JP2004173421A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータでは出力電圧の降下時に電圧を下げる時の過渡応答時間が長くなり出力電圧を高速に低下させることができないため、この過渡応答時間の間に電力損失が発生し電池電圧が減少するために通話時間の長時間化が非常に困難であった。
【解決手段】入力端子３１と出力端子３２の間に出力負荷に応じて電圧を切替える電圧変換回路７０を備え、この電圧変換回路７０と出力端子３２の間と電圧変換回路７０と入力端子３１の間とに出力電圧を目標電圧にする電圧比較回路７１と、電圧変換回路７０の電圧を切替え制御するスイッチ制御回路２８とを直列に接続してフィードバック回路を構成したＤＣ／ＤＣコンバータで、スイッチ制御回路２８に電圧を昇圧するか降圧するかを決める昇圧降圧動作決定回路２９と電圧変換回路７０の動作モードを決める過渡応答回路３４とを付加する構成とした。
【選択図】 図２
【解決手段】入力端子３１と出力端子３２の間に出力負荷に応じて電圧を切替える電圧変換回路７０を備え、この電圧変換回路７０と出力端子３２の間と電圧変換回路７０と入力端子３１の間とに出力電圧を目標電圧にする電圧比較回路７１と、電圧変換回路７０の電圧を切替え制御するスイッチ制御回路２８とを直列に接続してフィードバック回路を構成したＤＣ／ＤＣコンバータで、スイッチ制御回路２８に電圧を昇圧するか降圧するかを決める昇圧降圧動作決定回路２９と電圧変換回路７０の動作モードを決める過渡応答回路３４とを付加する構成とした。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種電子機器、通信装置等に用いられる直流電圧の変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の携帯電話機に用いる降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータは図１０に示すように入力端子１１１と出力端子１１２の間に第１のスイッチ回路１００と、インダクタ１０２、平滑コンデンサ１０４の直列回路を接続し、そして平滑コンデンサ１０４からの出力電圧１２０と出力電圧制御端子１１３からの制御電圧１２１とを比較回路１０５に入力し、この比較回路１０５の出力信号と発振回路１０６からの出力信号をスイッチ条件決定回路１０７に入力してその出力と制御動作決定回路１１０に前記出力電圧１２０と第１のスイッチ回路１００からの制御信号１２２を入力し負荷判定を行った出力信号１２３を発振回路１０６とスイッチ制御回路１０８へ入力し、スイッチ制御回路１０８の出力を第１のスイッチ回路１００にフィードバックするように構成していた。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３２２６０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータでは出力電圧の降下時に電圧を下げる時の過渡応答時間が長くなり出力電圧を高速に低下させることができないため、この過渡応答時間の間に電力損失が発生し電池電圧が減少するために通話時間の長時間化が非常に困難であった。
【０００６】
さらに従来、電池電圧とパワーアンプ用電源の電圧関係は電池電圧の方がパワーアンプ用電源より電圧が高く設定されていたためＤＣ／ＤＣコンバータは降圧動作のみで良かったが、最近では電池電圧の低電圧化により電池電圧の方がパワーアンプ用電源よりも電圧が低い設定でも動作する必要がでてきた。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、携帯電話の通話時間の長時間化を可能とする昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、入力端子と出力端子間に電圧変換回路を接続し、この電圧変換回路からの出力電圧と制御電圧入力端子からの制御電圧と電圧変換回路のスイッチ電流検知信号を過渡応答回路に入力し、前記出力電圧と前記制御電圧と前記入力端子からの入力電圧を昇圧降圧動作決定回路に入力し、前記出力電圧と前記制御電圧と過渡応答回路からの出力信号を電圧比較回路に入力し、前記電圧比較回路、昇圧降圧動作決定回路、過渡応答回路からの各々の出力をスイッチ制御回路に入力し、そのスイッチ制御回路の出力を電圧変換回路に入力するフィードバック回路を形成したＤＣ／ＤＣコンバータであり、電圧制御回路に電圧を昇圧するか降圧するかを決める昇圧降圧動作決定回路と電圧変換回路の動作モードを決める過渡応答回路とを付加する構成とし、昇降圧に対応でき電池電圧に関わらず出力電圧変化時における出力電圧の高速過渡応答が可能となり、携帯電話の通話時間を向上させることができる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、電圧変換回路が電圧を下げる第１のスイッチ回路とインダクタと電圧を上げる第２のスイッチ回路と平滑コンデンサを直列接続する構成とした請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、第１のスイッチ回路が昇圧時に入力端子とインダクタを常時接続する構成とした請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１および請求項２記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、第２のスイッチ回路が降圧時にインダクタと平滑コンデンサを常時接続する構成とした請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項３に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、過渡応答回路が電圧変換回路の第１のスイッチ回路あるいは第２のスイッチ回路から出力するスイッチ電流検知信号と、平滑コンデンサから出力する出力電圧を入力することで出力負荷領域を検出し負荷領域検出信号を出力する負荷判定回路と、制御電圧入力端子から入力される制御電圧と前記出力電圧との比較を行い出力電圧の変化を検出し出力電圧変化検出信号を出力する出力電圧変化検出回路と、前記負荷領域検出信号と前記出力電圧変化検出信号により前記スイッチ制御回路の制御モードを決定する第２の制御動作決定信号を前記スイッチ制御回路と前記電圧比較回路に出力する制御動作決定回路とから構成した請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項６に記載の発明は、電圧比較回路が、出力電圧と制御電圧とを入力して比較演算し誤差電圧を出力する比較回路と、第２の制御動作決定信号により基準三角波信号を出力する発振回路と、前記誤差電圧と前記基準三角波信号を比較しスイッチ制御回路で決定するスイッチング条件信号を出力するスイッチング条件決定回路とから構成される請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項７に記載の発明は、前記第２の制御動作決定信号で決定される動作モードがＰＷＭとＰＦＭである請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項８に記載の発明は、第２の制御動作決定信号に応じて発振回路の発振周波数を変化させスイッチング条件決定回路のスイッチング周波数あるいは時比率（ＤＵＴＹ比）を変化させる請求項６に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項９に記載の発明は、縦列接続された第１のスイッチ回路、第１のインダクタと縦列接続された第２のインダクタ、第２のスイッチ回路を並列接続し、前記第１のスイッチ回路と前記第１のインダクタあるいは前記第２のインダクタと前記第２のスイッチ回路と、平滑コンデンサ、比較回路、発振回路、スイッチング条件決定回路とスイッチ制御回路でフィードバック回路を構成する昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、入力電圧条件、負荷電流および負荷電圧で決定される負荷条件、あるいは電圧変化の条件に応じて前記スイッチ制御回路を制御する昇圧降圧動作決定回路、高速過渡応答回路を付加し、降圧動作時あるいは昇圧動作時に第１のスイッチ回路あるいは第２のスイッチ回路が個別に動作することでスイッチのオン抵抗を低減でき効率を向上させることが可能となる。
【００１７】
本発明の請求項１０に記載の発明は、負荷の電流値と電圧値で設定される全負荷領域を１つの電流閾値により２つの動作モードで動作するように設定された請求項１または請求項９に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項８に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項１１に記載の発明は、電流値と電圧値で設定される全負荷領域を１つあるいは２つ以上の電流閾値と電圧閾値により２つのフィードバック制御で動作するように領域設定された請求項１から請求項９のいずれか１つに記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項９に記載のＤＣ／ＤＣコンバータに対してさらに負荷条件を細分化して最適動作条件を設定し効率を向上させることが可能となる。
【００１９】
本発明の請求項１２に記載の発明は、出力電圧変化検出回路で制御電圧に対応した目標出力電圧に対して出力電圧が所定量以上の電圧差を有し出力電圧の変化が検出された条件下では出力電流および前記出力電圧に関わらずＰＷＭ制御を行い、所定量以上の電圧差を有さず出力電圧の変化が検出されなかった条件下では２つの動作モードの内、負荷判定回路の負荷領域検知信号で決定される動作モードを行うこととした請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項１３に記載の発明は、出力電圧変化検出回路で出力電圧の変化が未検出の状態から検出の状態あるいは検出の状態から未検出の状態に変化する際に出力電圧の変動を抑制する出力変動抑制機能を前記過渡応答回路に設けた構成とした請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、出力電圧変化時に急激な電圧の低下および上昇が起こらないようにすることで安定した送信状況を確保することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例について説明する。
【００２２】
図１は携帯電話の回路構成を示している。アンテナ１から入った信号は共用器２を通って受信回路４に入りベースバンド回路６を経てスピーカ７に入力され音声が出力される。反対にマイク８に入力した音声はベースバンド回路６に入り送信回路５を通り送信パワーアンプ３で信号を増幅させ共用器２に入りアンテナ１から送信される。
【００２３】
この時、電池１１から電圧をシステムコントローラ９と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に供給し電圧変換して受信回路４と送信回路５とベースバンド回路６および送信パワーアンプ３へ供給することで安定した送信を確保することができる。
【００２４】
図２はＤＣ／ＤＣコンバータ１０の詳細な回路図である。
【００２５】
入力端子３１と出力端子３２の間に電圧変換回路７０を接続し、この電圧変換回路７０として第１のスイッチ回路２１、インダクタ２２、第２のスイッチ回路２３、平滑コンデンサ２４を直列に接続して構成している。そして入力端子３１から入力される入力電圧５１を直流電圧に変換し出力端子３２より電圧変換された出力電圧５２を出力する。
【００２６】
過渡応答回路３４は出力電圧変化検出回路３５、負荷判定回路３０、制御動作決定回路３６から構成されている。出力電圧５２と制御電圧５３を出力電圧変化検出回路３５に入力し、その出力電圧変化検出信号６１を制御動作決定回路３６に入力する。
【００２７】
さらに負荷判定回路３０に出力電圧５２と、電圧変換回路７０を構成する第１のスイッチ回路２１からの第１のスイッチ制御信号５７と、第２のスイッチ回路２３からの第２のスイッチ制御信号５８を入力して負荷領域検出信号６０を制御動作決定回路３６に入力する。
【００２８】
制御動作決定回路３６は負荷領域検出信号６０と出力電圧変化検出信号６１によりＰＷＭ動作あるいはＰＦＭ動作を決める第２の制御動作決定信号６２を出力する。
【００２９】
この第２の制御動作決定信号６２は一端は電圧比較回路７１の構成回路の１つである発振回路２６に入力され、他端はスイッチ制御回路２８に入力される。
【００３０】
昇圧降圧動作決定回路２９は出力電圧５２と、制御電圧５３と、入力電圧５１を入力して昇圧動作あるいは降圧動作を決定する第１の制御動作決定信号５９を出力する。
【００３１】
スイッチング条件決定回路２７には比較回路２５から出力電圧５２と制御電圧５３の電圧差である誤差電圧５４と発振回路２６からの基準三角波信号５５が入力されスイッチ条件信号５６を出力する。
【００３２】
このように昇圧降圧動作決定回路２９からは昇圧動作、降圧動作の決定をする第１の制御動作決定信号５９、過渡応答回路３４からはＰＷＭ動作、ＰＦＭ動作の決定をする第２の制御動作決定信号６２、電圧比較回路７１からはＰＷＭ動作の場合は第１のスイッチ回路２１と第２のスイッチ回路２３のスイッチのオンオフ時間：時比率（ＤＵＴＹ）、ＰＦＭ動作の場合にはスイッチの周波数の決定を行うスイッチ条件信号５６を電圧制御回路２８に入力し、第１のスイッチ制御信号６３を第１のスイッチ回路２１へ、第２のスイッチ制御信号６４を第２のスイッチ回路２３へ、それぞれ入力してＤＣ／ＤＣコンバータの電圧をフィードバック制御し制御電圧入力端子３３から入力される制御電圧５３に応じて直流電圧を変換し、出力端子３２より電圧変換された出力電圧５２を出力する昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータである。
【００３３】
図３に電圧変換回路７０を構成する昇降圧動作原理を示す。
【００３４】
図３（ａ）の回路図で降圧動作を説明する。第１のスイッチ回路２１を構成する２つのスイッチ２１Ａ，２１Ｂのオン、オフ時間をスイッチ制御回路２８の第１のスイッチ制御信号６３に基づき動作させ、第２のスイッチ回路２３を構成する２つのスイッチ２１Ａ，２１Ｂを第２のスイッチ制御信号６４により入出力間に直列に接続された一方のスイッチ２３Ａを常時オン状態に設定し、他方のスイッチ２３Ｂは常時オフ状態とすることでインダクタ２２との間で電力の充放電を繰り返し電圧変換を行う。
【００３５】
次に、図３（ｂ）の回路図で昇圧動作を説明する。
【００３６】
第２のスイッチ回路２３を構成する２つのスイッチ２３Ａ，２３Ｂのオン、オフ時間をスイッチ制御回路２８の第２のスイッチ制御信号６４に基づき動作させ、第１のスイッチ回路２１を構成する２つのスイッチを第１のスイッチ制御信号６３により入出力間に直列に接続された一方のスイッチ２１Ａを常時オン状態に設定し、他方のスイッチ２１Ｂを常時オフ状態とすることでインダクタ２２との間で電力の充電放電を繰り返し電圧変換を行う。
【００３７】
上記のように電圧変換を行った後、平滑コンデンサ２４により電圧を平滑化して出力端子３２から出力電圧５２を出力する。
【００３８】
図４に電圧比較回路７１においてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作時における誤差電圧５４、基準三角波信号５５とスイッチ条件信号５６の関係を示し、スイッチ制御回路２８で第１のスイッチ回路２１および第２のスイッチ回路２３を制御するスイッチ条件信号５６の生成手順を示す。
【００３９】
ＰＷＭ動作時において、誤差電圧５４と発振回路２６から出力した一定周波数の基準三角波信号５５との比較結果に対応したスイッチ条件信号５６がスイッチング条件決定回路２７から出力される。
【００４０】
図４（ａ）で示すように誤差電圧５４が高い場合はオン期間の時比率（ＤＵＴＹ）が高いスイッチ条件信号５６が電圧制御回路２８に出力され、出力電圧５２を上げる方向にフィードバックループが機能することになる。
【００４１】
さらに図４（ｂ）で示すように誤差電圧５４が低い場合はオン期間の時比率（ＤＵＴＹ）が低いスイッチ条件信号５６が電圧制御回路２８に出力され、出力電圧５２を下げる方向にフィードバックループが機能することになる。
【００４２】
図５（ａ），（ｂ）は各負荷領域における第１の制御動作決定信号５９による昇圧動作と降圧動作および第２の制御動作決定信号６２によるＰＷＭ動作とＰＦＭ動作の関係を示す。
【００４３】
出力電圧５２が入力電圧５１に対して高い場合には昇圧動作が機能し、出力電圧５２が入力電圧５１に対して低い場合には降圧動作が機能し、昇圧動作か降圧動作かを入力電圧と出力電圧との関係で決定する。
【００４４】
さらに、出力電流に対して閾値電流を設定し出力電流が閾値電流に対して大きい場合にはＰＷＭ動作が機能し、出力電流が閾値電流に対して小さい場合にはＰＦＭ動作が機能し、ＰＷＭ動作かＰＦＭ動作かを出力電流と閾値電流との関係で決定する。
【００４５】
図６はＤＣ／ＤＣコンバータの動作を横軸に出力電圧、縦軸に出力電流を示し、所定の閾値電圧および閾値電流によりＰＷＭ動作とＰＦＭ動作の領域に分類した図である。●印は各動作点を表し▲１▼〜▲６▼のような状態遷移が考えられる。
【００４６】
図７は横軸を時間、縦軸を出力電圧として制御電圧入力端子３３から入力される制御電圧５３に応じた出力変化における出力電圧５２の定常状態あるいは変化状態を従来の回路と本発明の回路での動作モードを記載している。
【００４７】
従来の回路では図６、図７において状態遷移▲１▼，▲２▼，▲５▼に示すように出力電圧５２が降下する時は従来の回路では停止している。
【００４８】
この状態は図８に示すように電圧変換回路７０を構成する第１のスイッチ回路２１と第２のスイッチ回路２３の２つのスイッチが入力端子と出力端子を常時接続するように機能し、グランドと接続されたスイッチに関しては常時オフとなる。
【００４９】
そのため、出力電圧の過渡応答時間が平滑コンデンサ２４と負荷抵抗との時定数で決定され、特に軽負荷へ変化する場合に負荷抵抗が大きく、長い過渡応答時間を要する結果となっていた。
【００５０】
本発明の回路では図７に記載するように状態遷移▲１▼，▲２▼，▲５▼の条件下においてもＰＷＭ動作で機能させ高速の過渡応答を可能にしている。
【００５１】
図９に高速の過渡応答回路３４の動作原理を示す。
【００５２】
図９に負荷変化１と負荷変化２の２つの負荷領域の変化パターンを横軸を時間とし制御電圧５３に対応した目標出力電圧、出力電圧５２、出力電圧変化検出回路３５から出力される出力電圧変化検出信号６１、第２の制御動作決定信号６２の変化と第２の制御動作決定信号６２により決定されるＰＷＭ，ＰＦＭの動作条件を記載している。
【００５３】
負荷変化２の場合において図５に記載した負荷領域Ａ、負荷領域Ｂ、負荷領域Ａの順で負荷の変化が発生する。
【００５４】
図５で記載した各負荷領域においてはＰＦＭ動作で動作するが、負荷条件が変化する出力電圧変化検出期間においては閾値電流との比較で定義される軽負荷及び重負荷において何れもＰＷＭ動作が機能するものである。
【００５５】
以上のように、本発明のＤＣ／ＤＣコンバータでは出力電圧降下時に出力電圧を高速に低下させ過渡応答時の電力損失の発生を低減し、通話時間の長時間化を可能とする。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、出力電圧が変化し、出力電圧降下時の出力電圧を高速に低下させ、さらに出力電圧昇圧時においても出力電圧を高速に上昇させることができるので大幅な電力損失の低減を実現することができ、携帯電話の長時間の通話が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】携帯電話の回路ブロック図
【図２】本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの回路ブロック図
【図３】（ａ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの降圧動作図
（ｂ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作図
【図４】（ａ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータのＰＷＭ動作時のスイッチ条件信号図
（ｂ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータのＰＷＭ動作時の別のスイッチ条件信号図
【図５】（ａ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの負荷領域を示す説明図
（ｂ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの第１の制御動作決定信号と第２の制御動作決定信号により決定される動作条件表を示す図
【図６】本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの動作遷移図
【図７】本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの動作モードのタイミングチャート
【図８】従来の電圧変換回路のスイッチ回路図
【図９】本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの過渡応答の動作原理図
【図１０】従来のＤＣ／ＤＣコンバータのブロック図
【符号の説明】
２１ 第１のスイッチ回路
２２ インダクタ
２３ 第２のスイッチ回路
２４ 平滑コンデンサ
２５ 比較回路
２６ 発振回路
２７ スイッチング条件決定回路
２８ スイッチ制御回路
２９ 昇圧降圧動作決定回路
３０ 負荷判定回路
３１ 入力端子
３２ 出力端子
３３ 制御電圧入力端子
３４ 過渡応答回路
３５ 出力電圧変化検出回路
３６ 制御動作決定回路
５１ 入力電圧
５２ 出力電圧
５３ 制御電圧
５４ 誤差電圧
５５ 基準三角波信号
５６ スイッチ条件信号
５７ 第１のスイッチ制御信号
５８ 第２のスイッチ制御信号
５９ 第１の制御動作決定信号
６０ 負荷領域検出信号
６１ 出力電圧変化検出信号
６２ 第２の制御動作決定信号
６３ 第１のスイッチ制御信号
６４ 第２のスイッチ制御信号
７０ 電圧変換回路
７１ 電圧比較回路
【発明の属する技術分野】
本発明は各種電子機器、通信装置等に用いられる直流電圧の変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の携帯電話機に用いる降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータは図１０に示すように入力端子１１１と出力端子１１２の間に第１のスイッチ回路１００と、インダクタ１０２、平滑コンデンサ１０４の直列回路を接続し、そして平滑コンデンサ１０４からの出力電圧１２０と出力電圧制御端子１１３からの制御電圧１２１とを比較回路１０５に入力し、この比較回路１０５の出力信号と発振回路１０６からの出力信号をスイッチ条件決定回路１０７に入力してその出力と制御動作決定回路１１０に前記出力電圧１２０と第１のスイッチ回路１００からの制御信号１２２を入力し負荷判定を行った出力信号１２３を発振回路１０６とスイッチ制御回路１０８へ入力し、スイッチ制御回路１０８の出力を第１のスイッチ回路１００にフィードバックするように構成していた。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３２２６０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータでは出力電圧の降下時に電圧を下げる時の過渡応答時間が長くなり出力電圧を高速に低下させることができないため、この過渡応答時間の間に電力損失が発生し電池電圧が減少するために通話時間の長時間化が非常に困難であった。
【０００６】
さらに従来、電池電圧とパワーアンプ用電源の電圧関係は電池電圧の方がパワーアンプ用電源より電圧が高く設定されていたためＤＣ／ＤＣコンバータは降圧動作のみで良かったが、最近では電池電圧の低電圧化により電池電圧の方がパワーアンプ用電源よりも電圧が低い設定でも動作する必要がでてきた。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、携帯電話の通話時間の長時間化を可能とする昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、入力端子と出力端子間に電圧変換回路を接続し、この電圧変換回路からの出力電圧と制御電圧入力端子からの制御電圧と電圧変換回路のスイッチ電流検知信号を過渡応答回路に入力し、前記出力電圧と前記制御電圧と前記入力端子からの入力電圧を昇圧降圧動作決定回路に入力し、前記出力電圧と前記制御電圧と過渡応答回路からの出力信号を電圧比較回路に入力し、前記電圧比較回路、昇圧降圧動作決定回路、過渡応答回路からの各々の出力をスイッチ制御回路に入力し、そのスイッチ制御回路の出力を電圧変換回路に入力するフィードバック回路を形成したＤＣ／ＤＣコンバータであり、電圧制御回路に電圧を昇圧するか降圧するかを決める昇圧降圧動作決定回路と電圧変換回路の動作モードを決める過渡応答回路とを付加する構成とし、昇降圧に対応でき電池電圧に関わらず出力電圧変化時における出力電圧の高速過渡応答が可能となり、携帯電話の通話時間を向上させることができる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、電圧変換回路が電圧を下げる第１のスイッチ回路とインダクタと電圧を上げる第２のスイッチ回路と平滑コンデンサを直列接続する構成とした請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、第１のスイッチ回路が昇圧時に入力端子とインダクタを常時接続する構成とした請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１および請求項２記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、第２のスイッチ回路が降圧時にインダクタと平滑コンデンサを常時接続する構成とした請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項３に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、過渡応答回路が電圧変換回路の第１のスイッチ回路あるいは第２のスイッチ回路から出力するスイッチ電流検知信号と、平滑コンデンサから出力する出力電圧を入力することで出力負荷領域を検出し負荷領域検出信号を出力する負荷判定回路と、制御電圧入力端子から入力される制御電圧と前記出力電圧との比較を行い出力電圧の変化を検出し出力電圧変化検出信号を出力する出力電圧変化検出回路と、前記負荷領域検出信号と前記出力電圧変化検出信号により前記スイッチ制御回路の制御モードを決定する第２の制御動作決定信号を前記スイッチ制御回路と前記電圧比較回路に出力する制御動作決定回路とから構成した請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項６に記載の発明は、電圧比較回路が、出力電圧と制御電圧とを入力して比較演算し誤差電圧を出力する比較回路と、第２の制御動作決定信号により基準三角波信号を出力する発振回路と、前記誤差電圧と前記基準三角波信号を比較しスイッチ制御回路で決定するスイッチング条件信号を出力するスイッチング条件決定回路とから構成される請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項７に記載の発明は、前記第２の制御動作決定信号で決定される動作モードがＰＷＭとＰＦＭである請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項８に記載の発明は、第２の制御動作決定信号に応じて発振回路の発振周波数を変化させスイッチング条件決定回路のスイッチング周波数あるいは時比率（ＤＵＴＹ比）を変化させる請求項６に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項９に記載の発明は、縦列接続された第１のスイッチ回路、第１のインダクタと縦列接続された第２のインダクタ、第２のスイッチ回路を並列接続し、前記第１のスイッチ回路と前記第１のインダクタあるいは前記第２のインダクタと前記第２のスイッチ回路と、平滑コンデンサ、比較回路、発振回路、スイッチング条件決定回路とスイッチ制御回路でフィードバック回路を構成する昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、入力電圧条件、負荷電流および負荷電圧で決定される負荷条件、あるいは電圧変化の条件に応じて前記スイッチ制御回路を制御する昇圧降圧動作決定回路、高速過渡応答回路を付加し、降圧動作時あるいは昇圧動作時に第１のスイッチ回路あるいは第２のスイッチ回路が個別に動作することでスイッチのオン抵抗を低減でき効率を向上させることが可能となる。
【００１７】
本発明の請求項１０に記載の発明は、負荷の電流値と電圧値で設定される全負荷領域を１つの電流閾値により２つの動作モードで動作するように設定された請求項１または請求項９に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項８に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項１１に記載の発明は、電流値と電圧値で設定される全負荷領域を１つあるいは２つ以上の電流閾値と電圧閾値により２つのフィードバック制御で動作するように領域設定された請求項１から請求項９のいずれか１つに記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項９に記載のＤＣ／ＤＣコンバータに対してさらに負荷条件を細分化して最適動作条件を設定し効率を向上させることが可能となる。
【００１９】
本発明の請求項１２に記載の発明は、出力電圧変化検出回路で制御電圧に対応した目標出力電圧に対して出力電圧が所定量以上の電圧差を有し出力電圧の変化が検出された条件下では出力電流および前記出力電圧に関わらずＰＷＭ制御を行い、所定量以上の電圧差を有さず出力電圧の変化が検出されなかった条件下では２つの動作モードの内、負荷判定回路の負荷領域検知信号で決定される動作モードを行うこととした請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、請求項１から請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項１３に記載の発明は、出力電圧変化検出回路で出力電圧の変化が未検出の状態から検出の状態あるいは検出の状態から未検出の状態に変化する際に出力電圧の変動を抑制する出力変動抑制機能を前記過渡応答回路に設けた構成とした請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであり、出力電圧変化時に急激な電圧の低下および上昇が起こらないようにすることで安定した送信状況を確保することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例について説明する。
【００２２】
図１は携帯電話の回路構成を示している。アンテナ１から入った信号は共用器２を通って受信回路４に入りベースバンド回路６を経てスピーカ７に入力され音声が出力される。反対にマイク８に入力した音声はベースバンド回路６に入り送信回路５を通り送信パワーアンプ３で信号を増幅させ共用器２に入りアンテナ１から送信される。
【００２３】
この時、電池１１から電圧をシステムコントローラ９と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に供給し電圧変換して受信回路４と送信回路５とベースバンド回路６および送信パワーアンプ３へ供給することで安定した送信を確保することができる。
【００２４】
図２はＤＣ／ＤＣコンバータ１０の詳細な回路図である。
【００２５】
入力端子３１と出力端子３２の間に電圧変換回路７０を接続し、この電圧変換回路７０として第１のスイッチ回路２１、インダクタ２２、第２のスイッチ回路２３、平滑コンデンサ２４を直列に接続して構成している。そして入力端子３１から入力される入力電圧５１を直流電圧に変換し出力端子３２より電圧変換された出力電圧５２を出力する。
【００２６】
過渡応答回路３４は出力電圧変化検出回路３５、負荷判定回路３０、制御動作決定回路３６から構成されている。出力電圧５２と制御電圧５３を出力電圧変化検出回路３５に入力し、その出力電圧変化検出信号６１を制御動作決定回路３６に入力する。
【００２７】
さらに負荷判定回路３０に出力電圧５２と、電圧変換回路７０を構成する第１のスイッチ回路２１からの第１のスイッチ制御信号５７と、第２のスイッチ回路２３からの第２のスイッチ制御信号５８を入力して負荷領域検出信号６０を制御動作決定回路３６に入力する。
【００２８】
制御動作決定回路３６は負荷領域検出信号６０と出力電圧変化検出信号６１によりＰＷＭ動作あるいはＰＦＭ動作を決める第２の制御動作決定信号６２を出力する。
【００２９】
この第２の制御動作決定信号６２は一端は電圧比較回路７１の構成回路の１つである発振回路２６に入力され、他端はスイッチ制御回路２８に入力される。
【００３０】
昇圧降圧動作決定回路２９は出力電圧５２と、制御電圧５３と、入力電圧５１を入力して昇圧動作あるいは降圧動作を決定する第１の制御動作決定信号５９を出力する。
【００３１】
スイッチング条件決定回路２７には比較回路２５から出力電圧５２と制御電圧５３の電圧差である誤差電圧５４と発振回路２６からの基準三角波信号５５が入力されスイッチ条件信号５６を出力する。
【００３２】
このように昇圧降圧動作決定回路２９からは昇圧動作、降圧動作の決定をする第１の制御動作決定信号５９、過渡応答回路３４からはＰＷＭ動作、ＰＦＭ動作の決定をする第２の制御動作決定信号６２、電圧比較回路７１からはＰＷＭ動作の場合は第１のスイッチ回路２１と第２のスイッチ回路２３のスイッチのオンオフ時間：時比率（ＤＵＴＹ）、ＰＦＭ動作の場合にはスイッチの周波数の決定を行うスイッチ条件信号５６を電圧制御回路２８に入力し、第１のスイッチ制御信号６３を第１のスイッチ回路２１へ、第２のスイッチ制御信号６４を第２のスイッチ回路２３へ、それぞれ入力してＤＣ／ＤＣコンバータの電圧をフィードバック制御し制御電圧入力端子３３から入力される制御電圧５３に応じて直流電圧を変換し、出力端子３２より電圧変換された出力電圧５２を出力する昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータである。
【００３３】
図３に電圧変換回路７０を構成する昇降圧動作原理を示す。
【００３４】
図３（ａ）の回路図で降圧動作を説明する。第１のスイッチ回路２１を構成する２つのスイッチ２１Ａ，２１Ｂのオン、オフ時間をスイッチ制御回路２８の第１のスイッチ制御信号６３に基づき動作させ、第２のスイッチ回路２３を構成する２つのスイッチ２１Ａ，２１Ｂを第２のスイッチ制御信号６４により入出力間に直列に接続された一方のスイッチ２３Ａを常時オン状態に設定し、他方のスイッチ２３Ｂは常時オフ状態とすることでインダクタ２２との間で電力の充放電を繰り返し電圧変換を行う。
【００３５】
次に、図３（ｂ）の回路図で昇圧動作を説明する。
【００３６】
第２のスイッチ回路２３を構成する２つのスイッチ２３Ａ，２３Ｂのオン、オフ時間をスイッチ制御回路２８の第２のスイッチ制御信号６４に基づき動作させ、第１のスイッチ回路２１を構成する２つのスイッチを第１のスイッチ制御信号６３により入出力間に直列に接続された一方のスイッチ２１Ａを常時オン状態に設定し、他方のスイッチ２１Ｂを常時オフ状態とすることでインダクタ２２との間で電力の充電放電を繰り返し電圧変換を行う。
【００３７】
上記のように電圧変換を行った後、平滑コンデンサ２４により電圧を平滑化して出力端子３２から出力電圧５２を出力する。
【００３８】
図４に電圧比較回路７１においてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作時における誤差電圧５４、基準三角波信号５５とスイッチ条件信号５６の関係を示し、スイッチ制御回路２８で第１のスイッチ回路２１および第２のスイッチ回路２３を制御するスイッチ条件信号５６の生成手順を示す。
【００３９】
ＰＷＭ動作時において、誤差電圧５４と発振回路２６から出力した一定周波数の基準三角波信号５５との比較結果に対応したスイッチ条件信号５６がスイッチング条件決定回路２７から出力される。
【００４０】
図４（ａ）で示すように誤差電圧５４が高い場合はオン期間の時比率（ＤＵＴＹ）が高いスイッチ条件信号５６が電圧制御回路２８に出力され、出力電圧５２を上げる方向にフィードバックループが機能することになる。
【００４１】
さらに図４（ｂ）で示すように誤差電圧５４が低い場合はオン期間の時比率（ＤＵＴＹ）が低いスイッチ条件信号５６が電圧制御回路２８に出力され、出力電圧５２を下げる方向にフィードバックループが機能することになる。
【００４２】
図５（ａ），（ｂ）は各負荷領域における第１の制御動作決定信号５９による昇圧動作と降圧動作および第２の制御動作決定信号６２によるＰＷＭ動作とＰＦＭ動作の関係を示す。
【００４３】
出力電圧５２が入力電圧５１に対して高い場合には昇圧動作が機能し、出力電圧５２が入力電圧５１に対して低い場合には降圧動作が機能し、昇圧動作か降圧動作かを入力電圧と出力電圧との関係で決定する。
【００４４】
さらに、出力電流に対して閾値電流を設定し出力電流が閾値電流に対して大きい場合にはＰＷＭ動作が機能し、出力電流が閾値電流に対して小さい場合にはＰＦＭ動作が機能し、ＰＷＭ動作かＰＦＭ動作かを出力電流と閾値電流との関係で決定する。
【００４５】
図６はＤＣ／ＤＣコンバータの動作を横軸に出力電圧、縦軸に出力電流を示し、所定の閾値電圧および閾値電流によりＰＷＭ動作とＰＦＭ動作の領域に分類した図である。●印は各動作点を表し▲１▼〜▲６▼のような状態遷移が考えられる。
【００４６】
図７は横軸を時間、縦軸を出力電圧として制御電圧入力端子３３から入力される制御電圧５３に応じた出力変化における出力電圧５２の定常状態あるいは変化状態を従来の回路と本発明の回路での動作モードを記載している。
【００４７】
従来の回路では図６、図７において状態遷移▲１▼，▲２▼，▲５▼に示すように出力電圧５２が降下する時は従来の回路では停止している。
【００４８】
この状態は図８に示すように電圧変換回路７０を構成する第１のスイッチ回路２１と第２のスイッチ回路２３の２つのスイッチが入力端子と出力端子を常時接続するように機能し、グランドと接続されたスイッチに関しては常時オフとなる。
【００４９】
そのため、出力電圧の過渡応答時間が平滑コンデンサ２４と負荷抵抗との時定数で決定され、特に軽負荷へ変化する場合に負荷抵抗が大きく、長い過渡応答時間を要する結果となっていた。
【００５０】
本発明の回路では図７に記載するように状態遷移▲１▼，▲２▼，▲５▼の条件下においてもＰＷＭ動作で機能させ高速の過渡応答を可能にしている。
【００５１】
図９に高速の過渡応答回路３４の動作原理を示す。
【００５２】
図９に負荷変化１と負荷変化２の２つの負荷領域の変化パターンを横軸を時間とし制御電圧５３に対応した目標出力電圧、出力電圧５２、出力電圧変化検出回路３５から出力される出力電圧変化検出信号６１、第２の制御動作決定信号６２の変化と第２の制御動作決定信号６２により決定されるＰＷＭ，ＰＦＭの動作条件を記載している。
【００５３】
負荷変化２の場合において図５に記載した負荷領域Ａ、負荷領域Ｂ、負荷領域Ａの順で負荷の変化が発生する。
【００５４】
図５で記載した各負荷領域においてはＰＦＭ動作で動作するが、負荷条件が変化する出力電圧変化検出期間においては閾値電流との比較で定義される軽負荷及び重負荷において何れもＰＷＭ動作が機能するものである。
【００５５】
以上のように、本発明のＤＣ／ＤＣコンバータでは出力電圧降下時に出力電圧を高速に低下させ過渡応答時の電力損失の発生を低減し、通話時間の長時間化を可能とする。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、出力電圧が変化し、出力電圧降下時の出力電圧を高速に低下させ、さらに出力電圧昇圧時においても出力電圧を高速に上昇させることができるので大幅な電力損失の低減を実現することができ、携帯電話の長時間の通話が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】携帯電話の回路ブロック図
【図２】本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの回路ブロック図
【図３】（ａ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの降圧動作図
（ｂ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作図
【図４】（ａ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータのＰＷＭ動作時のスイッチ条件信号図
（ｂ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータのＰＷＭ動作時の別のスイッチ条件信号図
【図５】（ａ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの負荷領域を示す説明図
（ｂ）本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの第１の制御動作決定信号と第２の制御動作決定信号により決定される動作条件表を示す図
【図６】本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの動作遷移図
【図７】本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの動作モードのタイミングチャート
【図８】従来の電圧変換回路のスイッチ回路図
【図９】本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの過渡応答の動作原理図
【図１０】従来のＤＣ／ＤＣコンバータのブロック図
【符号の説明】
２１ 第１のスイッチ回路
２２ インダクタ
２３ 第２のスイッチ回路
２４ 平滑コンデンサ
２５ 比較回路
２６ 発振回路
２７ スイッチング条件決定回路
２８ スイッチ制御回路
２９ 昇圧降圧動作決定回路
３０ 負荷判定回路
３１ 入力端子
３２ 出力端子
３３ 制御電圧入力端子
３４ 過渡応答回路
３５ 出力電圧変化検出回路
３６ 制御動作決定回路
５１ 入力電圧
５２ 出力電圧
５３ 制御電圧
５４ 誤差電圧
５５ 基準三角波信号
５６ スイッチ条件信号
５７ 第１のスイッチ制御信号
５８ 第２のスイッチ制御信号
５９ 第１の制御動作決定信号
６０ 負荷領域検出信号
６１ 出力電圧変化検出信号
６２ 第２の制御動作決定信号
６３ 第１のスイッチ制御信号
６４ 第２のスイッチ制御信号
７０ 電圧変換回路
７１ 電圧比較回路
Claims (13)
- 入力端子と出力端子間に電圧変換回路を接続し、この電圧変換回路からの出力電圧と制御電圧入力端子からの制御電圧と電圧変換回路のスイッチ電流検知信号を過渡応答回路に入力し、前記出力電圧と前記制御電圧と前記入力端子からの入力電圧を昇圧降圧動作決定回路に入力し、前記出力電圧と前記制御電圧と過渡応答回路からの出力信号を電圧比較回路に入力し、前記電圧比較回路、昇圧降圧動作決定回路、過渡応答回路からの各々の出力をスイッチ制御回路に入力し、そのスイッチ制御回路の出力を電圧変換回路に入力するフィードバック回路を形成したＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 電圧変換回路が電圧を下げる第１のスイッチ回路とインダクタと電圧を上げる第２のスイッチ回路と平滑コンデンサを直列接続する構成とした請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 第１のスイッチ回路が昇圧時に入力端子とインダクタを常時接続する構成とした請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 第２のスイッチ回路が降圧時にインダクタと平滑コンデンサを常時接続する構成とした請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 過渡応答回路が電圧変換回路の第１のスイッチ回路あるいは第２のスイッチ回路から出力するスイッチ電流検知信号と、平滑コンデンサから出力する出力電圧を入力することで出力負荷領域を検出し負荷領域検出信号を出力する負荷判定回路と、制御電圧入力端子から入力される制御電圧と前記出力電圧との比較を行い出力電圧の変化を検出し出力電圧変化検出信号を出力する出力電圧変化検出回路と、前記負荷領域検出信号と前記出力電圧変化検出信号により前記スイッチ制御回路の制御モードを決定する第２の制御動作決定信号を前記スイッチ制御回路と前記電圧比較回路に出力する制御動作決定回路とから構成した請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 電圧比較回路が、出力電圧と制御電圧とを入力して比較演算し誤差電圧を出力する比較回路と、第２の制御動作決定信号により基準三角波信号を出力する発振回路と、前記誤差電圧と前記基準三角波信号を比較しスイッチ制御回路で決定するスイッチング条件信号を出力するスイッチング条件決定回路とから構成される請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 過渡応答回路で決定される動作モードがＰＷＭとＰＦＭである請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 第２の制御動作決定信号に応じて発振回路の発振周波数を変化させスイッチング条件決定回路のスイッチング周波数あるいは時比率を変化させる請求項６に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 縦列接続された第１のスイッチ回路、第１のインダクタと縦列接続された第２のインダクタ、第２のスイッチ回路を並列接続し、前記第１のスイッチ回路と前記第１のインダクタあるいは前記第２のインダクタと前記第２のスイッチ回路と、平滑コンデンサ、比較回路、発振回路、スイッチング条件決定回路とスイッチ制御回路でフィードバック回路を構成する昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、入力電圧条件、負荷電流および負荷電圧で決定される負荷条件あるいは電圧変化の条件に応じて前記スイッチ制御回路を制御する昇圧降圧動作決定回路、高速過渡応答回路を付加したＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 負荷の電流値と電圧値で設定される全負荷領域を１つの電流閾値により２つの動作モードで動作するように設定された請求項１または請求項９に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 電流値と電圧値で設定される全負荷領域を１つあるいは２つ以上の電流閾値と電圧閾値により２つの動作モードで動作するように領域設定された請求項１から請求項９のいずれか１つに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 出力電圧変化検出回路で制御電圧に対応した目標出力電圧に対して出力電圧が所定量以上の電圧差を有し出力電圧の変化が検出された条件下では出力電流および前記出力電圧に関わらずＰＷＭ制御を行い、所定量以上の電圧差を有さず出力電圧の変化が検出されなかった条件下では２つの動作モードの内、負荷判定回路の負荷領域検知信号で決定される動作モードを行うように構成した請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 出力電圧変化検出回路で出力電圧の変化が未検出の状態から検出の状態あるいは検出の状態から未検出の状態に変化する際に出力電圧の変動を抑制する出力変動抑制機能を前記過渡応答回路に設けた構成とした請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
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