JP2003507997A - Ｄｃ／ｄｃアップダウンコンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コイル（Ｌ）と、第１の入力端（２０）とコイル（Ｌ）との間に置かれる第１のスイッチ手段（Ｓ１）と、コイル（Ｌ）と第２の入力端（２１）との間に置かれる第２のスイッチ手段（Ｓ２）と、コイル（Ｌ）と第１の出力端（３０）との間に置かれる第３のスイッチ手段（Ｓ３）と、第３のスイッチ手段（Ｓ３）と第２の出力端（３１）との間に置かれる第４のスイッチ手段（Ｓ４）と、スイッチ手段（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を制御する制御手段（１１）と、を備え、制御手段（１１）はスイッチ手段（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を３段階変換サイクルで制御するよう構成され、第１段階（Φ１）では、第１のスイッチ手段（Ｓ１）および第４のスイッチ手段（Ｓ４）は導通状態に、また第２のスイッチ手段（Ｓ２）および第３のスイッチ手段（Ｓ３）は非導通状態に置かれ、第２段階（Φ２）では、第１のスイッチ手段（Ｓ１）および第３のスイッチ手段（Ｓ３）は導通状態に、また第２のスイッチ手段（Ｓ２）および第４のスイッチ手段（Ｓ４）は非導通状態に置かれ、第３段階（Φ３）では、第２のスイッチ手段（Ｓ２）および第３のスイッチ手段（Ｓ３）は導通状態に、また第１のスイッチ手段（Ｓ１）および第４のスイッチ手段（Ｓ４）は非導通状態に置かれる、ことを特徴とする、ＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータ（１０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、第１及び第２の入力端、第１及び第２の出力端、コイル、動作可能
に接続され前記第１の入力端から前記コイルへのパスを成す第１のスイッチ手段
と、動作可能に接続され前記第１のスイッチ手段および前記コイルから前記第２
の入力端へのパスを成す第２のスイッチ手段と、動作可能に接続され前記コイル
から前記第１の出力端へのパスを成す第３のスイッチ手段と、動作可能に接続さ
れ前記コイルおよび前記第３のスイッチ手段から前記第２の出力端へのパスを成
す第４のスイッチ手段と、動作可能に接続され前記スイッチ手段を制御する制御
手段と、基準電圧を供給する基準電圧手段と、前記出力端の出力電圧と前記基準
電圧との比較結果に応じて前記制御手段に比較信号を送るコンパレータ手段と、
を備えるＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータに関する。

【０００２】 この種のＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータは本出願人による国際特許出願Ｗ
Ｏ９５／３４１２１により、知られている。

【０００３】 この公知のスイッチＤＣ／ＤＣコンバータは、いわゆるブースト及びバック（
ｂｕｃｋ）コンバータの組み合わせである。ブーストモードにおいては、第１の
スイッチ手段は導通状態、すなわち、閉じた状態にあり、第２のスイッチ手段は
非導通状態、すなわち、開いた状態にある。第３及び第４のスイッチ手段は入力
端に印加される入力電圧をアップコンバートするために動作する。

【０００４】 バックモードにおいては、第３のスイッチ手段は閉じられ、第４の手段は開か
れ、第１及び第２のスイッチ手段の動作との協働により、入力電圧はダウンコン
バートされ、入力電圧より低い出力電圧が出力される。

【０００５】 「ダイレクト」コンバータは、第１及び第３のスイッチ手段を閉じ、第２及び
第４のスイッチ手段を開くことにより、入力端に印加される入力電圧をダイレク
トに出力端につなぐことで実現される。

【０００６】 電圧調整のため、公知のＤＣ／ＤＣコンバータは、第１（高）および第２（低
）基準電圧によって決まる基準電圧ウィンドウに従って、３つのとり得る様式、
すなわちブーストモード、バックモードおよびダイレクトモードを個別に切り替
える。ダイレクトコンバータモードにおいて出力電圧が第２（低）基準電圧より
低くなったときには、コンバータはブーストモードで動作するよう切り替えられ
る。ダイレクトコンバータモードにおいて出力電圧が第１（高）基準電圧より高
く上昇したときには、コンバータはバックモード構成に切り替えられる。コンバ
ータの切り替え動作のために、低周波（ＬＦ）電圧リップルが出力電圧に生じる
。

【０００７】 実際には、供給電圧による影響が大きい多くの適用例においては、基準電圧ウ
ィンドウによって引き起こされるＬＦ電圧リップルは容認できないことがわかっ
ている。

【０００８】 従って、本発明は、コンバータの切り替え制御による出力電圧リップルが小さ
い、改良されたＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータを提供することを目的とする
。

【０００９】 本発明によれば、この目的は、三段階変換サイクルでスイッチ手段を制御する
よう構成される制御手段において、 第１段階では、第１スイッチ手段および第４スイッチ手段は導通状態におかれ
、また第２スイッチ手段および第３スイッチ手段は非導通状態におかれており、 第２段階では、第１スイッチ手段および第３スイッチ手段は導通状態におかれ
、また第２スイッチ手段および第４スイッチ手段は非導通状態におかれており、 第３段階では、第２スイッチ手段および第３スイッチ手段は導通状態におかれ
、また第１スイッチ手段および第４スイッチ手段は非導通状態におかれる、 ため、達成できる。

【００１０】 コンバータのアップコンバートセクション及びダウンコンバートセクションを
別々にまた独立して用いる代わりに、本発明のコンバータは、スイッチ手段の連
結３段階制御を行っている。本発明の３段階制御によれば、コンバータの出力電
圧を制御するための電圧ウィンドウが必要ないため、妨害的な出力電圧リップル
がより小さくなる。

【００１１】 本発明の更なる実施例では、すべてのスイッチ手段が非導通状態におかれる
第４段階を加えることにより、コンバータを、コイルからの電流がゼロにならな
い、連続的なＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）モード
、およびコイルからの電流がゼロになるＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃ
ｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）モードで動作させることができる。ＰＷＭモードで
は、第４段階の持続時間はゼロであるのに対し、ＰＦＭモードでは、第４段階は
コイルを通る電流がゼロになるウェイト期間（待ち時間）をもたらす。このよう
に、ＰＷＭには長さが零のウェイトサイクルがあり、ＰＦＭには長さが零でない
ウェイトサイクルがある。ＰＦＭとＰＷＭの切り替えは自動的に行われる。ウェ
イトサイクルの長さがモードの種類を決定する。

【００１２】 本発明の好適な実施例では、第１段階と第２段階の持続時間は固定してあり、
第３段階の持続時間は出力電圧調整のため変動的である。

【００１３】 ＰＦＭすなわち非連続的モードでは、第３段階は所定の長さで終わるか、また
はコイルを流れる電流がゼロになったときに終わる。そして、制御手段は出力電
圧が基準レベル以下になるまで待ち、第１段階から新しい変換サイクルをスター
トする。

【００１４】 好ましくは、スイッチ手段としてはＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ手段が用いられ、その制御端子（ゲート）
がトランジスタの開閉状態を制御する制御手段と接続される。

【００１５】 本発明の更なる実施例では、第２のスイッチ手段は第１のダイオードと置き
換えられ、第２の入力端から第１のスイッチ手段およびコイルへのパスを成し、
第３のスイッチ手段は第２のダイオードと置き換えられ、コイルから第１の出力
端へのパスを成している。

【００１６】 第２及び第３のスイッチ手段は任意的なものであるが、用いられる場合にお
いては、これらのスイッチは、導通状態にあるときの電圧降下が無いか、あるい
はダイオードと比べてかなり少ないため、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率
を増す。実際の実施状態において、特にＭＯＳトランジスタがスイッチ手段とし
て用いられているときには、第２及び第３のスイッチ手段を保護するため、第２
のスイッチ手段と第１のダイオード、および第３のスイッチ手段と第２のダイオ
ードをそれぞれ並列に接続することにより、効果を得られることが、当業者であ
れば十分理解できるであろう。

【００１７】 好ましくは、本発明によるＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータは出力端をつ
なぐ平滑コンデンサが用いられる。

【００１８】 本発明は、上述のＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータを備え、第１及び第２の
入力端に入力電圧を入力し、第１及び第２の出力端から出力電圧を出力する電源
装置にも適用される。

【００１９】 本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータは、携帯用電子機器、例えば、これに限ら
れないが、カメラチップなどに適用されたときに特に効果的である。

【００２０】 添付の図面に従い、本発明をより詳細に説明する。

【００２１】 図１の、従来のＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータは、基本的にはブースト及
びバックコンバータの組み合わせである。

【００２２】 第１のスイッチ手段Ｓ１と第２のスイッチ手段Ｓ２とは、第１の入力端２０と
第２の入力端２１との間に直列につながれている。第３のスイッチ手段Ｓ３と第
４のスイッチ手段Ｓ４とは、第１の出力端３０と第２の出力端３１との間に直列
につながれている。コイルＬは、第１及び第２のスイッチ手段Ｓ１及びＳ２の接
続点と、第３及び第４のスイッチ手段Ｓ３及びＳ４の接続点との間に接続されて
いる。第１のダイオードＤ１は、第２のスイッチ手段Ｓ２と並列接続され、第２
の入力端２１からの電流パスを成している。第２のダイオードＤ２は、第３のス
イッチ手段Ｓ３と並列接続され、コイルＬと第１の出力端３０との間のパスを成
している。平滑コンデンサＣは、第１及び第２の出力端３０及び３１と並列接続
されている。第２の入力端２１と第２の出力端３１とは、共通のパスにより、例
えば、接地しているか、あるいは多くの電子機器に接続されている。

【００２３】 ＷＯ９５／３４１２１に開示されているように、コンバータ１は入力端２０及
び２１への入力電圧Ｖｉに応じて、出力端３０および３１に調整された出力電圧
Ｖｏを供給するように動作する。このために、第１（高）基準電圧レベル及び第
２（低）基準電圧レベルによって定められる電圧基準ウィンドウが与えられる。
この回路は、出力電圧Ｖｏが基準ウィンドウ内におさまっているときには第１及
び第３のスイッチ手段Ｓ１及びＳ３が導通状態に切り替えられ、第２及び第４の
スイッチ手段Ｓ２及びＳ４が非導通状態に切り替えられるダイレクト変換モード
が維持される。

【００２４】 出力電圧が低い方の基準電圧より低くなると、コンバータ１は、第１のスイッ
チ手段が閉じられ（すなわち導通状態になり）、第２のスイッチ手段が開かれ（
すなわち非導通状態になる）たブーストコンバータ構成に切り替えられる。第３
及び第４のスイッチ手段Ｓ３及びＳ４は、コイルＬのエネルギーが増加し、結果
として出力電圧Ｖｏが入力電圧Ｖｉより高くなるように切り替えられる。

【００２５】 ダイレクトコンバータモードの出力電圧Ｖｏが高い方の基準電圧より高くなる
と、コンバータ１はバックコンバータ構成に切り替えられ、第３のスイッチ手段
Ｓ３は閉じられ、第４のスイッチ手段Ｓ４は開かれる。第１及び第２のスイッチ
手段Ｓ１及びＳ２は、コイルＬのエネルギーがほとんど増加せず、よって出力電
圧Ｖｏがしだいに低くなるように切り替えられる。

【００２６】 図２は、本発明による単一参照ＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータ１０が実装
されているところを表す回路図であり、説明上破線で表された電子機器１６、例
えば携帯型ビデオカメラにおいて、制御手段１１がそれぞれのスイッチ手段Ｓ１
、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に動作可能に接続されている。コンパレータ手段１３は、第
１の出力端３０における出力電圧Ｖｏと、基準電圧手段１２に与えられるまたは
基準電圧手段１２から与えられる基準電圧Ｖｒとを比較することにより、制御信
号を制御手段１１に与える。

【００２７】 制御手段１１は、スイッチ手段Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を別々に導通状態、
または非導通状態に切り替えるよう構成されている。ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘ
ｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタスイッチ手段の場合は、制
御手段１１は、適当な制御電圧をそれぞれのＭＯＳトランジスタのゲート端子に
与えるように構成されている。好ましくは、第１及び第３のスイッチ手段はＰＭ
ＯＳトランジスタで、第２及び第４のスイッチ手段はＮＭＯＳトランジスタとし
て構成されるとよい。ＮＭＯＳトランジスタの代わりにＰＭＯＳトランジスタを
使用することにより、このトランジスタを作動させるために、ゲート電圧が電源
装置の出力電圧より大きい必要がなくなるという効果がある。

【００２８】 出力端３０及び３１には、電子機器１６の負荷１５が接続される。入力端２０
および２１には、例えばバッテリのような電圧源手段１４が接続される。

【００２９】 本発明によれば、コンバータ１０における標準的な変換サイクルは、第１及び
第４のスイッチ手段が閉じられ、第２及び第３のスイッチ手段が開かれる第１段
階Φ１を有し、結果として図３ａの回路となる。この第１段階Φ１の間、コイル
電流は増し、出力端に送られるエネルギーはない。

【００３０】 第２段階Φ２では、第１のスイッチ手段Ｓ１および第３のスイッチ手段Ｓ３は
閉じられ、第２のスイッチ手段Ｓ２および第４のスイッチ手段Ｓ４は開かれる。
その結果が図３ｂの回路図に示される。この段階の間、コイル電流は安定してお
り、エネルギーが出力端に送られる。

【００３１】 第３段階Φ３では、第１のスイッチ手段Ｓ１および第４のスイッチ手段Ｓ４が
開かれ、第２のスイッチ手段Ｓ２および第３のスイッチ手段Ｓ３が閉じられる。
この段階の間、図３ｃに示されるように、エネルギーは出力端に送られるが、入
力端からエネルギーが供給されないためコイル電流は減少する。

【００３２】 コンバータ１０が連続導通モードすなわちＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ
Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）モードであるときの、出力端３０及び３１の出力電圧Ｖ
ｏと、コイルＬを流れる電流ＩＬが図４のグラフに表されている。

【００３３】 第１段階Φ１の間、コイル電流ＩＬは増加し、第２段階Φ２の間はだいたい一
定であり続ける。第３段階Φ３では、コイル電流ＩＬは減少し、結果として出力
電圧Ｖｏが減少する。出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒよりも低くなると、コンバー
タは第１段階などに切り替わる。第３段階における出力電圧Ｖｏの負の勾配は、
平滑キャパシタＣの等価直列抵抗（ＥＳＲ）と、もちろん、負荷１５の電力消費
の変動によるものである。

【００３４】 図４は、コイルＬを流れる電流ＩＬがゼロである、非連続モードすなわちＰＦ
Ｍ（Ｐｕｌｓｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）モードにおける
出力電圧Ｖｏとコイル電流ＩＬを表す。

【００３５】 本発明の実施例では、第１段階Φ１および第２段階Φ２の持続時間は固定して
いるが、第３段階Φ３は出力電圧Ｖｏを調整するために使われる。持続的なＰＷ
Ｍモードでは、出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒより低くなり、コンパレータ手段１
３がこれを検知すると、第３段階Φ３は終了する。そして、第１段階などから、
新しい変換サイクルが始まる。

【００３６】 非連続なＰＦＭモードでも、同様の原理が適用される。この場合、第１及び第
２の段階Φ１、Φ２の持続時間は固定されている。第３段階は、あらかじめ定め
られた長さで終了するか、あるいはコイル電流ＩＬがゼロになったときに終了す
る。このとき、制御手段１１は、出力電圧Ｖｏが基準電圧レベルＶｒより低くな
るまですべてのスイッチ手段が開かれている第４段階であり続け、その後新しい
変換サイクルが第１段階Φ１から始まる。

【００３７】 図６は、制御手段１１の動作を示す制御状態図である。

【００３８】 この図からわかるとおり、ＰＷＭすなわち持続モードの時、コンバータは第１
、第２および第３段階を有するが、ＰＦＭすなわち非連続モードでは、コイルを
流れる電流ＩＬがゼロになるか、あらかじめ定められた第３段階Φ３の持続時間
の終了後にウェイティング段階として第４段階が導入される。

【００３９】 図７は、本発明によるＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータ１０の各段階と、ス
イッチ手段の位置、すなわち状態の関係を表す表である。「オン」では、特定の
スイッチ手段が閉じられ導通状態に切り替えられ、「オフ」では、特定のスイッ
チ手段が開かれ非導通状態になる。

【００４０】 第２のスイッチ手段Ｓ２および第３のスイッチ手段Ｓ３を省き、それぞれ第１
のダイオードＤ１および第２のダイオードＤ２と差し替えることもできる。しか
し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の電力変換効率を増すために、第１及び第２のダ
イオードＤ１及びＤ２における比較的大きな電圧降下を避けることが望ましいた
め、第２及び第３のスイッチ手段Ｓ２及びＳ３の方が好ましい。

【００４１】 本発明は、３段階または４段階の変換サイクルを提供することにより、単一の
基準電圧のみを必要とし、従来の基準電圧ウィンドウコンバータ回路に比べて、
調整された出力電圧ＶｏにおけるＬＦ（Ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）リップル
がより小さい、連結ＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータを提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータの回路図。

【図２】 本発明によるＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータが電子機器に用いられている
例を示す回路図。

【図３】 本発明によるＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータの３段階変換構成を表す回路
図。

【図４】 連続モードで動作する本発明によるＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータの３段
階変換構成の出力電圧とコイル電流とを表すグラフ。

【図５】 非連続モードで動作する本発明によるＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータの３
段階変換構成の出力電圧とコイル電流とを表すグラフ。

【図６】 本発明によるＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータの制御状態図。

【図７】 本発明によるＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータの段階とスイッチ駆動の関係
を表す表。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H730 AS01 AS04 AS05 BB13 BB14 BB57 BB83 BB86 BB88 FD01 FG05 FG07 【要約の続き】 のスイッチ手段（Ｓ３）は導通状態に、また第１のスイ ッチ手段（Ｓ１）および第４のスイッチ手段（Ｓ４）は 非導通状態に置かれる、ことを特徴とする、ＤＣ／ＤＣ アップダウンコンバータ（１０）。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１及び第２の入力端と、 第１及び第２の出力端と、 コイルと、 動作可能に接続され、前記第１の入力端から前記コイルへのパスを成す、第１
   のスイッチ手段と、 動作可能に接続され、前記第１のスイッチ手段および前記コイルから前記第２
   の入力端へのパスを成す、第２のスイッチ手段と、 動作可能に接続され、前記コイルから前記第１の出力端へのパスを成す、第３
   のスイッチ手段と、 動作可能に接続され、前記コイルおよび前記第３のスイッチ手段から前記第２
   の出力端へのパスを成す、第４のスイッチ手段と、 動作可能に接続され、前記スイッチ手段を制御する、制御手段と、 基準電圧を供給する基準電圧手段と、 前記出力端での出力電圧と前記基準電圧との比較に応じて前記制御手段に比較
   信号を送る、コンパレータ手段と、 を備え、 前記制御手段１１は３段階の変換サイクルで前記スイッチ手段を制御するよう
   構成され、 第１段階では、前記第１のスイッチ手段および前記第４のスイッチ手段は導通
   状態に、また前記第２のスイッチ手段および前記第３のスイッチ手段は非導通状
   態におかれ、 第２段階では、前記第１のスイッチ手段および前記第３のスイッチ手段は導通
   状態に、また前記第２のスイッチ手段および前記第４のスイッチ手段は非導通状
   態におかれ、 第３段階では、前記第２のスイッチ手段および前記第３のスイッチ手段は導通
   状態に、また前記第１のスイッチ手段および前記第４のスイッチ手段は非導通状
   態におかれる、 ことを特徴とする、ＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータ。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記スイッチ手段を非導通状態にする第４段階を含むよう構
   成されていることを特徴とする、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣアップダウンコン
   バータ。
3. 【請求項３】 第１段階および第２段階は固定長であり、第３段階は出力電圧を調整するため
   に可変長であることを特徴とする、請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣアップ
   ダウンコンバータ。
4. 【請求項４】 前記スイッチ手段は半導体スイッチ手段、特にＭＯＳ（Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｏ
   ｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ手段を有することを特徴
   とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータ
   。
5. 【請求項５】 前記第２のスイッチ手段は第１のダイオードに置き換えられ、前記第２の入力
   端から前記第１のスイッチ手段および前記コイルへのパスを成し、 前記第３のスイッチ手段は第２のダイオードに置き換えられ、前記コイルから
   前記第１の出力端へのパスを成す、 ことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. 【請求項６】 前記第１及び第２の出力端と並列接続されるコンデンサをさらに備えることを
   特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣアップダウンコンバ
   ータ。
7. 【請求項７】 前記請求項１乃至６のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータを
   備え、前記第１及び第２の入力端に入力電圧を入力し、前記第１及び第２の出力
   端から出力電圧を出力するよう構成される、電源装置。
8. 【請求項８】 請求項１乃至６のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣアップダウンコンバータを備え
   る携帯型電子機器。