安定しない場合(誤動作となる場合)が生じ得る。
したがって、第3スイッチ3のオンへのスイッチングの前後に検出抵抗9から検出電圧Vsを検出しない不感帯xを設けることで、このようなスパイク電圧Vxに基づくスイッチングノイズが検出されることが防止される。これにより、スパイク電圧Vxが無視できないような場合であっても、不感帯xを設けることによって、各スイッチに対する誤った駆動信号の生成を防止することができる。不感帯xを設けるための構成としては、例えば、第3スイッチ3のオンへのスイッチングを行うための駆動信号に応じて一定期間(第3スイッチ3がオフからオンへスイッチングを開始し、それが完了するまでの間の期間)、制御回路10と検出抵抗9との間の接続を遮断するスイッチ(図示せず)を設けることとしてもよい。
なお、昇降圧コンバータ100を含むスイッチングコンバータの主な制御方式には、電圧モードと電流モードとがある。いずれの制御方式も最終的にスイッチのスイッチング周期の1周期におけるオン時間の割合(デューティ比)を調整するもの(PWM制御)である。しかし、電圧モードは、直接的にデューティ比を調整するのに対し、電流モードはインダクタ電流ILを調整することによってデューティ比を調整するという違いがある。このため、インダクタ6を等価的に電流源化する電流モードの方がコンバータ伝達関数の次数が低くなり、位相補償が容易で高速応答性に優れることが知られている。この電流モード制御方式には、平均値電流モード制御方式とピーク値電流モード制御方式とがある。平均値電流モード制御方式は、インダクタ電流ILの平均値を調整することによってコンバータを制御する方式であり、ピーク値電流モード制御方式は、インダクタ電流ILのピーク値を調整することによってコンバータを制御する方式である。
本実施形態の昇降圧コンバータ100においては、降圧モードか昇圧モードかによってインダクタ電流ILのピーク値の発生するポイントが変わる。また、同じ昇降圧モードであっても図2に示すように入出力電圧Vi−Voの高低によってインダクタ電流ILがピーク値となるポイントが変わる。例えば、Vi>Voの場合には期間T3においても電流は増加するので、インダクタ電流ILのピーク値は期間T3の終了時点(=期間T4の開始時点)となるが、Vi<Voの場合には期間T3において電流は減少するので、インダクタ電流ILのピーク値は期間T3の開始時点(=期間T2の終了時点)となる。このため、本実施形態においては、インダクタ電流ILのピーク値を制御するように各スイッチ1〜4を駆動するピーク値電流モード制御方式よりもインダクタ電流ILの平均値を制御する平均値電流モード制御方式が好適に用いられる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図3は本発明の第2実施形態に係る昇降圧コンバータの概略構成例を示す回路図である。本実施形態において第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本実施形態の昇降圧コンバータ100Bが第1実施形態と異なる点は、制御回路10Bが出力電圧Voに基づく第1検出信号Vd1を検出し、当該第1検出信号Vd1に基づいて駆動信号を生成することである。
より詳しくは、制御回路10Bは、出力電圧Voに基づく第1検出信号Vd1が所定の第1基準信号(電圧)Vref1の信号レベルに一致するように調整する第1調整部31と、出力電圧Voに基づく信号成分と検出抵抗9で検出されたインダクタ電流ILに基づく信号成分とを含む第2検出信号Vd2(後述)が所定の第2基準信号(電圧)Vref2の信号レベルに一致するように調整する第2調整部32と、第1調整部31および第2調整部32に基づいて第1スイッチ1から第4スイッチ4を駆動する駆動信号V15,V16を生成する駆動信号生成部33とを備えている。また、制御回路10Bは、第1基準信号電圧Vref1を生成する第1基準電圧源21と第2基準信号電圧Vref2を生成する第2基準電圧源22とを備えている。
これによれば、第1調整部31において第1基準信号電圧Vref1を基準として出力電圧Voがフィードバック制御され、第2調整部32において第2基準信号電圧Vref2を基準としてインダクタ電流ILに基づく電圧Vsと出力電圧Voとの加算値がフィードバック制御される。このように、出力電圧Voおよびインダクタ電流ILのそれぞれについてフィードバック制御が行われることにより、より高精度かつ応答速度の速い出力調整が可能となる。
より具体的な回路を用いて説明する。図4は図3に示す昇降圧コンバータのより具体的な構成例を示す回路図である。図4においては、負荷8として、発光素子(例えばLED)80を含む場合の例を示している。負荷8は、さらに発光素子80の発光に必要な電流を流す定電流源回路81を備えている。発光素子80と定電流源回路81とは直列接続されている。
第1調整部31は、出力電圧Voに基づく第1検出信号Vd1と第1基準信号電圧Vref1との誤差を増幅して第1誤差信号Ve1を生成する第1誤差増幅器12を含んでいる。本実施形態において、第1調整部31は、第1検出電圧Vd1として定電流源回路81の電圧を検出するよう構成されている。第1誤差増幅器12の非反転入力端には定電流源回路81の電圧が印加され、第1誤差増幅器12の反転入力端には第1基準電圧源21の第1基準信号電圧Vref1が印加される。その上で、第1誤差増幅器12は、定電流源回路81の電圧と第1基準信号電圧Vref1の誤差増幅信号を第1誤差信号Ve1として出力する。
また、第2調整部32は、検出抵抗9で検出されたインダクタ電流ILに基づく電圧Vsを平均化した電流信号Isを生成するインダクタ電流検出回路34と、第2検出信号Vd2として電流信号Isに基づく電圧R24・Isおよび第1誤差信号Ve1が加算された信号と第2基準信号電圧Vref2との誤差を増幅して第2誤差信号Ve2を生成する第2誤差増幅器14と、第2誤差信号Ve2からオフセット信号Voffを減算して第3誤差信号Ve3を生成するオフセット回路23とを含んでいる。
インダクタ電流検出回路34は、互いに直列接続されかつ検出抵抗9に並列に接続される抵抗17およびコンデンサ18と、非反転入力端がコンデンサ18の一端に接続され、反転入力端がコンデンサ18の他端に接続され、コンデンサ18に印加された電圧を増幅して電流に変換して出力する第3誤差増幅器13とを備えている。インダクタ電流検出回路34は、抵抗17とコンデンサ18とによって検出抵抗9の印加される電圧Vsを平均化し、インダクタ電流ILに基づく電圧Vsの平均電圧を第3誤差増幅器13に入力し、この平均電圧を電流信号Isに変換して出力する。
また、第3誤差増幅器13の出力端は、第2誤差増幅器14の反転入力端に入力される。さらに、第2誤差増幅器14の反転入力端と第1誤差増幅器12の出力端とが抵抗24を介して接続されている。すなわち、第2誤差増幅器14の反転入力端には、インダクタ電流ILに基づく電流信号Isによる抵抗24(抵抗値R24)の電圧降下分R24・Isと第1誤差信号Ve1とを加算した電圧信号が第2検出信号Vd2(=Ve1+R24・Is)として入力される。また、第2誤差増幅器14の非反転入力端には、第2基準電圧源22が接続され、第2基準信号電圧Vref2が印加される。そして、第2誤差増幅器14は、第2検出信号Vd2と第2基準信号電圧Vref2との誤差が増幅された信号を第2誤差信号Ve2として出力する。
また、駆動信号生成部33は、第2誤差信号Ve2と所定の三角波信号Vtとを比較し、その比較結果に応じて第1スイッチ1および第2スイッチ2を駆動する第1駆動信号V15を生成する第1比較器15と、オフセット回路23から出力される第3誤差信号Ve3と前記三角波信号Vtとを比較し、その比較結果に応じて第3スイッチ3および第4スイッチ4を駆動する第2駆動信号V16を生成する第2比較器16とを含んでいる。
オフセット回路23は、オフセット電圧Voffを生成する電圧源により構成され、第2誤差増幅器14の出力端と第2比較器16の非反転入力端との間に設けられている。したがって、第2比較器16の非反転入力端に印加される第3誤差信号Ve3は、第2誤差信号Ve2からオフセット電圧Voffを差し引いた電圧(Ve3=Ve2−Voff)となる。また、第2誤差増幅器14の出力端は、第1比較器15の非反転入力端にも接続されている。また、駆動信号生成部33は、三角波信号Vtを出力する三角波生成回路11を備えている。三角波生成回路11から出力される三角波信号Vtは、第1比較器15および第2比較器16の反転入力端にそれぞれ入力される。
さらに、制御回路10Bは、第1比較器15の出力(すなわち第1駆動信号V15)を反転させる第1インバータ19と、第2比較器1の出力(すなわち第2駆動信号V16)を反転させる第2インバータ20とを備えている。本実施形態においては、第1駆動信号V15をそのまま第1スイッチ1の駆動信号V1(=V15)とし、第1スイッチ1と相補的動作する第2スイッチ2の駆動信号V2として第1駆動信号V15の第1インバータ19による反転信号(V2=−V15)を適用している。また、第2駆動信号V16をそのまま第3スイッチ3の駆動信号V3(=V16)とし、第3スイッチ3と相補的動作する第4スイッチ4の駆動信号V4として第2駆動信号V16の第2インバータ20による反転信号(V4=−V16)を適用している。
以上より、第1比較器15において第2誤差信号Ve2と三角波信号Vtとが比較される。第1比較器15は、第2誤差信号Ve2が三角波信号Vtより高い信号レベルである場合には、駆動信号V1(=V15)が第1スイッチ1をオンしかつ駆動信号V2(=−V15)が第2スイッチ2をオフするような信号レベル(第1の信号レベルH)を出力し、第2誤差信号Ve2が三角波信号Vtより低い信号レベルである場合には、駆動信号V1(=V15)が第1スイッチ1をオフしかつ駆動信号V2(=−V15)が第2スイッチ2をオンするような信号レベル(第2の信号レベルL)を出力する。また、第2比較器16において第2誤差信号Ve2と三角波信号Vtとが比較される。第2比較器16は、第3誤差信号Ve3が三角波信号Vtより高い信号レベルである場合には、駆動信号V3(=V16)が第3スイッチ3をオンしかつ駆動信号V4(=−V16)が第4スイッチ4をオフするような信号レベル(第1の信号レベルH)を出力し、第3誤差信号Ve3が三角波信号Vtより低い信号レベルである場合には、駆動信号V3(=V16)が第3スイッチ3をオフしかつ駆動信号V4(=−V16)が第4スイッチ4をオンするような信号レベル(第2の信号レベルL)を出力する。
このように、第1調整部31および第2調整部32を誤差増幅器12,14を用いて容易に構成することができ、第1調整部31および第2調整部32の出力に応じて各スイッチ1〜4を駆動する駆動信号V1〜V4を比較器15,16を用いて容易に構成することができる。
本実施形態において、第1基準信号Vref1は、定電流源回路81の動作に必要な最小値の電圧(以下、最小電圧)に応じた電圧である。これにより、出力電圧Voに基づく第1検出信号Vd1が定電流源回路81の動作に必要な最小電圧に一致するようにフィードバック制御される。したがって、出力電圧Voが定電流源回路81の動作に必要な最小電圧に高精度に調整されるため、低消費電力で安定した発光器を実現することができる。
以下、定電流源回路81が動作可能な最小電圧である第1基準信号電圧Vref1に安定化されるための昇降圧コンバータ100Bの動作について説明する。図5は図4に示す昇降圧コンバータにおける制御回路の各信号波形を示すグラフである。
まず、定電流源回路81の電圧である第1検出電圧Vd1が第1の基準電圧Vref1より高くなると、第1誤差増幅器12から出力される第1誤差信号Ve1は信号レベルが高くなる。このため、第2検出信号Vd2=R24・Is+Ve1も上昇する。これにより、第2検出信号Vd2が第2基準電圧Vref2より高くなると、第2誤差増幅器14から出力される第2誤差信号Ve2が低くなる。第2誤差信号Ve2が低くなると、第2比較器16に入力される第3誤差信号Ve3(=Ve2−Voff)も低くなる。
ここで、駆動信号生成部33は、第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3と三角波信号Vtとを比較した結果に応じて第1スイッチ1〜第4スイッチ4をそれぞれ駆動する駆動信号を生成する。具体的には、三角波信号Vtの最大値と最小値との間に第2誤差信号Ve2または第3誤差信号Ve3の信号レベルが存在する場合には、対応する駆動信号のデューティ比が変化する。
そのため、三角波信号Vtの最大値と最小値との電圧差は、オフセット電圧Voffと略一致するように設定され、第1検出信号Vd1が第1基準信号Vref1に略一致する場合に、第2誤差信号Ve2の信号レベルが三角波信号Vtの最大値に略一致し、かつ第3誤差信号Ve3の信号レベルが三角波信号Vtの最小値に略一致するように設定される。
これにより、第2誤差信号Ve2の信号レベルが三角波信号Vtの最大値より高いレベルにあり、かつ第3誤差信号Ve3の信号レベルが三角波信号Vtの最大値と最小値との間のレベルにある場合には昇圧モードで動作する(第1スイッチ1がオンかつ第2スイッチ2がオフに固定され、第3スイッチ3および第4スイッチ4が択一的にオンする)。また、第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3がより低くなり、第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3の信号レベルがともに三角波信号Vtの最大値と最小値との間のレベルにある場合には昇降圧モードで動作する(固定されるスイッチ1〜4がなくすべてのスイッチ1〜4が三角波信号Vtとの比較に応じて変化する)。さらに、第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3がより低くなり、第2誤差信号Ve2の信号レベルが三角波信号Vtの最大値と最小値との間のレベルにあり、かつ第3誤差信号Ve3の信号レベルが三角波信号Vtの最小値より低いレベルにある場合には昇圧モードで動作する(第3スイッチ3がオフかつ第4スイッチ4がオンに固定され、第3スイッチ3および第4スイッチ4が択一的にオンする)。
したがって、第2誤差信号Ve2が低くなると、制御回路10Bは、同じ動作モードにおいてデューティ比を小さくするか、あるいは動作モードを現在のモードが昇圧モードであれば昇降圧モードへ変化させ、現在のモードが昇降圧モードであれば降圧モードへ変化させる。これにより、供給電力が低減され、出力電圧Voひいては定電流源回路81の電圧(第1検出信号Vd1)が低下する。逆に、定電流源回路81の電圧である第1検出信号Vd1の信号レベルが第1基準電圧Vref1より低くなると、上記と反対の動作によって定電流源回路81の電圧が上昇する。このようにして、インダクタ電流ILの信号成分および出力電圧Voの信号成分を含む第2誤差信号Ve2=R24・Is+Ve1が第2基準電圧Vref2に一致するように安定化される。その結果、定電流源回路81の電圧である第1検出信号Vd1が第1基準電圧Vref1に安定化される。
次に、制御回路10Bの動作モードが昇圧モード→昇降圧モード→降圧モードに順に変化する動作についてより詳しく説明する。なお、制御回路10Bの動作モードが降圧モード→昇降圧モード→昇圧モードに順に変化する場合はこれと逆の動作をするだけであるので説明は省略する。
まず、昇圧モードの場合、図5に示すように、第2誤差信号Ve2は三角波信号Vtより高い電圧レベルとなるため、第1比較器15は常に第1の信号レベルHを出力する。これにより、第1スイッチ1がオンし、かつ第2スイッチ2がオフする状態が保持される。一方、第3誤差信号Ve3(=Ve2−Voff)は三角波信号Vtと交差し、第2比較器16の出力は第3誤差信号Ve3と三角波信号Vtとが交差する点で信号レベルが遷移するパルス波形となり、第3スイッチ3および第4スイッチ4が択一的にオンする相補的動作を繰り返す。第3スイッチ3のオン時間は第3誤差信号Ve3の低下とともに短くなり(デューティ比が小さくなり)、第3誤差信号Ve3の上昇とともに長くなる(デューティ比が大きくなる)。
昇圧モードにおいて第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3が低下して、第2誤差信号Ve2が三角波信号Vtと交差すると、昇降圧モードに切り替わる。このとき、第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3はともに三角波信号Vtと交差する点で信号レベルが遷移するパルス波形となる。さらに、第1スイッチ1のデューティ比は、第3スイッチ3のデューティ比より十分大きく、第3スイッチ3のオン期間は第1スイッチ1のオン期間に含まれることとなる。したがって、第1実施形態の図2において説明したような昇降圧モードが実行される。この昇降圧モードにおいては、第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3の信号レベルが低下することにより、第1スイッチ1および第3スイッチ3のオン時間がともに短く(デューティ比がともに小さく)なり、第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3の信号レベルが上昇することにより、第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3のオン時間がともに長く(デューティ比がともに大きく)なる。
昇降圧モードにおいて第2誤差信号Ve2および第3誤差信号Ve3がさらに低下して、第3誤差信号Ve3が三角波信号Vtと交差しなくなると、降圧モードに切り替わる。このとき、第2比較器16は常に第2の信号レベルLを出力する。これにより、第3スイッチ3がオフし、かつ第4スイッチ4がオンする状態が保持される。一方、第2誤差信号Ve2は依然として三角波信号Vtと交差した状態であるので、第1スイッチ1および第2スイッチ2が択一的にオンする相補的動作を繰り返す。第1スイッチ1のオン時間は第2誤差信号Ve2の低下とともに短くなり(デューティ比が小さくなり)、第2誤差信号Ve2の上昇とともに長くなる(デューティ比が大きくなる)。
以上のように、本実施形態における昇圧コンバータ100Bは、すべての動作モードでインダクタ電流ILを容易に検出することができ、負荷8への出力電圧Voを安定化させることができる。また、第1駆動信号V15と第2駆動信号V16とを第2誤差信号Ve2とオフセット電圧Voffだけオフセットされた第3誤差信号Ve3とを用いて生成することにより、動作モードの切り替わりをスムーズに行うことができる。
なお、図5においても、第1実施形態で説明したように、第3スイッチ3のオン時の前後に不感帯xを設けてもよいが、本実施形態においては図示および説明を省略している。
なお、本実施形態の昇降圧コンバータ100Bにおいては、検出抵抗9が存在するため、制御回路10Bの基準電位(グランドGND)と負荷8の基準電位とが一致しない(グランドGNDより高い電位となる)。したがって、このような電圧変動が問題とならないように制御回路の各構成要素を構成する。また、検出抵抗9は、電圧降下Vsが数十〜数百mV以下となるように設定することが好ましい。本実施形態のような発光素子80においては、負荷8の回路が比較的簡素であるため、検出抵抗9による電圧降下Vsが基準電位に重畳されてもあまり影響を受けない。したがって、本実施形態の昇降圧コンバータ100Bはこのような発光素子80の電力供給源として好適に用いられる。
また、図3に示した昇降圧コンバータでは、発光素子80の定電流源回路81の動作に必要な最低電圧を確保するようにフィードバック制御をかける構成としたが、これに限られない。例えば、定電流源回路81の代わりに抵抗を用いて、その電圧降下を安定化するような構成としてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。例えば、複数の上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせることとしてもよい。また、本実施形態においては、第1スイッチ1の一端側の電位(入力電圧Vi)が第2スイッチ2の他端側の電位(グランド電位)より高い場合について説明したが、第2スイッチ2の他端側の電位が第1スイッチ1の一端側の電位より高いように構成してもよい。また、各スイッチ1〜4の構成として上記実施形態で説明したNチャンネルMOSトランジスタ以外のスイッチ回路またはスイッチ素子を適用してもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の昇降圧コンバータは、Hブリッジ型の昇降圧コンバータにおいて、簡単な構成でスイッチの接続態様がいかなる場合においてもインダクタ電流を容易に検出するために有用である。
1 第1スイッチ
2 第2スイッチ
3 第3スイッチ
4 第4スイッチ
5 入力電源
6 インダクタ
7 出力コンバータ(蓄電回路要素)
8 負荷
9 検出抵抗
10,10B 制御回路
11 三角波生成回路
12 第1誤差増幅器
13 第3誤差増幅器
14 第2誤差増幅器
15 第1比較器
16 第2比較器
17,24 抵抗
18 コンデンサ
19 第1インバータ
20 第2インバータ
21 第1基準電圧源
22 第2基準電圧源
23 オフセット回路
31 第1調整部
32 第2調整部
33 駆動信号生成部
34 インダクタ電流検出回路
80 発光素子
81 定電流源回路
100,100B 昇降圧コンバータ

Claims (5)

  1. インダクタと、
    一端が、基準電位を基準とする入力直流電圧を生成する入力電源に接続され、他端が、前記インダクタの一端に接続された第1スイッチと、
    一端が、前記インダクタの前記一端に接続され、他端が、前記基準電位を付与する基準電位付与部に接続された第2スイッチと、
    一端が、前記インダクタの他端に接続された第3スイッチと、
    一端が、前記インダクタの前記他端に接続された第4スイッチと、
    前記第3スイッチの他端と前記第4スイッチの他端との間に接続され、前記第1スイッチから前記第4スイッチの接続状態に応じて入力直流電圧に基づいた電荷を充電し、充電した電荷に基づいて負荷へ印加する出力電圧を生成する蓄電回路要素と、
    前記第2スイッチの前記他端と前記第3スイッチの前記他端との間に接続され、前記インダクタに流れるインダクタ電流を検出する検出抵抗と、
    前記検出抵抗で検出された前記インダクタ電流に基づいて前記第1スイッチから前記第4スイッチを駆動する制御を行う制御回路とを備え、
    前記制御回路は、前記出力電圧に基づく第1検出信号を検出するよう構成されており、
    当該制御回路は、
    前記出力電圧に基づく第1検出信号が所定の第1基準信号の信号レベルに一致するように調整する第1調整部と、
    前記出力電圧に基づく信号成分と前記検出された前記インダクタ電流に基づく信号成分とを含む第2検出信号が所定の第2基準信号の信号レベルに一致するように調整する第2調整部と、
    第1調整部および第2調整部に基づいて前記第1スイッチから前記第4スイッチを駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを備え、
    前記第1調整部は、
    前記出力電圧に基づく第1検出信号と前記所定の第1基準信号との誤差を増幅して第1誤差信号を生成する第1誤差増幅器を含み、
    前記第2調整部は、
    前記検出抵抗で検出された前記インダクタ電流に基づく電圧を平均化した電流信号を生成するインダクタ電流検出回路と、
    前記第2検出信号として、前記電流信号に基づく電圧および前記第1誤差信号が加算された信号と、前記所定の第2基準信号との誤差を増幅して第2誤差信号を生成する第2誤差増幅器と、
    前記第2誤差信号からオフセット信号を減算して第3誤差信号を生成するオフセット回路とを含み、
    前記駆動信号生成部は、
    前記第2誤差信号と所定の三角波信号とを比較し、その比較結果に応じて前記第1スイッチおよび前記第2スイッチを駆動する第1駆動信号を生成する第1比較器と、
    前記第3誤差信号と前記三角波信号とを比較し、その比較結果に応じて前記第3スイッチおよび前記第4スイッチを駆動する第2駆動信号を生成する第2比較器とを含む、昇降圧コンバータ。
  2. 前記制御回路は、前記第3スイッチが導通する際に、前記検出抵抗から前記インダクタ電流を検出しないよう構成される、請求項1に記載の昇降圧コンバータ。
  3. 前記負荷は、発光素子を含む、請求項1に記載の昇降圧コンバータ。
  4. 前記負荷は、発光素子と、前記発光素子に直列接続された定電流源回路とを含み、前記第1調整部は、前記第1検出信号の電圧として、前記定電流源回路の電圧を検出するよう構成されている、請求項1に記載の昇降圧コンバータ。
  5. 前記第1基準信号は、前記定電流源回路の動作に必要な最小値の電圧に応じた電圧である、請求項4に記載の昇降圧コンバータ。
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