JPH0353861B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明はいわゆる降圧形チヨツパの原理を用い
て電圧が変動しうる直流電源から高精度の直流定
電圧を得る直流電圧変換回路、いわゆる降圧チヨ
ツパ形のDC−DCコンバータ回路に関する。

〔従来技術とその問題点〕

この種の電圧変換回路は、出力電圧として電源
電圧よりも低い電圧値しか得られない制限はある
が、動作原理が簡単で回路構成も比較的簡単です
むために種々の電子装置用あるいは電子回路内の
直流定電圧電源として多用されて来た。しかし、
これを実用化して見るとその回路の動作性能や安
定性において必ずしも満足すべきものでもなく、
また量産されるべき定電圧電源装置としては回路
構成上必ずしも簡単といえない点があり、従つて
まだ高価につく問題点が残つている。これを第５
図および第６図を用いて説明する。

第５図の一点鎖線で囲まれた範囲がこの種の電
圧変換回路であつて、電源１の電圧Eiを鎖線で示
されたように入力して負荷２に定電圧Eoを出力
する。電源１から負荷２へ向かう負荷電源回路に
は、スイツチング作用をするトランジスタ３とリ
アクトル４とが直列接続されており、電源電圧Ei
が変動してもリアクトル４内の電圧降下の値がこ
れを補償して負荷２には定電圧Eoが出力される。
出力側には比較的大容量のキヤパシタ５が負荷に
並列に接続され出力電圧Eoを安定化させる。６
はトランジスタ３が断となつたときに導通して、
リアクトル４内の蓄積エネルギを電流の形で負荷
に供給するための回路の帰路を形成するためのい
わゆるフリーホイーリング作用をするダイオード
である。

図の下方には出力電圧レベルを設定するための
基準電源７が示されており、これに対応する出力
電圧の実際値Voは出力電圧Eoを分圧する２個の
抵抗８ａ，８ｂの相互接続点から取られている。
９ａは回路全体の振制御作用の源泉となるヒステ
リシス回路であつて、その上方に示された差動な
いしは比較動作をする演算増幅器９ｂ出力、すな
わちトランジスタ３への開閉指令と基準電源７が
発する基準電圧Ｅとを受け、基準電圧Ｅの上下に
ある電圧幅ΔVをもちかつ開聞指令に同期してそ
のレベルが変化するヒステリシス電圧Vhを発す
る。この電圧Vhの波形が第６図ａの鎖線で示さ
れている。演算増幅器９ｂはこのヒステリシス電
圧Vhと前述の実際値Voとを受け、前者が後者を
上回る間はトランジスタ３をオンし、逆の期間に
はオフさせる開閉指令SSを発する。第６図ｂに
見られるようにヒステリシス電圧Vhが矩形波で
あるのに対して、実際値Voはトランジスタ３の
オン動作に応じて立ち上がり、オフ動作に応じて
立ち下がる三角波の波形をとり、両電圧波形Vh，
Voの交点で演算増幅器９ｂが反転し、同図ｂに
示す開閉指令SSがが発しられ、これに応じてト
ランジスタ３がオンオフ動作される。

いま、出力電圧Eoがなんらかの影響で正規の
レベルより上がつたとすると、第６図ａに示され
た実際値Voのレベルがこれに応じて一点鎖線で
示すように上がり、そのヒステリシス電圧Vhの
上限線との交点、すなわちトランジスタ３をオフ
を決める時点が早まり、ヒステリシス電圧Vhの
下限線との交点で決まるトランジスタのオン時点
が遅くなる。すなわち、出力電圧Eoが正規レベ
ルより高いと、トランジスタ３のオン時間は短く
オフ時間は長くなり、これによつて出力電圧Eo
が低められる。もちろん、出力電圧Eoが逆に正
規レベルより下がると、それを上げるようにトラ
ンジスタ３のオン時間が長くオフ時間が短くな
る。このようにして、出力電圧Eo従つてその実
際値Voは、基準電圧Ｅの上下ΔVの幅の間に納め
られ、出力電圧Eoは電源電圧Eiが変動しても若
干の脈動分を含む定電圧値に保たれる。

しかし、このような従来回路ではヒステリシス
回路９ａが発するヒステリシス幅すなわち前述の
上下限幅ΔVが変動しやすく、これに応じて回路
の制御性能が変動しやすい。すなわち、該ヒステ
リシス回路９ａは演算増幅器９ｂと閉ループを形
成しており、演算増幅器９ｂには制御性能を上げ
るために数千ないし数万の高ゲインのものが用い
られるので、その僅かな特性変化によつてヒステ
リシス幅ΔVが変動し、従つて出力電圧の定電圧
精度が影響されやすい。よく知られているように
演算増幅器のゲインはとくに高ゲイン時において
温度などの影響を受けやすい。また、容易にわか
るようにヒステリシス幅ΔVが変わると、開閉指
令SS従つてトランジスタ３のオンオフの周期も
変わつて来るから、電圧変換回路の動作周波数も
変動しやすいことになる。

このように動作の安定性上に問題があるほか、
電圧変換回路の量産にあたつてはヒステリシス回
路９ａがまだ複雑で費用が掛り過ぎる問題があ
る。しかし、この種の回路では電圧制御上の上下
限としてのヒステリシス電圧ΔVの設定を原理上
省くことはできず、なんらかの改善手段の必要が
感じられていた。

〔発明の目的〕

上述の事情に基づき、本発明は降圧チヨツパ形
の直流電圧変換回路の動作を安定化しかつ構成を
簡単化することを目的とする。

〔発明の要点〕

上記の目的達成のため本発明回路においては、
出力電圧制御上の上下限およびその間の幅を設定
するために専用のヒステリシス回路を用いること
をやめ、電源から負荷に流れる負荷電流を受ける
リアクトルに発生する降圧用の電圧降下からこの
電圧制御上の上下限幅を設定する手段をとる。リ
アクトルはその動作上から見ると、その中を流れ
る負荷電流の微分値に相当する電圧降下（Ldi／
dt）を生じる微分動作の回路要素である。都合の
よいことに、負荷電流を断続するトランジスタの
オンまたはオフに伴つて、フリーホイーリングダ
イオードは断または続の状態となり、これに応じ
て微分動作のリアクトルの両端間の電圧降下には
ステツプ状の不連続変化が発生する。本発明の上
記手段は、かかる回路の断続に伴う微分動作要素
内の電圧降下の不連続変化をヒステリシス作用の
源泉として利用しうることに想到したものであ
る。

以下、本発明回路の原理を第１図と第２図とを
参照しながら説明する。第１図において、本発明
における回路開閉要素１０には、電源１と負荷２
との間の負荷電流回路を断続するためのスイツチ
としてトランジスタを用いた半導体スイツチ１１
と、これが断とされたとき導通して負荷電流の帰
路を形成するフリーホイーリング用のダイオード
１２とが示されている。微分動作要素２０は例え
ば前述のリアクトルであつて、負荷電流回路に直
列に挿入されて降圧チヨツパ回路における電圧降
下分を発生する。この負荷側に負荷２への出力端
子に並列接続される積分動作要素は、例えばふつ
うのキヤパシタであつて、公知のように出力電圧
の安定化の役割りも果たす。第２図は前の第６図
に相当する動作波形図であるが、そのｂに回路開
閉要素１０の開閉動作にともなう微分動作要素２
０の入口端子電位Elの波形が示されている。その
下方のｃに示された開閉指令SSがオン、従つて
半導体スイツチ１１がオンのとき、この入口端子
電位Elは電源１から入力電圧Eiにほぼ等しい（順
方向電圧降下を無視して）。

しかし、半導体スイツチ１１がオフになると負
荷電流はフリーホイーリングダイオード１２を通
してこの入口端子に流れ込むから、その電位Elは
前とは逆極性のダイオード内順方向電圧降下分
Edに等しい電位をとる。すなわち、半導体スイ
ツチ１１がオンからオフに移るとき、微分動作要
素２０の入口端子電位Elはほぼ入力電圧Eiに等し
いステツプ状の不連続変化をする。逆に半導体ス
イツチがオフからオンに移るときも、入口端子電
位Elは変化の方が逆であるが同じステツプ状変化
を示す。一方、その出力端子電位は積分動作要素
３０で安定化された出力電圧Eoであつて、脈動
分を無視すれば半導体スイツチ１１のオンオフに
無関係にほぼ一定である。従つて微分動作要素２
０両端間の電圧降下は図示のような矩形状の波形
をとる。

この矩形状の波形のもつ波高値ΔEはそのまま
では出力電圧Eoの制御のための上下限幅として
用いるには過大であるから、第１図の制御幅設定
回路４０の２個の分圧抵抗４１，４２は、この波
高値ΔEを所望の比で分圧して、その相互接続点
から小さな波高値の矩形状波形すなわち前述のヒ
ステリシス波形の上下限幅設定信号を発生させ
る。もちろん、この上下限幅は出力電圧Eoに対
して許される周期的な変動幅よりも低い値例えば
0.1V以下の小さな値に選ばれる。このように設
定される上下限幅は元来が入力電圧Eiにほぼ等し
い波高値ΔEを縮小したものに過ぎないから、電
源１の電圧変動範囲でしか変動することがなく、
従来回路におけるヒステリシス電圧よりもその変
動幅を大幅に小さくすることができる。もちろ
ん、かかる分圧手段のかわりに、微分動作要素と
してのリアクトルコイルの所望の個所からタツプ
を出す等の手段で置き換えることができる。

上述の上下限幅はふつうは極めて小さな値でよ
く、従つて分圧抵抗４２の抵抗値はもう一方の分
圧抵抗４１よりも非常に小さな値でよいから、両
抵抗の相互接続点の電位はほぼ出力電圧Eoに等
しく、従つてこの電位を図示の抵抗４３，４４で
さらに分割して、その相互接続点から出力信号
Eoの実際値レベルをもつ信号Vcを取り出すこと
ができる。従つてこの信号Vcは、第２図ａで鎖
線によつて示されたように、上下限幅ΔVを有す
る矩形状波形と出力電圧Eoの実際値Voとを合成
したものであつて、後述の開閉制御回路６０の演
算増幅器の一方の入力に与えられる。

脈動検出回路４０は、この合成信号Vc中の上
下限幅ΔVの信号と比較すべき第２図ａの実線で
示す脈動信号Vrを得るためのもので、原理的に
は回路開閉要素１０の開閉動作に伴つて生じる脈
動を検出できる任意の個所から取ることができる
が、第１図の場合は出力電圧Eoから取られてい
る。この出力信号Eo中の脈動分は、積分動作要
素の存在によつて第２図ａに示すように三角波状
の波形をもち、上下限幅信号の上限線または下限
線との交点から回路開閉要素のオンオフ時点を決
めるのに都合がよい。出力基準値設定回路５０は
出力電圧Eoのレベルを設定するためのもので、
図では基準電圧値Ｅを有する最も簡単な電池で示
されている。

この基準電圧Ｅは、第１図のように前述の脈動
検出回路からの検出値の２個の抵抗６２，６３に
よる分圧と合成した上で、開閉制御回路６０の前
述の演算増幅器６１の他方の入力に与えることが
できる。従つて演算増幅器６１は、この脈動信号
Vrを基準電圧Ｅだけ持ち上げられた電圧下で前
述の合成信号Vc中の上下限幅ΔVと比較して、回
路開閉要素１０にそのオンオフ時点を決める開閉
指令SSを第２図ｃのようにする。この演算増幅
器６１の動作態様とそれが電圧制御上にもつ役割
りは、前述の従来回路におけるのと本質的には変
わりはなく、回路の動作周波も上下限幅ΔVと脈
動信号Vrとをこの演算増幅器によつて比較する
段階で決まる。

なお、基準電圧Ｅよつて設定される電圧レベル
と比較すべき出力電圧の実際値Voは、前述のよ
うに制御幅設定回路４０を介して取る必要が必ず
あるわけではなく、脈動信号Vrも出力電圧Eoか
ら取る場合には脈動検出回路を介して取るように
してもよい。また、前述のように上下限幅ΔVと
実際値Voとを合成するとか、脈動信号Vrと基準
電圧Ｅとを合成するとかする必要も必ずしもある
わけではなく、要は開閉制御回路６０により上下
限幅ΔVと脈動信号Vrとが出力基準電圧Ｅレベル
で比較された上で開閉指令SSが発しられるよう
にすることでよく、公知技術を用いてこれら諸信
号を組み合わせて必要機能を果たすように容易に
回路構成をすることが可能である。

〔発明の実施例〕

以下第３図および第４図を参照しながら本発明
の実施例を説明する。これら図において、前の第
１図と共通ないしは同機能の部分には同じ符号が
付されている。

第３図において、一点鎖線で囲まれた本発明に
よる直流電圧変換回路１００ないしはいわゆる
DC−DCコンバータは、その左方の２個の入力端
子に図示しない直流電源からの入力電圧Eiを受
け、定電圧に制御された出力電圧Eoを右方の２
個の端子から負荷２への出力電圧Eoを供給する。
入力端子側のリアクトル７１とキヤパシタ７２と
は、半導体スイツチ１１の開閉に伴うスイツチン
グノイズが電源側に伝わるのを防止するフイルタ
であつて、電源の出側にもふつうは安全をさらに
期するために、別のキヤパシタ１ａで鎖線で示し
たように接続される。回路の右方のリアクトル７
３は出力電圧Eo中の脈動分を減少させるための
もので、さらに負荷２側にもふつうはキヤパシタ
２ａが脈動分を吸収させるために鎖線で示された
ように接続される。半導体スイツチ１１としての
トランジスタのベースには、ベース抵抗１１ａが
そのエミツタから演算増幅器６１に向かつて流れ
るベース電流の値を設定するために設けられてい
る。これに並列に接続されたベースキヤパシタ１
１ｂはスピードアツプ用であつて、トランジスタ
１１のオン時の動作を早める役目を果たす。

微分動作要素としてのリアクトル２０の両端間
に接続された分圧抵抗４１，４２の相互接続点か
ら上下限幅ΔVを決める信号が取られ、一方実際
値信号はこの実施例では別のリアクトル７３の出
側である出力端子から取られている。抵抗４３と
調整抵抗器４６とは上下限幅を決めるための信号
の分圧器として働き、調整抵抗器４６によつて上
下限幅ΔVが選定される。実際値信号の方は抵抗
４５を経て上下限幅信号と合成されて演算増幅器
６１の一方の入力に与えられる。もちろん、実際
値信号は第４図に示すように別のリアクトル７３
の入口から抵抗４７を介して取るようにしてもよ
い。

基準電圧Ｅを得るための回路はツエナダイオー
ド５１とこれに逆直列接続されたダイオード５２
を含み、これにツエナ電流を供給するための電圧
は定電圧の出力端子側から抵抗５３とダイオード
５５とを介して取られている。ダイオード５２と
５５とは出力電圧Eoが短絡等の事故によつてゼ
ロになつた場合に流れうる逆流を防止するための
ものである。また、回路の起動時のまだ出力電圧
Eoが立ち上がつていないときにも基準電圧Ｅを
発生しうるように、入力電圧Eiが抵抗５４を介し
てツエナダイオード５１の回路に与えられる。こ
れらによつて図でＥで示した個所に基準電圧Ｅが
発生されるが、ツエナダイオード５１に対する給
電が出力端子側から取られているので、同時に出
力電圧Eo中に含まれる脈動分がこの個所に伝達
され、抵抗６２，６３で分圧された上で演算増幅
器６１の他方の入力に与えられる。キヤパシタ６
４は、このようにして該他方の入力に与えられる
基準電圧および脈動信号をスパイクノイズ等から
守る安定化キヤパシタンスである。もちろん、脈
動信号はこのように分圧回路を介さないで、図で
鎖線で示すようにツエナダイオード回路から直接
取るようにしてもよい。本発明回路の出力電圧
Eoの回路の動作周波数に同期した変動分は非常
に小さく、これに応じて脈動信号も微小なもので
よいから、ツエナ電圧に重なつた程度の僅かな電
圧脈動によつても回路を数百ｋHzの周波数で安定
に動作させることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来において動作安定上およ
びコスト上の問題があつたヒステリシス回路を用
いる必要がなく、このかわりにリアクトル等の微
分動作要素中に回路開閉要素のオンオフ動作にと
もなうヒステリシス電圧が発生することに着目し
て、これを有効に用するようにしたので、従来の
ように回路動作の上下限幅を決めるヒステリシス
電圧が演算増幅器のゲインの変動などを受けて不
安定になる欠点を基本的に解消するとともに、ヒ
ステリシス回路を別に設ける必要が全くなくな
り、性能面およびコスト面で二重の効果が得られ
る。前述のように、本発明回路において微分動作
要素から得られる上下限幅設定用信号は、入力電
圧と該要素内を流れる負荷電流に起因していて、
従来技術よりも本質的に安定かつ確実であり、そ
の信号波形もほぼ完全な矩形ないしは角形波であ
つて、降圧チヨツパ形のこの種の回路の電圧制御
の基礎とするのによく適している。

このように本発明は、降圧チヨツパ形のチヨツ
パの性能と安定性を向上する上で、またその量産
品の低価格化に著効を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による直流電圧変換回路の基本
構成を示す回路図、第２図は該回路の動作を説明
するための主要な信号の波形図、第３図は本発明
の実施例を示す回路図、第４図は該実施例回路内
の制御幅設定および出力電圧の実際値発生のため
の回路部の異なる態様を示す要部回路図である。
第５図以降は従来技術の説明用で、内第５図は従
来の降圧チヨツパ形DC−DCコンバータ回路の原
理構成回路図、第６図はその動作を説明する主要
信号の波形図である。 図において、１：電源、２：負荷、１０：回路
開閉要素、１１：半導体スイツチないしはトラン
ジスタ、１２：フリーホイーリング用ダイオー
ド、２０：微分動作要素ないしはリアクトル、３
０：積分動作要素ないしはキヤパシタ、４０：制
御幅設定回路、５０：出力基準値設定回路、５
１：基準電圧発生用ツエナダイオード、６０：開
閉制御回路、６１：演算増幅器、１００：直流電
圧変換回路、Ｅ：基準電圧、Ei：入力電圧、
Eo：出力電圧、ΔV：上下限幅、Vo：出力電圧
の実際値信号、Vc：上下限幅信号と実際値信号
との合成信号、Vr：脈動信号、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電源と負荷とを接続する負荷電流回路を
   断続する回路開閉要素と、負荷電流回路に直列に
   接続され負荷電流の微分値に対応する電圧降下を
   発生する微分動作要素と、負荷に並列に接続され
   通過電流の積分値に対応する両端電圧を負荷への
   出力電圧として出力する積分動作要素と、前記微
   分動作要素が発生する電圧降下から出力電圧を制
   御すべき上下限幅を設定する制御幅設定回路と、
   前記積分動作要素が出力する出力電圧中に前記回
   路開閉要素が行なう断続動作に伴つて生じる脈動
   を検出する脈動検出回路と、出力電圧のレベルを
   設定する出力基準値設定回路と、前記上下限幅お
   よび脈動を入力し出力基準値上において両者を比
   較して出力電圧の変動範囲を該上下限幅内に納め
   るように前記回路開閉要素に開閉指令を発する開
   閉制御回路とを備えてなる直流電圧変換回路。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の回路において、
   制御幅設定回路によつて上下限幅が設定されると
   ともに、出力基準値設定回路によりた設定された
   基準電圧と比較されるべき出力電圧の実際値信号
   が発生されることを特徴とする直流電圧変換回
   路。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の回路において、
   実際値信号が出力端子から取られ、制御幅設定回
   路内において上下限幅信号と合成された上で開閉
   制御回路に与えられるようにしたことを特徴とす
   る直流電圧変換回路。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の回路において、
   出力基準値設定回路が基準電圧を発生するツエナ
   ダイオードを含み、該ツエナダイオードに対する
   給電を出力端子側から行なうようにしたことを特
   徴とする直流電圧変換回路。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の回路において、
   ツエナダイオードへの給電回路が脈動検出回路を
   兼ねることを特徴とする直流電圧変換回路。