JP5979124B2 - スイッチング電源装置、電子装置及び車載装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング回路に対するスイッチング制御により降圧動作、昇降圧動作、昇圧動作の電源制御動作のうち少なくとも２つの電源制御動作を切替えて実行するスイッチング電源装置、及びスイッチング電源装置を備えた電子装置、並びにスイッチング電源装置を備えて車両バッテリから給電される車載装置に関する。

例えば車載装置では、車両バッテリから給電されるようになっているが、エンジンのスタート操作時のクランキングの際にスタータに大きな電流が流れることから、バッテリ電圧である入力電圧が例えば３Ｖの極低電圧に低下することがある。そのため、クランキング期間中に車載装置が瞬間的に停止する瞬断が発生するおそれがあることから、車載装置は、このような状況においても安定的に給電されることが望まれている。

特開１９９８−２４３６４２号公報

このような事情から車載装置はスイッチング電源装置を備えるようにしている。このスイッチング電源装置は、入力電圧が急激に低下しても出力電圧が安定するように入力電圧に応じてスイッチング回路に対して電源制御動作を切替えて実行する。つまり、入力電圧に応じて電源制御動作としての降圧動作と昇圧動作とを切替えたり、降圧動作、昇降圧動作、昇圧動作を切替えたりする（特許文献１参照）。
しかしながら、電源制御動作の切替時にスイッチング回路を構成するスイッチング素子のうち、入力電圧がインダクタを介して出力されるようにオンするスイッチング素子に大きな突入電流が流れる。そのため、電源制御動作の切替時にスイッチング電源装置の出力電圧が不安定となるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、電源制御動作の切替時に出力電圧の安定性を高めることができるスイッチング電源装置、電子装置、及び車載装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、電源制御動作の切替時に入力電圧がインダクタを介して出力されるようにオンするスイッチング素子に対して突入電流抑制動作を実行するので、オンしたスイッチング素子に流れる電流が徐々に上昇する。これにより、スイッチング素子に大きな突入電流が流れることが抑制されるので、電源制御動作の切替時における出力電圧の安定性を高めることができる。

本発明の第１実施形態におけるスイッチング電源装置の要部を示す回路図 制御回路の動作を示すフローチャート 降圧動作を示すスイッチング回路の模式図 突入電流抑制動作を示すスイッチング回路の模式図 昇圧動作を示すスイッチング回路の模式図 各電源制御動作を示すタイミング図 本発明の第２実施形態における制御回路の動作を示すフローチャート 昇降圧動作を示すスイッチング回路の模式図 各電源制御動作を示すタイミング図 本発明の第３実施形態における制御回路の動作を示すフローチャート 各電源制御動作を示すタイミング図

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１から図６を参照して説明する。この第１実施形態は、スイッチング電源装置が降圧動作と昇圧動作の２つの電源制御動作を切替えて実行する構成を対象とする。
図１に示すように、車両に搭載された車載装置１はスイッチング電源装置２を備えている。このスイッチング電源装置２には車両バッテリ３から入力電圧Ｖｉｎが給電されており、入力電圧Ｖｉｎを所定の出力電圧Ｖｏｕｔに変換するように動作するようになっている。スイッチング電源装置２は、スイッチング回路４と、このスイッチング回路４を制御する制御回路５とから構成されている。

スイッチング回路４は、スイッチング素子Ａ〜Ｄとインダクタ６とコンデンサ７，８とを組合せて構成されている。即ち、インダクタ６の入力側にはスイッチング素子Ａ，Ｂが接続され、インダクタ６の出力側にはスイッチング素子Ｃ，Ｄが接続されており、それらのスイッチング素子Ａ〜Ｄをそれぞれ所定のタイミングでオンオフして入力電圧Ｖｉｎを降圧または昇圧することにより所定の出力電圧Ｖｏｕｔに変換する。
スイッチング回路４において、入力側端子９ａ，９ｂの間には車両バッテリ３が接続されている。入力側端子９ａ，９ｂの間にはコンデンサ７が接続されている。このコンデンサ７は、スイッチング回路４に入力する電流の変動を吸収する。入力側のスイッチング素子Ａ，Ｂは入力側端子９ａ，９ｂの間に直列に接続されている。

一方、出力側のスイッチング素子Ｃ，Ｄは出力側端子１０ａ，１０ｂの間に直列に接続されている。出力側端子１０ａ，１０ｂの間にはコンデンサ８が接続されている。このコンデンサ８は、スイッチング回路４から出力される電流の変動を吸収する。出力側端子１０ａは車載制御装置１の正電圧ラインに接続され、出力端子１０ｂはアースラインに接続されている。

入力側のスイッチング素子Ａ，Ｂの共通接続点と出力側のスイッチング素子Ｃ，Ｄの共通接続点との間にインダクタ６が接続されることによりスイッチング回路４が構成されている。各スイッチング素子Ａ〜Ｄは半導体素子であり、例えばＭＯＳ ＦＥＴが採用されている。
各スイッチング素子Ａ〜Ｄのゲートには制御回路５から駆動信号が入力されるように接続されている。この場合、制御回路５は、スイッチング素子Ａ，Ｂの一方をオンする場合は他方をオフし、スイッチング素子Ｃ，Ｄの一方をオンする場合は他方をオフする。つまり、スイッチング素子Ａ，Ｂは相補的に動作すると共にスイッチング素子Ｃ，Ｄは相補的に動作する。

制御回路５は、スイッチング回路４の各スイッチング素子Ａ〜Ｄに駆動信号を出力して所定タイミングでスイッチング素子Ａ〜Ｄをオンオフすることにより電源制御動作としての降圧動作と昇圧動作とを切替える。駆動信号はパルス信号であるが、後述するように電源制御動作の切替時に突入電流抑制動作を実行する場合は、パルス信号が緩やかに立上るように制御する。

次に制御回路５による電源制御動作について説明する。
制御回路５は、図２に示すように入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値以上か（Ｓ１０１）、第２動作切替閾値未満で且つ第３動作切替閾値を上回っているか（Ｓ１０２）、第２動作切替閾値以下で且つ回路停止閾値以上か（Ｓ１０３）を判定している。第１動作切替閾値及び第２動作切替閾値は電源制御動作を切替えるための閾値で、バッテリ電圧であるバッテリ電圧よりも低い値で出力電圧Ｖｏｕｔの目標電圧として設定されている。

制御回路５は、通常においては、入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値以上となっていることから（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、降圧動作を実行している（Ｓ１０４）。降圧動作は、図３に示すようにスイッチング素子Ｃをオン、スイッチング素子Ｄをオフすることによりインダクタ６を出力側のコンデンサ８に接続した状態で、スイッチング素子Ａをオンすると同時にスイッチング素子Ｂをオフすることによりインダクタ６に入力電圧Ｖｉｎが印加する状態と、スイッチング素子Ａをオフすると同時にスイッチング素子Ｂをオンすることによりインダクタ６に０Ｖが印加する状態とを交互に実行することにより行われる（図６参照）。つまり、入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介してコンデンサ８に出力される状態と、０Ｖがインダクタ６を介してコンデンサ８に出力される状態とを交互に形成することで、コンデンサ８に印加される平均の電圧を入力電圧Ｖｉｎよりも低下させるのである。

さて、ユーザがエンジンをスタートするためにスタート操作すると、スタータが始動してクランキングが行われる。このとき、スタータに大電流が流れるので、バッテリ電圧である入力電圧Ｖｉｎが大きく低下する。この結果、入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値及び第２動作切替閾値を下回るようになる。
制御回路５は、後述するように入力電圧Ｖｉｎが第２動作切替閾値を下回った場合は昇圧動作を実行するが、入力電圧Ｖｉｎが低下して第１動作切替閾値を下回り且つ第２動作切替閾値を上回っている状態では（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、スイッチング素子Ａに大きな突入電流が流れることを抑制する突入電流抑制動作を実行する（Ｓ１０５）。つまり、降圧動作から昇圧動作に切替える場合に、入力電圧Ｖｉｎをインダクタ６を介して出力するようにオンするスイッチング素子Ａに大きな突入電流が流れるので、突入電流抑制動作を実行することにより突入電流を抑制するのである。

制御回路５は、突入電流抑制動作を実行する場合は、図４に示すようにスイッチング素子Ａ，Ｃをオンすると同時にスイッチング素子Ｂ，Ｄをオフする。この場合、降圧動作から突入電流抑制動作に切替えるにしても、スイッチング素子Ｃのオン状態、スイッチング素子Ｄのオフ状態は継続しているので、結局、スイッチング素子Ａがオンすることにより入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介してコンデンサ８に出力されることになる。

このとき、制御回路５は、スイッチング素子Ａに対する駆動信号としてパルス信号を出力する際に緩やかに立上げることにより、スイッチング素子Ａのゲート電圧を徐々に高める制御（以下、ソフトオン制御と称する）を行う。これにより、スイッチング素子Ａに流れる電流が徐々に上昇するので、スイッチング素子Ａに大きな突入電流が流れることを抑制することができる。制御回路５は、このようなソフトオン制御を終了した後は、通常のゲート電圧をスイッチング素子Ａに印加することでスイッチング素子Ａを完全にオンする（図６参照）。これにより、入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介してコンデンサ８に出力されるようなるので、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとがほぼ一致するようになる。このようなソフトオン制御はスイッチング素子Ａの増幅領域（非飽和領域）を使用することで可能となるもので、後述する昇圧動作を開始するまでに終了するようにその実行時間が設定されている。
この場合、突入電流抑制動作は電源制御動作の切替時に入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介して出力されるようにオンするスイッチング素子にのみ有効であることから、降圧動作から昇圧動作に切替える場合はスイッチング素子Ａのみが対象となるが、突入電流抑制動作時にオンする他のスイッチング素子に対して実行するようにしてもよい。

制御回路５は、入力電圧Ｖｉｎがさらに低下して第２動作切替閾値以下で且つ回路停止閾値以上となると（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、昇圧動作を実行する（Ｓ１０６）。昇圧動作は、図５に示すようにスイッチング素子Ａをオン、スイッチング素子Ｂをオフすることによりインダクタ６に入力電圧Ｖｉｎを印加した状態で、スイッチング素子Ｃをオンすると同時にスイッチング素子Ｄをオフすることによりインダクタ６をコンデンサ８に接続する状態と、スイッチング素子Ｃをオフすると同時にスイッチング素子Ｄをオンすることによりインダクタ６を０Ｖに接続する状態とを交互に実行することにより行われる（図６参照）。つまり、インダクタ６にエネルギーを貯める状態と、インダクタ６に貯めたエネルギーを放出する状態とを交互に形成することで、出力電圧Ｖｏｕｔを入力電圧Ｖｉｎよりも高めるのである。

そして、ユーザによるスタート操作によりエンジンが始動してそのスタート操作が終了すると、バッテリ電圧である入力電圧Ｖｉｎが上昇して第２動作切替閾値を上回るようになるので（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、上述した突入電流抑制動作実行する（Ｓ１０５）。この場合、図６に示すようにスイッチング素子Ｃがオンすることにより入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介してコンデンサ８に出力されるので、電源制御動作の切替時にスイッチング素子Ｃに大きな突入電流が流れる。そこで、制御回路５は、スイッチング素子Ｃに対して突入電流抑制動作を実行することでスイッチング素子Ｃに大きな突入電流が流れることを抑制する。

この場合、突入電流抑制動作は電源制御動作の切替時に入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介してコンデンサ８に出力するようにオンするスイッチング素子Ｃにのみ有効であることから、昇圧動作から降圧動作に切替える場合は、スイッチング素子Ｃのみが対象となるが、突入電流抑制動作時にオンする他のスイッチング素子に対して実行するようにしてもよい。
そして、制御回路５は、入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値以上となった場合は（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、降圧動作を実行する（Ｓ１０４）。
尚、制御回路５は、入力電圧Ｖｉｎが大きく低下して回路停止閾値未満となった場合は（Ｓ１０３：ＮＯ）、動作を終了することにより回路停止状態となる。

このような実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
スイッチング電源装置２が入力電圧Ｖｉｎに応じて降圧動作と昇圧動作とを切替えて実行する構成において、電源制御動作の切替時に入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介して出力するようにオンするスイッチング素子に大きな突入電流が流れることを防止する突入電流抑制動作を実行するようにしたので、電源制御動作の切替時における出力電圧Ｖｏｕｔの安定性を高めることができる。
突入電流抑制動作として、スイッチング素子の増幅領域を利用してゲート電圧を徐々に高める駆動信号を与えることによりスイッチング素子に流れる電流が徐々に上昇するようにしたので、突入電流抑制動作を容易に実行することができる。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について図７から図９を参照して説明する。この第２実施形態は、スイッチング電源装置２が昇降圧動作と昇圧動作の２つの電源制御動作を切替えて実行する構成を対象とする。
制御回路５は、図７に示すように入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値以上の場合は（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、第１実施形態の降圧動作に代えて昇降圧動作を実行するようになっている（Ｓ２０４）。尚、他のステップＳ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０５、Ｓ２０６は第１実施形態のステップＳ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０５、Ｓ１０６とそれぞれ同一であるから説明を省略する。

制御回路５は、昇降圧動作を実行する場合は、図８に示すようにスイッチング素子Ａ，Ｄをオンすると同時にスイッチング素子Ｂ，Ｃをオフする動作と、スイッチング素子Ａ，Ｄをオフすると同時にスイッチング素子Ｂ，Ｃをオンする動作と交互に実行する（図９参照）。
即ち、第１実施形態の降圧動作では、スイッチング回路４は入力電圧Ｖｉｎよりも低い出力電圧Ｖｏｕｔしか生成することができないことから、入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値に接近した場合であっても降圧動作が行われてしまう。このため、第１実施形態のように降圧動作と昇圧動作を切替えて実行する構成では、入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値に接近した場合であっても出力電圧Ｖｏｕｔが降圧動作により第１動作切替閾値よりも大きく低下してしまい、第１動作切替閾値に接近させることができない。そこで、降圧動作を昇降圧動作に変更し、降圧動作と昇圧動作とを交互に実行することにより出力電圧Ｖｏｕｔを第１動作切替閾値に徐々に接近させるように制御することで、出力電圧Ｖｏｕｔを第１動作切替閾値に接近させることができる。但し、昇降圧動作は降圧動作よりも変換効率が低いことから、スイッチング電源装置２の仕様に応じて昇圧動作か昇降圧動作の何れを実行するかを決定する必要がある。

このような昇降圧動作による効果は第１実施形態の昇圧動作を昇降圧動作に変更することでも期待できるが、降圧動作を昇降圧動作に変更する場合と同様に、昇降圧動作は昇圧動作よりも変換効率が低いことから、降圧動作と昇降圧動作と昇圧動作の何れか２つの電源制御動作をどのように組合せるかはスイッチング電源装置２の仕様に応じて決定する。

また、昇降圧動作を実行する形態としては、第１実施形態と同様に降圧動作実行時において入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値に接近した場合に降圧動作を昇降圧動作に切替えたり、昇圧動作実行時において入力電圧Ｖｉｎが第２動作切替閾値に接近した場合に昇圧動作を昇降圧動作に切替えたりしてもよい。但し、何れの電源制御動作の切替時であっても入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介して出力されるようにオンするスイッチング素子に対して突入電流抑制動作を実行するのは勿論である。

このような実施形態によれば、スイッチング電源装置２が入力電圧Ｖｉｎに応じて昇降圧動作と昇圧動作とを切替えて実行する構成において、電源制御動作の切替時に入力電圧Ｖｉｎをインダクタ６を介して出力するようにオンするスイッチング素子に大きな突入電流が流れることを防止できるので、出力電圧Ｖｏｕｔの安定性を高めることが可能となる。

（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態について図１０及び図１１を参照して説明する。本実施形態は、スイッチング電源装置２が降圧動作、昇降圧動作、昇圧動作の３つの電源制御動作を切替えて実行する構成を対象とする。
即ち、第１実施形態及び第２実施形態では、降圧動作、昇降圧動作、昇圧動作のうち何れか２つの電源制御動作を切替えて実行したが、上述したように昇降圧動作は変換効率が低いものの出力電圧Ｖｏｕｔを動作切替閾値に接近させることが可能となることから、入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値と第２動作切替閾値との間にある場合は昇降圧動作を実行する。

具体的には、制御回路５は、第１実施形態と同様に、入力電圧Ｖｉｎが第１動作切替閾値以上の場合は降圧動作を実行し、入力電圧Ｖｉｎが第２動作切替閾値以下の場合は昇圧動作を実行する。そして、第１動作切替閾値と第２動作切替閾値との間に第３動作切替閾値と第４動作切替閾値とを設定し、入力電圧Ｖｉｎが第３動作切替閾値と第４動作切替閾値との間の場合に昇降圧動作を実行する（図１１参照）。

さて、本実施形態では、入力電圧Ｖｉｎが第３動作切替閾値と第４動作切替閾値との間の場合に昇降圧動作を実行するようになっていることから、降圧動作と昇降圧動作とを切替えたり、昇圧動作と昇降圧動作とを切替えたりする場合に入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介して出力するようにオンするスイッチング素子に大きな突入電流が流れて出力電圧Ｖｏｕｔが変動するおそれがある。

そこで、制御回路５は、図１０に示すように入力電圧Ｖｉｎが低下して第１動作切替閾値と第３動作切替閾値との間となった場合は（Ｓ３０２：ＹＥＳ）、上述した突入電流抑制動作を実行し（Ｓ３０７）、入力電圧Ｖｉｎがさらに低下して第３動作切替閾値以上でかつ第４動作切替閾値以上となった場合は（Ｓ３０３：ＹＥＳ）、昇降圧動作実行する（Ｓ３０８）。このような昇降圧動作を実行することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを第３動作切替閾値や第４動作切替閾値に接近させることが可能となる。

制御回路５は、昇降圧動作中に入力電圧Ｖｉｎが上昇して第１動作切替閾値と第３動作切替閾値との間となった場合は（Ｓ３０２：ＹＥＳ）、突入電流抑制動作を実行する（Ｓ３０７）。このような突入電流抑制動作により、降圧動作と昇降圧動作との切替時に入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介して出力されるようにオンするスイッチング素子に大きな突入電流が流れてしまうことを抑制することができるので、出力電圧Ｖｏｕｔを安定させることができる。

一方、制御回路５は、昇圧動作中に入力電圧Ｖｉｎが低下して第４動作切替閾値と第２動作切替閾値との間となった場合は（Ｓ３０４：ＹＥＳ）、突入電流抑制動作を実行し（Ｓ３０９）、入力電圧Ｖｉｎがさらに低下して第２動作切替閾値以下となった場合は（Ｓ３０５：ＹＥＳ）、昇圧動作を実行する（Ｓ３１０）。そして、入力電圧Ｖｉｎが上昇して第４動作切替閾値と第２動作切替閾値との間となった場合は（Ｓ３０４：ＹＥＳ）、突入電流抑制動作を実行する（Ｓ３０９）。このような突入電流抑制動作により、昇降圧動作と昇圧動作との切替時に入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介して出力されるようにオンするスイッチング素子に大きな突入電流が流れてしまうことを抑制することができるので、出力電圧Ｖｏｕｔを安定させることができる。

このような実施形態によれば、スイッチング電源装置２が入力電圧Ｖｉｎに応じて降圧動作、昇降圧動作、昇圧動作を切替えて実行する構成において、電源制御動作の切替時に入力電圧Ｖｉｎがインダクタ６を介して出力されるようにオンするスイッチング素子に大きな突入電流が流れることを防止できるので、出力電圧Ｖｏｕｔの安定性を高めることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、次のように変形または拡張したり、各変形例を上記実施形態と組合せたり、各変形例を組合せるようにしてもよい。
本発明を、スイッチング電源装置を備えた家電製品，情報機器等の各種電子装置に適用してもよい。
スイッチング素子としてサイリスタ、ＩＧＢＴなどを用いるようにしてもよい。

図面中、１は車載装置、２はスイッチング電源装置、３は車両バッテリ、４はスイッチング回路、５は制御回路、６はインダクタ、７，８はコンデンサ、Ａ〜Ｄはスイッチング素子である。

Claims (8)

1. スイッチング素子（Ａ〜Ｄ）、インダクタ（６）、コンデンサ（７，８）からなるスイッチング回路（４）と、
   入力電圧と所定の動作切替閾値とを比較し、前記スイッチング回路に対するスイッチング制御により降圧動作、昇降圧動作、昇圧動作の電源制御動作のうち少なくとも２つの電源制御動作を切替えて実行する制御回路（５）と、を備えたスイッチング電源装置（２）において、
   前記制御回路は、前記電源制御動作を切替えた場合に入力電圧が前記インダクタを介して出力されるようにオンするスイッチング素子のオン期間を所定期間延長し、当該スイッチング素子のオンタイミングから前記所定期間だけ当該スイッチング素子に流れる電流の立上がりが緩やかとなるようにアナログ制御する突入電流抑制動作を実行することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記制御回路は、前記突入電流抑制動作を実行する場合は、前記スイッチング素子に流れる電流が徐々に上昇するように制御することを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記電源制御動作は、降圧動作と昇圧動作とであることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチング電源装置。
4. 前記電源制御動作は、昇降圧動作と昇圧動作とであることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチング電源装置。
5. 前記電源制御動作は、降圧動作と昇降圧動作とであることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチング電源装置。
6. 前記電源制御動作は、降圧動作と昇降圧動作と昇圧動作とであることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチング電源装置。
7. 請求項１から６の何れか一項記載のスイッチング電源装置を備えたことを特徴とする電子装置。
8. 請求項１から６の何れか一項記載のスイッチング電源装置を備え、車両に搭載されて車両バッテリから給電されることを特徴とする車載装置。

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