WO2017086028A1

WO2017086028A1 - 昇降圧電源および電源回路

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Publication number: WO2017086028A1
Application number: PCT/JP2016/078566
Authority: WO
Inventors: 鳴劉; 梶山　新也; 山脇　大造; 良介石田; 裕史栗本; 泰志杉山
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2017-05-26
Also published as: US10340799B2; DE112016004754T5; US20180316268A1; CN108352784B; CN108352784A; JP2017099048A; JP6490565B2

Abstract

回路面積が小さい昇降圧電源を提供する。　昇降圧電源であって、昇降圧電源の入力電圧が一端に印加される降圧スイッチのオンオフにより、入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧部と、グランドが一端に印加される昇圧スイッチのオンオフにより、入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧部と、降圧スイッチのゲート電圧を制御する降圧ゲート電圧制御回路と、を備える。降圧ゲート電圧制御回路は、降圧スイッチをオンするための第１の電圧と第2の電圧を生成するゲート電圧生成回路と、第１の電圧と第2の電圧間を切り替えるゲート電圧切替回路を有し、ゲート電圧生成回路は、第１の電圧を生成する第１電圧源と第2の電圧を生成する第2生成電圧源を有する。

Description

昇降圧電源および電源回路

　本発明は、スイッチング電源に関し、特にマイコン用電圧を生成する車載用昇降圧電源に好適な電源に関する。

　例えば自動車応用の分野では、低コスト化のため、低い出力電圧（例：3V）のバッテリの使用が予測されている。現状の自動車のエンジン制御ユニット（Engine Control Unit : ECU）の電源回路には、バッテリの電圧から低い電圧への降圧機能を持つ降圧電源しかない。このため、降圧機能と昇圧機能を両方持つ昇降圧電源をECUに適用する必要性がでてきた。

　ECU用途ではないが、降圧機能と昇圧機能を両方持つ電源として、例えば特許文献１がある。

特開2014-175124号公報

　図１にブートストラップ回路を用いた昇降圧電源を説明するために、発明者が作図した図を比較例として示す。ブートストラップ回路を用いて構成した昇降圧電源は、降圧部１、昇圧部２、制御回路１３、昇降圧判定回路１４、インダクタ９、出力容量１２１で構成される。降圧部１は、スイッチング素子３、降圧ドライバ４、ブートストラップ（bootstrap）回路７、ダイオード８で構成される。ブートストラップ回路７は、ダイオード５とコンデンサ６で構成される。昇圧部２は、スイッチング素子１１、昇圧ドライバ１２、ダイオード１０で構成される。スイッチング素子３や１１は例えば、半導体技術で作成されたトランジスタで構成される。

　降圧と昇圧時における昇降圧電源の全体動作は下記のように説明する。下記の動作によって、例えばバッテリから供給される昇降圧電源の入力電圧Vinが高くても低くても、安定な出力電圧Voを生成することができる。

　入力電圧Vinが高い降圧時は、スイッチング素子１１が常時オフし、スイッチング素子３がスイッチングする。スイッチング素子３がオン時、インダクタ９経由で入力電圧Vinからエネルギーが出力電圧Voへ伝わる。また、この時、インダクタ９に流れる電流Iinがエネルギーとしてインダクタ９に蓄積する。スイッチング素子３がオフ時、ダイオード８と１０経由でインダクタ９に充電されたエネルギーが出力電圧Voへ伝わる。これによって、高い入力電圧Vinから低い出力電圧Voに降圧する。

　入力電圧Vinが低い昇圧時、スイッチング素子３が常時オンし、スイッチング素子１１がスイッチングする。スイッチング素子１１がオン時、入力電圧Vinがインダクタ９にエネルギーを蓄積する。スイッチング素子１１がオフ時、ダイオード１０経由でインダクタ９に充電されたエネルギーと入力電圧Vinの両方からエネルギーが出力電圧Voへ伝わる。これによって、低い入力電圧Vinから高い出力電圧Voに昇圧する。

　図１の昇降圧電源の各回路の動作と役割は下記のように説明する。

　昇降圧判定回路１４は入力電圧Vinと出力電圧Voと比較し、たとえば、入力電圧Vinが出力電圧Voより高い場合ハイの信号を生成し、入力電圧Vinが出力電圧Voより低い場合ローの信号を生成する回路である。

　制御回路１３は、昇降圧判定回路１４が生成した信号Vchangeと出力電圧Voからのフィードバック信号によって制御信号Vc_buckとVc_boostを生成し、降圧部１と昇圧部２を制御し、入力電圧Vinが必要な出力電圧Voより低くなっても、高くなっても、安定な出力電圧Voを生成する回路である。

　降圧ドライバ４と昇圧ドライバ１２は制御回路１３からの制御信号Vc_buckとVc_boostを受け、スイッチング素子３と１１の高速オンオフを駆動する回路である。

　降圧部１と昇圧部２の動作は下記のように説明する。

　昇降圧判定回路１４によって入力電圧Vinが出力電圧Voより低いと判断された時，制御回路１３からの制御信号Vc_buckとVc_boostにより降圧部１のスイッチング素子３を常時オンさせ、昇圧部２のスイッチング素子１１をスイッチングさせ、出力電圧Voを必要な電圧まで昇圧する。

　昇降圧判定回路１４によって入力電圧Vinが出力電圧Voより高いと判断された時，制御回路１３からの制御信号Vc_buckとVc_boostにより降圧部１のスイッチング素子３をスイッチングさせ、昇圧部２のスイッチング素子１１を常時オフさせ、出力電圧Voを必要な電圧まで降圧する。

　降圧部１中のブートストラップ回路７の原理と動作は下記のように説明する。

　スイッチング素子３を使い完全にオンさせるには、十分なゲート・ソース間電圧Vgs(=Vg－Vs)の必要がある。さらに、スイッチング素子３のオン時、ソース電圧Vsはドレイン電圧Vdとほぼ同等レベルになる。これにより、スイッチング素子３のゲート電圧Vgはドレイン電圧Vdより十分な高い電圧が必要になる。しかしながら、スイッチング素子３のドレイン電圧Vdは入力電圧Vinなので、回路内で一番高い電圧になる。スイッチング素子３を完全にオンでき、入力電圧Vinより高い電圧を作るのがブートストラップ回路である。

　スイッチング素子３のオフ時、ダイオード８が導通し、スイッチング素子３のソース電圧VsがほぼＧＮＤ電圧になる。この時、入力電圧Vinがブートストラップ回路７のダイオード５経由でコンデンサ６を充電し、コンデンサ６とダイオード５の間の電圧Vbが入力電圧Vin－Vfになる。Vfはダイオード５のフォードワード電圧である。スイッチング素子３のオン時、ソース電圧Vsがドレイン電圧Vd、すなわち入力電圧Vinとほぼ同等レベルになるため、コンデンサ６の他端電圧が入力電圧Vinまで上昇する。これにより、スイッチング素子３のオン時、コンデンサ６とダイオード５の間の電圧Vbが2Vin－Vfまで上昇できる。この電圧Vbが降圧ドライバ４の電源電圧になり、スイッチング素子３がオン時のゲート電圧Vgになる。これにより、スイッチング素子３を完全にオンできる。

　図１の昇降圧電源の課題は、降圧電源のみの場合に比べ、回路面積が大きい。これによって、電源回路のコストが増加する。理由は下記の二つである。

　＜１＞　昇圧時と降圧時スイッチング素子３に流れる電流Iinのピーク値Iin_boostとIin_buckは、下記の式（１）（２）によって求められる。昇圧時Iin_boostは降圧時Iin_buckのVo/Vin_boost倍となる。このため、同じ効率を実現するためには、昇圧時スイッチング素子３のオン抵抗が降圧時のVin_boost/Vo倍になる必要から、昇降圧電源のスイッチング素子３の面積が降圧電源のみの場合のVo/Vin_boost倍になる必要がある。昇圧時の入力電圧Vin_boostが出力電圧Voより低いため、昇降圧電源のスイッチング素子３の面積が降圧電源のみの場合より大きくなる。

　昇圧時　Iin_boost=Vo・Io/Vin_boost　式（１）
　降圧時　Iin_buck=Io　式（２）
　Vin_boost：昇圧時の入力電圧
　Vin_buck：降圧時の入力電圧

　＜２＞　図１の昇降圧電源のスイッチング素子３をオンさせるゲート電圧Vgは、ブートストラップ回路で生成し、下記の式（３）で求められる。

　（Vf：ブートストラップ回路のダイオードのフォーワード電圧値）
　Vg=Vin・2-Vf　式（３）

　式（３）によって、ブートストラップ回路で生成した昇圧と降圧時スイッチング素子３のオン時のゲート電圧Vg_boostとVg_buckは、Vin_boost・2－VfとVin_buck・2－Vfとなる。同じ電源の効率を実現するため、昇圧、降圧時のソース－ドレイン電圧Vdsが同じであることが要求される。また、昇圧、降圧時のスイッチング素子３のドレイン電圧Vd_boostとVd_buckがVin_boostとVin_buckであるため、ソース電圧Vs_boostとVs_buckが、Vin_boost－VdsとVin_buck－Vdsとなる。これによって、昇圧と降圧時のスイッチング素子３のゲート・ソース間の電圧Vgs_boostとVgs_buckは、（Vin_boost－Vf＋Vds）と（Vin_buck－Vf＋Vds）になる。MOSのオン抵抗がゲート・ソース間の電圧に比例するため、同じオン抵抗を実現するため、昇降圧電源のスイッチング素子３の面積が降圧電源のみの場合の（Vin_buck－Vf＋Vds）/（Vin_boost－Vf＋Vds）倍になる必要がある。昇圧時の入力電圧Vin_boostが降圧時の入力電圧Vin_buckより低いため、昇降圧電源のスイッチング素子３の面積が降圧電源のみの場合より大きい。

　上記の二つの理由で、同じ電源の効率を実現するため、図１の構成では、昇降圧電源のスイッチング素子３の面積が降圧電源のみの場合より大きい必要がある。スイッチング素子３の面積の増大によって、電源の回路面積が増加し、電源回路のコストが増加する。

　また、降圧部１中のブートストラップ回路７をコンデンサとスイッチを組み合わせることによって電圧を上昇させるためのチャージポンプ回路に置き換えることも可能だが、昇降圧電源が降圧の時、スイッチング素子３が高速スイッチングする必要があるため、十分高い電流駆動能力を持つチャージポンプ回路の使用の必要がある。これによって、チャージポンプ回路の面積が非常に大きくなり、電源の回路面積が増加し、電源回路のコストが増加する。

　本発明は、回路面積が小さい昇降圧電源を提供することを目的とする。

　上記課題を解決する本発明の一側面は、昇降圧電源であって、昇降圧電源の入力電圧が一端に印加される降圧スイッチのオンオフにより、入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧部と、グランドが一端に印加される昇圧スイッチのオンオフにより、入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧部と、降圧スイッチのゲート電圧を制御する降圧ゲート電圧制御回路と、を備える。降圧ゲート電圧制御回路は、降圧スイッチをオンするための第1の電圧と第2の電圧を生成するゲート電圧生成回路と、第1の電圧と第2の電圧間を切り替えるゲート電圧切替回路を有し、ゲート電圧生成回路は、第1の電圧を生成する第1電圧源と第2の電圧を生成する第2生成電圧源を有することを特徴とする。

　本発明の他の一側面は、昇降圧電源であって、昇降圧電源の入力電圧が一端に印加される降圧スイッチのオンオフにより、入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧部と、グランドが一端に印加される昇圧スイッチのオンオフにより、入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧部と、降圧スイッチのゲート電圧を制御する降圧ゲート電圧制御回路と、を備える。降圧ゲート電圧制御回路は、降圧スイッチをオンするための第1の電圧と第2の電圧を生成するゲート電圧生成回路と、第1の電圧と前記第2の電圧間を切り替えるゲート電圧切替回路を有し、ゲート電圧生成回路は、第1の電圧を生成する第1生成回路と第2の電圧を生成する第2生成回路を有し、第2生成回路が駆動できる負荷電流が第1生成回路よりも大きいことを特徴とする。

　本発明の他の一側面は、入力電圧から出力電圧を生成する昇降圧電源であって、入力電圧を昇圧する昇圧部と、入力電圧を降圧する降圧部を備え、降圧部は、入力電圧が第１の端子に供給される半導体トランジスタからなる降圧スイッチと、降圧スイッチのゲート電圧を、出力電圧レベルの異なる第１の回路と、第１の回路とは異なる第２の回路を切り替えて供給する降圧ゲート電圧制御回路と、を備える。

　本発明のより具体的な構成例では、入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧動作時において、降圧スイッチを常時ＯＮとし、入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧動作時において、降圧スイッチをスイッチング動作させる。降圧ゲート電圧制御回路は、昇圧動作時においては、第１の回路からの第１のレベルの電圧を降圧スイッチのゲート電圧として供給し、降圧動作時においては、第１の回路と異なる第２の回路から、第１のレベルより低い第２のレベルの電圧を降圧スイッチのゲート電圧として供給する。

　本発明の他のより具体的な構成例では、入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧動作時において、降圧スイッチを常時ＯＮとし、入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧動作時において、降圧スイッチをスイッチング動作させる。降圧ゲート電圧制御回路は、昇圧動作時においては、第１の回路であるチャージポンプ回路から降圧スイッチのゲート電圧を供給し、降圧動作時においては、第２の回路であるブートストラップ回路から降圧スイッチのゲート電圧を供給する。

　本発明のさらに他の具体的な構成例では、降圧スイッチの第２の端子にインダクタが接続され、昇圧部は昇圧スイッチを備え、昇圧スイッチの第１の端子が接地電位に接続され、２の端子がインダクタに接続され、第２の端子とインダクタの接続点が出力電圧を得る出力端子に接続され、降圧スイッチと前記昇圧スイッチの動作を制御する制御回路を備える。制御回路は、入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧動作時において、降圧スイッチをスイッチング動作させるとともに、昇圧スイッチを常時ＯＦＦとし、入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧動作時において、昇圧スイッチをスイッチング動作させるとともに、降圧スイッチを常時ＯＮとするように制御を行う。降圧ゲート電圧制御回路は、昇圧動作時においては、第１の回路であるチャージポンプ回路から降圧スイッチのゲート電圧を供給し、降圧動作時においては、第２の回路であるブートストラップ回路から降圧スイッチのゲート電圧を供給する。

　本発明のさらに他の具体的な構成例では、第２の回路は、第１のレベルより低い第２のレベルの電圧を降圧スイッチのゲート電圧として供給し、第２の回路は第１の回路よりも、電流駆動能力が高く、かつ、出力電圧レベルが低い。

　本発明のさらに他の具体的な構成例では、第１の回路と第２の回路は、入力と出力がそれぞれ独立している。

　本発明のその他の新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

　回路面積が小さい昇降圧電源を提供することができる。

昇降圧電源の構成例を表す回路図面である。実施の形態１の昇降圧電源の構成を表す回路図面である。実施の形態１の昇降圧電源が降圧,昇圧間切替のタイミングチャート図である。実施の形態１の昇降圧電源が降圧から昇圧に切替動作フロー図である。実施の形態１の昇降圧電源が昇圧から降圧に切替動作フロー図である。

　以下、図面を参照しながら、本発明を示す実施の形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

　以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

　本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数または順序を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

　図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

　以下で開示される実施の形態のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。

　１）スイッチング素子３のドライバの電源電圧は、ブートストラップ回路と、チャージポンプ回路の間の切替によって生成。
　２）昇降圧判定回路により入力電圧Vinが出力電圧Voより低下することを判定されたら、電源が昇圧モードに入り、スイッチング素子３がずっとオンとなる。このタイミングで電圧切替回路によって、スイッチング素子３のドライバの電源電圧がブートストラップ回路からチャージポンプ回路に切替。
　３）昇降圧判定回路により入力電圧Vinが出力電圧Voより上昇することを判定されたら、電源が降圧モードに入り、スイッチング素子３がスイッチングする。このタイミングで電圧切替回路によって、スイッチング素子３のドライバの電源電圧がチャージポンプ回路からブートストラップ回路に切替。

実施の形態１

　＜１．全体構成＞
　図２は、実施の形態１の昇降圧電源の構成を表す図面である。図２及び図１における同一構成部分には同一符号を付している。

　実施の形態１の昇降圧電源は、降圧部１５、昇圧部２、制御回路１３、昇降圧判定回路１４、インダクタ９、出力容量１２１で構成される。昇圧部２、制御回路１３、昇降圧判定回路１４、インダクタ９、出力容量１２１は図１と同じなので、説明を省略する。降圧部１５は、スイッチング素子２３、ダイオード８、降圧ドライバ２４、電圧切替回路１６、ゲート電圧生成回路２２で構成される。ゲート電圧生成回路２２はチャージポンプ（CP）回路２１、ブートストラップ回路７で構成される。ブートストラップ回路７は図１と同じなので、説明を省略する。チャージポンプ（CP）回路２１は、チャージポンプ（CP）起動判定回路１７、発振器１９、チャージポンプ（CP）１８、チャージポンプ（CP）電圧判定回路２０で構成される。

　チャージポンプ回路２１としては、コンデンサとスイッチを組み合わせることによって電圧を上昇させる公知の電子回路を使用することができる。発振器１９も公知の構成を利用することができる。また、ブートストラップ回路７としては、コンデンサとダイオードによって構成される公知の電子回路を使用することができる。図２には一例を示しているが、この構成に限るものではない。図２に示されるように、チャージポンプ回路２１とブートストラップ回路７は、別個独立の構成となっており、入力や出力も独立している。それぞれの出力電圧VcpとVbは、電圧切替回路１６に入力され、いずれかが選択されて降圧ドライバ２４に供給される。

　昇圧と降圧時、実施の形態１の昇降圧電源の全体動作は下記のように説明する。

　降圧時、スイッチング素子１１が常時オフし、スイッチング素子２３がスイッチングする。スイッチング素子２３がオン時、インダクタ９経由で入力電圧Vinからエネルギーが出力電圧Voへ伝わる。また、この時、インダクタ９に流れる電流がエネルギーとしてインダクタ９に蓄積する。スイッチング素子２３がオフ時、ダイオード８経由でインダクタ９に充電されたエネルギーが出力電圧Voへ伝わる。これによって、高い入力電圧Vinから低い出力電圧Voに降圧する。

　昇圧時、スイッチング素子２３が常時オンし、スイッチング素子１１がスイッチングする。スイッチング素子１１がオン時、入力電圧Vinがインダクタ９にエネルギーを蓄積する。スイッチング素子１１がオフ時、ダイオード１０経由でインダクタ９に充電されたエネルギーと入力電圧Vinの両方からエネルギーが出力電圧Voへ伝わる。これによって、低い入力電圧Vinから高い出力電圧Voに昇圧する。

　実施の形態１の降圧部１５の各回路の動作と役割は下記のように説明する。

　ゲート電圧生成回路２２は、チャージポンプ（CP）回路２１で生成するチャージポンプ電圧Vcpとブートストラップ回路７で生成するブートストラップ電圧Vbの２種類の電圧を生成する。ブートストラップ回路７の動作は図１と同じなので、説明を省略する。

　チャージポンプ（CP）回路２１の各回路の動作は下記のように説明する。

　チャージポンプ（CP）起動判定回路１７は入力電圧Vinの大きさと昇降圧判定回路１４の出力の判定信号Vchangeによって生成した判定信号Vstによって、発振器１９の動作状態（停止、起動、動作）の切替を制御する。

　発振器１９は、パルス信号Voscを生成する。

　チャージポンプ（CP）１８は、複数のコンデンサと複数のスイッチを組み合わせることによって電圧を上昇させるための回路で、発振器１９からのパルス信号Voscによって、入力電圧Vinから高い電圧Vcpを生成する。

　チャージポンプ（CP）電圧判定回路２０は、チャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcpが所望の電圧になったら、判定信号Vcptestを生成し、電圧切替回路１６に入力する。

　電圧切替回路１６は、チャージポンプ（CP）電圧判定回路２０からの判定信号Vcptestと昇降圧判定回路１４からの判定信号Vchangeによって、入力のブートストラップ電圧Vbとチャージポンプ電圧Vcpの間に切替えて降圧ドライバ１６の電源電圧Vdriverとして出力する。

　降圧ドライバ２４は制御回路１３からの制御信号Vc_buckを受け、スイッチング素子２３の高速オンオフを駆動する回路である。また、スイッチング素子２３をオンさせるゲート電圧Vgは、電圧切替回路１６の出力、すなわち降圧ドライバ２４の電源電圧Vdriverとなる。

　＜２．動作シーケンス＞
　以下では、図３～５を使って、実施の形態１の昇降圧電源の動作状態が降圧から昇圧に切替える時と昇圧から降圧に切替える時、スイッチング素子２３をオンさせるゲート電圧Vgの変化を説明する。

　図３は実施の形態１の昇降圧電源が降圧と昇圧に切替える際の各信号と出力電圧のタイミングチャートである。図４と図５は、実施の形態１の昇降圧電源が降圧から昇圧に切替える動作フローと昇圧から降圧に切替える動作フローである。

　＜２－１．実施の形態１の昇降圧電源の動作状態が降圧から昇圧に切替える時：＞
　図４と図３を参照し、昇降圧電源が降圧から昇圧に切替える動作フローを説明する。昇降圧電源の動作状態３０１が降圧の時（Ｓ４０１）、スイッチング素子２３をオンさせるゲート電圧Vg、すなわち降圧ドライバ２４の電源電圧Vdriver３１０はブートストラップ回路７の出力Vb（＝Vin・2－Vf）である（Ｓ４０２）。この時、チャージポンプ（CP）回路２１の状態３０２は停止状態である。また、入力電圧Vin３０３が昇降圧判定回路１４中の閾値Vth3より高いため、昇降圧判定回路１４の出力の判定信号Vchange３０８はローである。

　昇降圧判定回路１４の出力の判定信号Vchange３０８がローのままで、入力電圧Vin３０３がチャージポンプ（CP）起動判定回路１７中の閾値Vth1より低下したら（もしくは「以下になったら」でもよい）（Ｓ４０３）、チャージポンプ（CP）起動判定回路１７の出力の判定信号 Vst３０４はローからハイになり（Ｓ４０４）、チャージポンプ（CP）回路２１の状態３０２は起動状態になる。この判定信号 Vstにより発振器１９の動作を起動させて、パルス信号Voscの生成を開始し（Ｓ４０５）、チャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcpが上昇する（Ｓ４０６）。

　チャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcpがチャージポンプ（CP）電圧判定回路２０中の閾値Vth2になったら（もしくは「超えたら」でもよい）（Ｓ４０７）、チャージポンプ（CP）電圧判定回路２０の出力の判定信号Vcptestはローからハイになり、チャージポンプ（CP）回路２１の状態３０２が起動状態から動作状態になる（Ｓ４０８）。

　この時、もし入力電圧Vinが昇降圧判定回路１４中の閾値Vth3より低下したら（もしくは「以下になったら」でもよい）（Ｓ４０９）、昇降圧判定回路１４の出力の判定信号Vchange３０８はローからハイになる（Ｓ４１０）。判定信号Vchange３０８とVcptest３０７の両方がハイになったら、電圧切替回路１６の出力電圧Vdriver３１０はブートストラップ回路７の出力電圧Vb（＝Vin・2－Vf）３０９からチャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６に切替える。また、昇降圧判定回路１４の出力の判定信号Vchange３０８がローからハイになるタイミングで、制御回路１３により昇降圧電源の動作状態３０１は降圧から昇圧に切替える（Ｓ４１１）。なお、本実施例では、ブートストラップ回路７はチャージポンプ（CP）１８の出力に切り替わった後でも動作を続けることにしているので、ブートストラップ回路７の出力電圧Vb３０９はゼロにはならないが、入力電圧Vin３０３の低下に伴い出力が低下している。ブートストラップ回路７はチャージポンプ（CP）１８の出力に切り替わった後に、動作を停止するように構成してもよいが、この場合には、ブートストラップ回路の起動タイミングを考慮する必要がある。

　＜２－２．実施の形態１の昇降圧電源の動作状態が昇圧から降圧に切替える時：＞
　図５と図３を参照し、昇降圧電源が昇圧から降圧に切替える動作フローを説明する。昇降圧電源の動作状態が昇圧の時（Ｓ５０１）、スイッチング素子２３をオンさせるゲート電圧Vg、すなわち降圧ドライバ２４の電源電圧Vdriver３１０はチャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６である（Ｓ５０２）。この時、チャージポンプ（CP）回路２１の状態３０２は動作状態である。

　もし入力電圧Vin３０３が昇降圧判定回路１４中の閾値Vth3を超えたら（Ｓ５０３）、昇降圧判定回路１４の出力の判定信号Vchange３０８はハイからローになる。このタイミングで、電圧切替回路１６の出力電圧Vdriver３１０はチャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６からブートストラップ回路７の出力電圧Vb（＝Vin・2－Vf）３０９に切替える（Ｓ５０４）。また、このタイミングで、制御回路１３により昇降圧電源の動作状態３０１は昇圧から降圧に切替える（Ｓ５０５）。また、昇降圧判定回路１４の出力の判定信号Vchange３０８がハイからローに切替える動作によって、チャージポンプ（CP）起動判定回路１７がリセットされ、出力の判定信号Vst３０４がハイからローに切替わる（Ｓ５０６）。この判定信号Vstによって、発振器１９の状態は動作状態から停止状態になり、パルス信号Vosc３０５の生成を停止する（Ｓ５０７）。これによって、チャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６が低下する（Ｓ５０８）。チャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６がチャージポンプ（CP）電圧判定回路２０中の閾値Vth2より下回ったら、チャージポンプ（CP）電圧判定回路２０の出力の判定信号Vcptest３０７はハイからローになり、チャージポンプ（CP）回路２１の状態３０２が動作状態から停止状態になる（Ｓ５０９）。

　＜３．制御閾値の設定例＞
　以下では、チャージポンプ（CP）起動判定回路１７中の閾値Vth1、チャージポンプ（CP）電圧判定回路２０中の閾値Vth2、昇降圧判定回路１４中の閾値Vth3の関係とそれぞれの決め方を述べる。

　ブートストラップ回路７と異なり、チャージポンプ（CP）回路２１を停止から動作状態までさせるため、起動時間がかかる。もし、チャージポンプ（CP）回路２１の起動期間中、昇降圧電源が降圧から昇圧状態に切替え、スイッチング素子２３をオンさせるゲート電圧Vg、すなわち、降圧ドライバ２４の電源電圧Vdriver３１０をブートストラップ回路７の出力電圧Vb３０９からチャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６に切替えると、チャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６がまだ所望の高電圧になっていないため、スイッチング素子２３のオン抵抗が大きくなり、昇降圧電源の効率が低下する。このため、チャージポンプ（CP）起動判定回路１７中の閾値Vth1は昇降圧判定回路１４中の閾値Vth3より高く設定することが好ましい。

　昇降圧判定回路１４中の閾値Vth3は、入力電圧Vinと所望の出力電圧Voの大小関係によって昇降圧電源の動作状態を昇圧と降圧の間に切替える必要な値である。入力電圧Vin３０３が出力電圧Voより高くなると、昇降圧電源の動作状態が降圧、入力電圧Vin３０３が出力電圧Voより低くなると、動作状態が昇圧になる必要がある。このため、昇降圧判定回路１４中の閾値Vth3を所望の出力電圧Voと同じになるように設定すればよい。

　チャージポンプ（CP）起動判定回路１７中の閾値Vth1は、チャージポンプ（CP）回路２１の起動時間、入力電圧Vin３０３の最大低下速度と昇降圧判定回路１４中の閾値Vth3によって決まる。たとえば、チャージポンプ（CP）回路２１の起動時間がＡusであり、入力電圧Vin３０３の最大低下速度がＢ/usである場合。チャージポンプ（CP）起動判定回路１７中の閾値Vth1はVth3＋Ａ・Ｂとなる。

　チャージポンプ（CP）電圧判定回路２０中の閾値Vth2は所望のチャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６の値であり、チャージポンプ（CP）起動判定回路１７中の閾値Vth1と昇降圧判定回路１４中の閾値Vth3の両方より高く設定することが望ましい。所望のチャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６の値は下記の説明により求められる。

　図１の昇降圧電源の課題は、下記の二つの理由で、降圧電源のみの場合に比べ、スイッチング素子３の面積が大きい。

　＜１＞　昇圧時入力電流Iin_boostは降圧時Iin_buckのVo/Vin_boost倍となる。このため、同じ効率を実現するためには、スイッチング素子３の面積が降圧電源のみの場合のVo/Vin_boost倍になる必要がある。

　＜２＞　昇圧と降圧時のスイッチング素子３のゲート・ソース間の電圧Vgs_boostとVgs_buckは、（Vin_boost－Vf＋Vds）と（Vin_buck－Vf＋Vds）になる。このため、同じ効率を実現するためには、昇降圧電源のスイッチング素子３の面積が、降圧電源のみの場合の（Vin_buck－Vf＋Vds）/（Vin_boost－Vf＋Vds）倍になる必要がある。

　たとえば、所望の出力電圧Vo=6V, Vin_boost=5V, Vin_buck=7V, Vf=1V, Vds=0.5V時、
　＜１＞の理由で、スイッチング素子３の面積が降圧電源のみの場合の1.2倍になる必要がある。

　＜２＞の理由で、スイッチング素子３の面積が降圧電源のみの場合の1.4倍になる必要がある。

　理由＜１＞と＜２＞と合わせて、スイッチング素子３の面積が降圧電源のみの場合の1.2・1.4=1.68倍になる必要がある。このため、図１の昇降圧電源のスイッチング素子３の面積を降圧電源のみの場合と同じになるため、理論的に昇圧時のスイッチング素子３のゲート・ソース間の電圧Vgs_boost(4.5V)を降圧時のVgs_buck(6.5V)の1.68倍、10.92Vに向上する必要がある。昇圧時スイッチング素子３のドレイン電圧Vd_boostがVin_boost(5V）であるため、ソース電圧Vs_boostは、Vin_boost(5V)－Vds(0.5V)＝4.5Vになる。従って、昇圧時、必要なスイッチング素子３のゲート電圧VgはVgs_boost(10.92V)＋Vs_boost(4.5V)＝15.42Vになる。

　つまり、図１の昇降圧電源のスイッチング素子３の面積を降圧電源のみの場合と同じになるため、実施の形態１の図２の昇降圧電源の所望のチャージポンプ（CP）１８の出力電圧Vcp３０６の値は15.42Vになる必要がある。この値はチャージポンプ（CP）電圧判定回路２０中の閾値Vth2になる。

　実施の形態１の昇降圧電源を適用すれば、スイッチング素子２３の面積が降圧電源のみの場合と同じになることが可能である。これにより、昇降圧電源のコストの増加を抑制できる。

　以上説明した実施例によれば、昇圧時、スイッチング素子３が常時オンする。本実施の形態によれば、昇降圧電源において、昇圧時、スイッチング素子３を常時オンさせるゲート電圧をチャージポンプ回路で生成する。図１のブートストラップ回路から生成した電圧より高い電圧でスイッチング素子３のオンを駆動するため、スイッチング素子３の面積の削減ができる。

　本実施例では、ブートストラップ回路のように、電流駆動能力が高く出力電圧レベルが低い回路と、チャージポンプ回路のように、電流駆動能力が低く出力電圧レベルが高い回路を、昇圧時と降圧時に使い分ける。

　昇圧時には、降圧スイッチ２３（トランジスタ）を常時オンにする必要がある。ブートストラップ回路で、低くなっている電源（例えばバッテリ）電圧をトランジスタのゲート電圧に必要な電圧まで昇圧する場合、昇圧時のオン抵抗の要求を満足するためには、降圧スイッチ２３の面積を大きくする必要がある。一方、チャージポンプ回路は、降圧スイッチ２３の面積を大きくすることなく、昇圧時にトランジスタ（降圧スイッチ２３）を常時オンするために十分なゲート電圧を供給することが可能である。

　降圧時には、降圧スイッチ２３（トランジスタ）をスイッチング動作させる必要がある。スイッチング動作では常時オン動作とは異なりインダクタ９で電流を消費するので、チャージポンプ回路では電流駆動能力を大きくする必要がある。そのため、大容量の外付けコンデンサが必要となる。一方、ブートストラップ回路は、出力電圧レベルは低いが、電源（例えばバッテリ）電圧が高い降圧時には問題にならない。さらに、降圧時にトランジスタ（降圧スイッチ２３）をスイッチングするために十分な電流駆動能力を有するため、コンデンサを大きくする必要がない。

　以上の理由により、本実施例ではブートストラップ回路７とチャージポンプ回路２１の出力を、昇圧動作時と降圧動作時で切り替えて用いる。

　＜４．降圧スイッチの構成例＞
　降圧スイッチ２３の他の具体的な構成例として、並列に接続された第1のスイッチング素子とこれより素子の面積が小さい第2のスイッチング素子を用いるように構成してもよい。この場合には、昇圧部が動作する時、チャージポンプ回路１８の電圧で第1のスイッチング素子をオンし、降圧部が動作する時、ブートストラップ回路７の電圧で第2のスイッチング素子をオンする。昇圧時と降圧時に適したスイッチング特性が得られる。

　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができる。

　スイッチング電源に関し、特にマイコン用電圧を生成する車載用昇降圧電源等に利用することができる。

１、１５　降圧部
２　昇圧部
３、１１、２３　スイッチング素子
４、２４　降圧ドライバ
５、８、１０　ダイオード
６、１２１　コンデンサ
７　ブートストラップ回路
９　インダクタ
１３　制御回路
１４　昇降圧判定回路
１６　電圧切替回路
１７　チャージポンプ起動判定回路
１８　チャージポンプ
１９　発振器
２０　チャージポンプ電圧判定回路
２１　チャージポンプ回路
２２　ゲート電圧生成回路

Vin 昇降圧電源の入力電圧
Vin_boost　昇圧時、昇降圧電源の入力電圧
Vin_buck　降圧時、昇降圧電源の入力電圧
Vo　昇降圧電源の出力電圧
Vst, Vcptest, Vchange　判定信号
Vosc　パルス信号
Vdriver　降圧ドライバ２４の電源電圧
Vcp　チャージポンプ１８の出力電圧
Vb　ブートストラップ回路７の出力電圧
Vc_buck, Vc_boost　制御回路の出力信号
Vg　スイッチング素子３と２３のゲート電圧
Vd　スイッチング素子３と２３のドレイン電圧
Vd_boost　昇圧時、スイッチング素子３と２３のドレイン電圧
Vs　スイッチング素子３と２３のソース電圧
Vs_boost　昇圧時、スイッチング素子３と２３のソース電圧
Iin　昇降圧電源の入力電流
Iin_boost　昇圧時、昇降圧電源の入力電流
Iin_buck　降圧時、昇降圧電源の入力電流
Vf　ブートストラップ回路７のダイオード５のフォーワード電圧値
Vgs　スイッチング素子３と２３のゲートとソース間の電圧
Vgs_boost　昇圧時、スイッチング素子３と２３のゲートとソース間の電圧
Vgs_buck　降圧時、スイッチング素子３と２３のゲートとソース間の電圧
Vds　スイッチング素子３と２３のドレインとソース間の電圧

Claims

　昇降圧電源であって、
　前記昇降圧電源の入力電圧が一端に印加される降圧スイッチのオンオフにより、前記入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧部と、
　グランドが一端に印加される昇圧スイッチのオンオフにより、前記入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧部と、
　前記降圧スイッチのゲート電圧を制御する降圧ゲート電圧制御回路と、を備え、
　前記降圧ゲート電圧制御回路は、
　前記降圧スイッチをオンするための第１の電圧と第２の電圧を生成するゲート電圧生成回路と、
　前記第１の電圧と前記第２の電圧間を切り替えるゲート電圧切替回路を有し、
　前記ゲート電圧生成回路は、
　前記第１の電圧を生成する第１電圧源と前記第２の電圧を生成する第２生成電圧源を有することを特徴とする昇降圧電源。
　昇降圧電源であって、
　前記昇降圧電源の入力電圧が一端に印加される降圧スイッチのオンオフにより、前記入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧部と、
　グランドが一端に印加される昇圧スイッチのオンオフにより、前記入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧部と、
　前記降圧スイッチのゲート電圧を制御する降圧ゲート電圧制御回路と、を備え、
　前記降圧ゲート電圧制御回路は、
　前記降圧スイッチをオンするための第１の電圧と第２の電圧を生成するゲート電圧生成回路と、
　前記第１の電圧と前記第２の電圧間を切り替えるゲート電圧切替回路を有し、
　前記ゲート電圧生成回路は、
　前記第１の電圧を生成する第１生成回路と前記第２の電圧を生成する第２生成回路を有し、
　前記第２生成回路が駆動できる負荷電流が前記第１生成回路よりも大きいことを特徴とする昇降圧電源。
　前記ゲート電圧切替回路は、前記昇圧部が動作する時、
　前記降圧スイッチをオンするための電圧が前記第１の電圧に切替わり、
　前記降圧部が動作する時、
　前記降圧スイッチをオンするための電圧が前記第２の電圧に切替わることを特徴とする
　請求項２記載の昇降圧電源。
　前記ゲート電圧生成回路は、前記昇圧部が動作する時、
　前記第２生成回路から生成した前記第２の電圧の電圧レベルが、
　前記第１生成回路が生成した第１の電圧の電圧レベル以下となることを特徴とする
　請求項２記載の昇降圧電源。
　前記第１生成回路はチャージポンプ回路から構成され、
　前記第２生成回路がブートストラップ回路から構成されることを特徴とする
　請求項２記載の昇降圧電源。
　前記入力電圧が前記出力電圧に相当する第一電圧閾値以下のとき、
　前記昇圧部が動作し、
　前記入力電圧が前記第一電圧閾値よりも大きいとき、
　前記降圧部が動作することを特徴とする
　請求項２記載の昇降圧電源。
　前記降圧スイッチとして、
　並列に接続された第１のスイッチング素子とこれより素子の面積が小さい第２のスイッチング素子を用い、
　前記昇圧部が動作する時、前記第１の電圧で前記第１のスイッチング素子をオンし、
　前記降圧部が動作する時、前記第２の電圧で前記第２のスイッチング素子をオンすることを特徴とする
　請求項２記載の昇降圧電源。
　前記入力電圧が第二電圧閾値より低下した時、
　前記第１生成回路が動作し、
　前記入力電圧が第一電圧閾値より上昇した時、
　前記第１生成回路が停止し、
　前記第二電圧閾値が前記第一電圧閾値よりも大きいことを特徴とする
　請求項２記載の昇降圧電源。
　前記ゲート電圧切替回路は、
　前記入力電圧が前記出力電圧に相当する第一電圧閾値以下になり、前記第１生成回路から生成した電圧が前記第１の電圧になった時、
　前記降圧スイッチをオンするための電圧が前記第１の電圧に切替わり、
　前記入力電圧が前記第一電圧閾値よりも大きい時、
　前記降圧スイッチをオンするための電圧が前記第２の電圧に切替わることを特徴とする
　請求項２記載の昇降圧電源。
　前記ゲート電圧切替回路は、
　前記第１生成回路を起動するために、出力がLowからHighに遷移する起動判定回路と、
　前記第１生成回路から生成した電圧が前記第１の電圧になった場合に出力がLowからHighに遷移する電圧判定回路と、
　前記入力電圧が前記出力電圧に相当する第一電圧閾値以下になり、かつ、前記電圧判定回路の出力がLowからHighになった場合に、出力がLowからHighに遷移する昇降圧判定回路と、
　を備え、
　前記昇降圧判定回路の出力がHighからLowに切替える動作によって、前記起動判定回路がリセットされ、出力がHighからLowに切替わることにより、前記第１生成回路の状態は動作状態から停止状態になる、
　請求項９記載の昇降圧電源。
　入力電圧から出力電圧を生成する昇降圧電源であって、前記入力電圧を昇圧する昇圧部と、前記入力電圧を降圧する降圧部を備え、
　前記降圧部は、前記入力電圧が第１の端子に供給される半導体トランジスタからなる降圧スイッチと、
　前記降圧スイッチのゲート電圧を、出力電圧レベルの異なる第１の回路と、該第１の回路とは異なる第２の回路を切り替えて供給する降圧ゲート電圧制御回路と、
　を備える、電源回路。
　前記入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧動作時において、前記降圧スイッチを常時ＯＮとし、
　前記入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧動作時において、前記降圧スイッチをスイッチング動作させ、
　前記降圧ゲート電圧制御回路は、
　前記昇圧動作時においては、前記第１の回路からの第１のレベルの電圧を前記降圧スイッチのゲート電圧として供給し、
　前記降圧動作時においては、前記第１の回路と異なる前記第２の回路から、前記第１のレベルより低い第２のレベルの電圧を前記降圧スイッチのゲート電圧として供給する、
　請求項１１記載の電源回路。
　前記入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧動作時において、前記降圧スイッチを常時ＯＮとし、
　前記入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧動作時において、前記降圧スイッチをスイッチング動作させ、
　前記降圧ゲート電圧制御回路は、
　前記昇圧動作時においては、前記第１の回路であるチャージポンプ回路から前記降圧スイッチのゲート電圧を供給し、
　前記降圧動作時においては、前記第２の回路であるブートストラップ回路から前記降圧スイッチのゲート電圧を供給する、
　請求項１１記載の電源回路。
　前記降圧スイッチの第２の端子にインダクタが接続され、
　前記昇圧部は昇圧スイッチを備え、
　前記昇圧スイッチの第１の端子が接地電位に接続され、第２の端子が前記インダクタに接続され、前記第２の端子と前記インダクタの接続点が前記出力電圧を得る出力端子に接続され、
　前記降圧スイッチと前記昇圧スイッチの動作を制御する制御回路を備え、
　前記制御回路は、
　　前記入力電圧よりも低い出力電圧を生成する降圧動作時において、
　　前記降圧スイッチをスイッチング動作させるとともに、前記昇圧スイッチを常時ＯＦＦとし、
　　前記入力電圧よりも高い出力電圧を生成する昇圧動作時において、
　　前記昇圧スイッチをスイッチング動作させるとともに、前記降圧スイッチを常時ＯＮとするように制御を行い、
　前記降圧ゲート電圧制御回路は、
　前記昇圧動作時においては、前記第１の回路であるチャージポンプ回路から前記降圧スイッチのゲート電圧を供給し、
　前記降圧動作時においては、前記第２の回路であるブートストラップ回路から前記降圧スイッチのゲート電圧を供給する、
　請求項１１記載の電源回路。
　前記第２の回路は、前記第１のレベルより低い第２のレベルの電圧を前記降圧スイッチのゲート電圧として供給し、
　前記第２の回路は前記第１の回路よりも、電流駆動能力が高く、かつ、出力電圧レベルが低く、
　前記第１の回路と前記第２の回路は、入力と出力がそれぞれ独立している、
　請求項１２記載の電源回路。