JPH104676A - クロスコンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トランスレス方式のクロスコンバータで、降
圧動作／昇圧動作の切換え時に出力電圧が変動してノイ
ズが発生する、という問題を解決し、切換えノイズが生
じないようにしたクロスコンバータを実現する。 【解決手段】 チョークコイルＬと降圧用スイッチング
素子ＳＷ１と昇圧用スイッチング素子ＳＷ２とから構成
され、入力端子に対して降圧用スイッチング素子ＳＷ１
とチョークコイルＬとが直列に接続され、チョークコイ
ルＬの出力側に昇圧用スイッチング素子ＳＷ２の一端が
接続され、出力端子に対して並列に配置されたコンデン
サＣが、チョークコイルＬの出力側に一端が接続され、
他端が接地されたクロスコンバータにおいて、降圧用ス
イッチング素子ＳＷ１と昇圧用スイッチング素子ＳＷ２
を、全入力電圧範囲にわたって常に動作状態に制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トランスを使用
しないクロスコンバータに係わり、詳しくは、昇圧動作
や降圧動作の切換え時にノイズが生じないようにしたノ
イズレスの小型クロスコンバータに関する。

【０００２】

【従来の技術】クロスコンバータは、入力されたノコギ
リ波を一定レベルの電圧で出力する直流コンバータであ
る。従来のトランスレス方式のクロスコンバータでは、
入力電圧が昇圧動作から降圧動作に切換わる時点や、逆
に、降圧動作から昇圧動作に切換わる時点で、出力電圧
にノイズが発生している。

【０００３】図６は、従来のトランスレス方式のクロス
コンバータについて、その入力電圧と出力電圧との関係
の一例を説明するタイムチャートである。図の横軸は時
間ｔ、縦軸は入力電圧と出力電圧を示し、ａ〜ｃは切換
えノイズを示す。

【０００４】この図６では、上方に入力電圧を実線で示
し、出力電圧を破線で示しており、下方には、出力電圧
の変化状態を同じく実線で示している。図６の上方に示
すように、入力電圧がノコギリ状に変化すると、ほぼ出
力電圧と等しいレベル（破線の出力電圧レベル）になっ
た時点で、降圧動作／昇圧動作の切換えが行われる。そ
して、この切換え時に、図６の下方の出力電圧にａ〜ｃ
で示したように、出力電圧が変動してノイズが発生され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のトランスレス方
式のクロスコンバータでは、図６で説明したように、降
圧動作／昇圧動作の切換え時（入力電圧が出力電圧にま
たがって変化するとき）に、出力電圧が変動してノイズ
が発生する、という問題がある。そのため、従来のトラ
ンスレス方式のクロスコンバータは、電源ノイズに敏感
な電子装置には採用することができなかった。この発明
では、このような切換えノイズが生じないようにしたク
ロスコンバータを実現することを課題とする（請求項１
から請求項４の発明）。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、チ
ョークコイル（Ｌ）と降圧用スイッチング素子（ＳＷ
１）と昇圧用スイッチング素子（ＳＷ２）とから構成さ
れ、入力端子に対して降圧用スイッチング素子（ＳＷ
１）とチョークコイル（Ｌ）とが直列に接続され、チョ
ークコイル（Ｌ）の出力側に昇圧用スイッチング素子
（ＳＷ２）の一端が接続され、出力端子に対して並列に
配置されたコンデンサ（Ｃ）が、チョークコイル（Ｌ）
の出力側に一端が接続され、他端が接地されたクロスコ
ンバータにおいて、降圧用スイッチング素子（ＳＷ１）
と昇圧用スイッチング素子（ＳＷ２）とを、入力端子に
与えられる全入力電圧範囲にわたって常に動作状態に制
御するようにしている。

【０００７】請求項２の発明では、請求項１のクロスコ
ンバータにおいて、降圧用スイッチング素子（ＳＷ１）
とチョークコイル（Ｌ）との接続点に第１のダイオード
（Ｄ１）のカソード側を接続し、アノード側を接地し、
チョークコイル（Ｌ）の出力側の昇圧用スイッチング素
子（ＳＷ２）との接続点に第２のダイオード（Ｄ２）の
アノード側を接続し、カソード側をコンデンサ（Ｃ）に
接続している。

【０００８】請求項３の発明では、請求項１のクロスコ
ンバータにおいて、降圧用スイッチング素子（ＳＷ１）
を、ノコギリ波が高いレベルより小さい間はオン状態に
制御し、両者が一致した時点から高いレベルより大きい
間はオフ状態に制御し、昇圧用スイッチング素子（ＳＷ
２）を、ノコギリ波が低いレベルより大きい間はオフ状
態に制御し、両者が一致した時点から低いレベルより小
さい間はオン状態に制御することにより、全入力電圧範
囲にわたって常に動作状態に制御している。

【０００９】請求項４の発明では、請求項１のクロスコ
ンバータにおいて、降圧用スイッチング素子（ＳＷ１）
を、第１のノコギリ波が所定レベルより小さい間はオン
状態に制御し、両者が一致した時点から所定レベルより
大きい間はオフ状態に制御し、昇圧用スイッチング素子
（ＳＷ２）を、第２のノコギリ波が前記所定レベルより
大きい間はオフ状態に制御し、両者が一致した時点から
所定レベルより小さい間はオン状態に制御することによ
り、全入力電圧範囲にわたって常に動作状態に制御して
いる。

【００１０】

【発明の実施の形態】

第１の実施の形態 この第１の実施の形態は、請求項１から請求項３の発明
に対応している。この第１の実施の形態では、チョーク
コイルを使用したクロスコンバータにおいて、昇圧用ス
イッチング素子（ＳＷ２）と降圧用スイッチング素子
（ＳＷ１）を、全入力電圧範囲にわたって常に動作させ
る点に特徴を有している。

【００１１】図１は、この発明のクロスコンバータにつ
いて、その要部構成の実施の形態の一例を示す機能ブロ
ック図である。図の符号において、１はノコギリ波発生
器、２は基準電圧発生器、３はＰＷＭ（パルス幅モジュ
レーション）変調器、４は誤差増幅器、Ｌはチョークコ
イル、Ｃはコンデンサ、Ｄ１とＤ２はダイオード、ＳＷ
１は降圧用スイッチング素子、ＳＷ２は昇圧用スイッチ
ング素子、Ｒは負荷回路を示し、Ｖｉは入力電圧、Ｖｏ
は出力電圧、ｄはノコギリ波発生器１の出力信号、ｅと
ｆは誤差増幅器４から出力される２レベルの信号を示
す。

【００１２】図２は、図１に示したクロスコンバータの
動作を説明するためのタイムチャートである。各信号波
形に付けた符号は図１の符号位置に対応している。

【００１３】図１のノコギリ波発生器１は、この図２に
示すように変化する波形を有する出力信号ｄを発生す
る。また、誤差増幅器４は、２つのレベルの信号ｅ，ｆ
（ｅ＞ｆ）を発生する。ＰＷＭ変調器３には、ノコギリ
波発生器１からの出力信号ｄと、誤差増幅器４から出力
される２つのレベルの信号ｅ，ｆが入力される。すなわ
ち、ＰＷＭ変調器３において、ノコギリ波発生器１から
の出力信号ｄが、誤差増幅器４から出力される２つのレ
ベルの信号ｅ，ｆ（一定電圧だけズラした２つのレベル
の信号）と比較される。

【００１４】この場合に、ＰＷＭ変調器３から出力され
るパルス信号は、図２のＳＷ１に示すように、ノコギリ
波発生器１からの出力信号ｄの方が高いレベルの信号ｅ
より小さい間は、Ｈレベル（オン）となり、両者が一致
した時点で、ＰＷＭ変調器３のパルス信号が反転され、
ノコギリ波発生器１からの出力信号ｄの方が高いレベル
の信号ｅより大きくなると、Ｌレベル（オフ）となる。
また、ＰＷＭ変調器３から出力されるパルス信号は、図
２のＳＷ２に示すように、ノコギリ波発生器１からの出
力信号ｄの方が低いレベルの信号ｆより大きい間は、Ｌ
レベル（オフ）となり、両者とが一致する時点で、ＰＷ
Ｍ変調器３のパルス信号が反転され、ノコギリ波発生器
１からの出力信号ｄの方が低いレベルの信号ｆより小さ
くなると、Ｈレベル（オン）となる。したがって、ＰＷ
Ｍ変調器３からは、図２のＳＷ１とＳＷ２に示したよう
な２つのパルス信号（ＳＷ１，ＳＷ２）が出力される。

【００１５】先の図１に示したように、降圧用スイッチ
ング素子ＳＷ１と昇圧用スイッチング素子ＳＷ２は、Ｐ
ＷＭ変調器３から出力されるパルス信号（図２のＳＷ
１，ＳＷ２）によってオン／オフ動作を行う。降圧用ス
イッチング素子ＳＷ１は、入力電圧Ｖｉのオン／オフを
行うが、その切換えタイミングは、図２に示したノコギ
リ波発生器１からの出力信号ｄと高いレベルの信号ｅと
が一致する時点である。また、昇圧用スイッチング素子
ＳＷ２は、チョークコイルＬの出力電圧のオン／オフを
行うが、その切換えタイミングは、図２に示したノコギ
リ波発生器１からの出力信号ｄと低いレベルの信号ｆと
が一致する時点である。そして、降圧用スイッチング素
子ＳＷ１がオフになると、入力電圧Ｖｉもオフになる
が、その間は、昇圧用スイッチング素子ＳＷ２がオフで
あるから、チョークコイルＬの出力電圧がコンデンサＣ
へ与えられて、出力電圧Ｖｏは一定の値に保持される。
しかも、昇圧用スイッチング素子ＳＷ２がオンにされ
て、チョークコイルＬの出力側がショートされる時点で
は、常に降圧用スイッチング素子ＳＷ１はオンであるか
ら、チョークコイルＬの出力電圧が「０」になっても、
コンデンサＣから出力電圧Ｖｏがほぼ一定の値で発生さ
れる。

【００１６】このように、前者のパルス信号ＳＷ１によ
って、降圧用スイッチング素子ＳＷ１のオン／オフ制御
を行うと、図２から明らかなように、ノコギリ波発生器
１からの出力信号ｄが、誤差増幅器４から出力される高
いレベルの信号ｅより小さい間は降圧用スイッチング素
子ＳＷ１はオンにされ、高いレベルの信号ｅより大きく
なった間だけオフにされる。また、後者のパルス信号Ｓ
Ｗ２によって、昇圧用スイッチング素子ＳＷ２のオン／
オフ制御を行うと、ノコギリ波発生器１からの出力信号
ｄが、誤差増幅器４から出力される低いレベルの信号ｆ
より小さい間だけ昇圧用スイッチング素子ＳＷ２はオン
にされ、低いレベルの信号ｆより大きい間はオフにされ
る。

【００１７】この図１と図２に示したクロスコンバータ
では、降圧用スイッチング素子ＳＷ１のオン時間は、入
力電圧Ｖｉが出力電圧Ｖｏより小さい間は、１００％に
極めて近い値であるが、出力電圧Ｖｏより大きくなる
と、急激に減少される。逆に、昇圧用スイッチング素子
ＳＷ２のオン時間は、入力電圧Ｖｉが出力電圧Ｖｏより
小さい間は、比較的大きなデューティ比であるが、出力
電圧Ｖｏより大きくなると、０％に極めて近い値にな
る。この状態を、次の図３に示す。

【００１８】図３は、この発明のクロスコンバータにお
いて、図２に示した入力電圧Ｖｉに対する両スイッチン
グ素子ＳＷ１，ＳＷ２の動作時のデューティ比を示す。
図の横軸は入力電圧Ｖｉ、縦軸はスイッチング素子ＳＷ
１，ＳＷ２のオン時におけるデューティを示し、ｇは降
圧用スイッチング素子ＳＷ１の動作特性、ｈは昇圧用ス
イッチング素子ＳＷ２の動作特性を示す。

【００１９】この図３のように両スイッチング素子ＳＷ
１，ＳＷ２を制御することによって、入力電圧Ｖｉと出
力電圧Ｖｏとの関係が、Ｖｉ＞Ｖｏでも、降圧用スイッ
チング素子ＳＷ１を僅かに動作させることが可能とな
り、また、Ｖｉ＜Ｖｏでも、昇圧用スイッチング素子Ｓ
Ｗ２を僅かに動作させることができる。したがって、昇
圧／降圧の切換え時に生じるノイズを抑えることができ
る。

【００２０】第２の実施の形態 この第２の実施の形態は、請求項４の発明に対応してい
る。先の第１の実施の形態では、誤差増幅器４の出力と
して２つのレベルを用いる場合を説明した。この第２の
実施の形態では、この誤差増幅器４の出力を１つのレベ
ルにし、代りに、入力電圧であるノコギリ波を２つ発生
させる点に特徴を有している。その他は、先の図１と同
様の構成である。

【００２１】図４は、この発明のクロスコンバータにつ
いて、その要部構成の第２の実施の形態の一例を示す機
能ブロック図である。図における符号は図１と同様であ
り、１１は第１のノコギリ波発生器、１２は第２のノコ
ギリ波発生器、１３は誤差増幅器を示し、ｊはノコギリ
波発生器１１から出力される降圧用ノコギリ波、ｋはノ
コギリ波発生器１２から出力される昇圧用ノコギリ波、
ｍは誤差増幅器１３から出力される１レベルの信号を示
す。

【００２２】図５は、図４に示したクロスコンバータの
動作を説明するためのタイムチャートである。各信号波
形に付けた符号は図４の符号位置に対応している。

【００２３】図４のように構成することによって、第１
と第２のノコギリ波発生器１１，１２から出力されるノ
コギリ波ｊ，ｋは、昇圧用スイッチング素子ＳＷ２と降
圧用スイッチング素子ＳＷ１のコントロールに対してそ
れぞれ専用となる。その結果、２つのノコギリ波ｊ，ｋ
の形状を同じにする必要がなく、むしろ、それぞれの特
性に合った形状にすることが可能になる。そして、先の
図１のクロスコンバータと同様に、切換えノイズのない
クロスコンバータを構成することができる（請求項４の
発明）。

【００２４】

【発明の効果】請求項１のクロスコンバータでは、トラ
ンスを使用していないので、ノイズレスのクロスコンバ
ータが実現される。また、従来のトランス式と比較すれ
ば、広い入力電圧範囲が得られる。さらに、電力ロスが
少なく、しかも、小型化も可能である。

【００２５】請求項２のクロスコンバータでは、請求項
１のクロスコンバータにおいて、第１のダイオード（Ｄ
１）と第２のダイオード（Ｄ２）とを使用している。し
たがって、請求項１のクロスコンバータによる効果に加
えて、出力電圧を一定に保つことができる。

【００２６】請求項３のクロスコンバータでは、請求項
１のクロスコンバータにおいて、降圧用スイッチング素
子（ＳＷ１）と昇圧用スイッチング素子（ＳＷ２）のオ
ンオフ制御に、ノコギリ波を２つのレベルと比較したパ
ルス信号を使用している。したがって、請求項１のクロ
スコンバータによる効果に加えて、両スイッチング素子
のオンオフ動作を確実に行うことができる。

【００２７】請求項４のクロスコンバータでは、請求項
１のクロスコンバータにおいて、２つのノコギリ波を使
用している。したがって、請求項３のクロスコンバータ
による効果に加えて、昇圧用スイッチング素子ＳＷ２と
降圧用スイッチング素子ＳＷ１を、それぞれ専用にコン
トロールすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のクロスコンバータについて、その要
部構成の実施の形態の一例を示す機能ブロック図であ
る。

【図２】図１に示したクロスコンバータの動作を説明す
るタイムチャートである。

【図３】この発明のクロスコンバータにおいて、図２に
示した入力電圧Ｖｉに対する両スイッチング素子ＳＷ
１，ＳＷ２の動作時のデューティ比を示す図である。

【図４】この発明のクロスコンバータについて、その要
部構成の第２の実施の形態の一例を示す機能ブロック図
である。

【図５】図４に示したクロスコンバータの動作を説明す
るタイムチャートである。

【図６】従来のトランスレス方式のクロスコンバータに
ついて、その入力電圧と出力電圧との関係の一例を説明
するタイムチャートである。

【符号の説明】

１ ノコギリ波発生器、２ 基準電圧発生器、３ ＰＷ
Ｍ変調器、４ 誤差増幅器、ＳＷ１ 降圧用スイッチン
グ素子、ＳＷ２ 昇圧用スイッチング素子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チョークコイル（Ｌ）と降圧用スイッチ
   ング素子（ＳＷ１）と昇圧用スイッチング素子（ＳＷ
   ２）とから構成されるクロスコンバータであり、入力端
   子に対して前記降圧用スイッチング素子（ＳＷ１）とチ
   ョークコイル（Ｌ）とが直列に接続され、前記チョーク
   コイル（Ｌ）の出力側に昇圧用スイッチング素子（ＳＷ
   ２）の一端が接続され、出力端子に対して並列に配置さ
   れた前記コンデンサ（Ｃ）が、前記チョークコイル
   （Ｌ）の出力側に一端が接続され、他端が接地されたク
   ロスコンバータにおいて、 前記降圧用スイッチング素子（ＳＷ１）と昇圧用スイッ
   チング素子（ＳＷ２）とを、前記入力端子に与えられる
   全入力電圧範囲にわたって常に動作状態に制御すること
   を特徴とするクロスコンバータ。
2. 【請求項２】 上記降圧用スイッチング素子（ＳＷ１）
   とチョークコイル（Ｌ）との接続点に第１のダイオード
   （Ｄ１）のカソード側が接続され、アノード側が接地さ
   れ、上記チョークコイル（Ｌ）の出力側の昇圧用スイッ
   チング素子（ＳＷ２）との接続点に第２のダイオード
   （Ｄ２）のアノード側が接続され、カソード側が上記コ
   ンデンサ（Ｃ）に接続されたことを特徴とする上記請求
   項１記載のクロスコンバータ。
3. 【請求項３】 上記降圧用スイッチング素子（ＳＷ１）
   は、ノコギリ波が高いレベルより小さい間はオン状態に
   制御され、両者が一致した時点から高いレベルより大き
   い間はオフ状態に制御され、上記昇圧用スイッチング素
   子（ＳＷ２）は、ノコギリ波が低いレベルより大きい間
   はオフ状態に制御され、両者が一致した時点から低いレ
   ベルより小さい間はオン状態に制御されることにより、
   全入力電圧範囲にわたって常に動作状態に制御すること
   を特徴とする上記請求項１記載のクロスコンバータ。
4. 【請求項４】 上記降圧用スイッチング素子（ＳＷ１）
   は、第１のノコギリ波が所定レベルより小さい間はオン
   状態に制御され、両者が一致した時点から前記所定レベ
   ルより大きい間はオフ状態に制御され、上記昇圧用スイ
   ッチング素子（ＳＷ２）は、第２のノコギリ波が前記所
   定レベルより大きい間はオフ状態に制御され、両者が一
   致した時点から前記所定レベルより小さい間はオン状態
   に制御されることにより、全入力電圧範囲にわたって常
   に動作状態に制御することを特徴とする上記請求項１記
   載のクロスコンバータ。