JP2008092779A - スイッチング電源制御システムおよび携帯端末 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電圧を昇圧および降圧可能な電源制御システムにおいて、不安定な出力を回避する手段を提供する。
【解決手段】誤差出力モニタ１３において、コンパレータが誤差増幅器９の出力と昇圧動作時のＤｕｔｙ検出レベルとを比較する。コンパレータが、誤差増幅器９の出力と降圧動作時のＤｕｔｙ検出レベルとを比較する。それぞれのコンパレータの出力は、それぞれチャタリング除去回路を介して安定した状態になってから出力される。誤差増幅器９の出力が昇圧動作時のＤｕｔｙ検出レベルよりも高い場合、電源制御判定手段１４は降圧ＤＣ−ＤＣブロック５をオフにする。一方、誤差増幅器９の出力が降圧動作時のＤｕｔｙ検出レベルよりも低い場合、電源制御判定手段１４は昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６をオフにする。電源制御判定手段１４は、クランプ回路１５に指令を与えて、降圧ＤＣ−ＤＣブロック５および昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６への三角波の供給を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧動作および降圧動作を切り替えるスイッチング電源制御システムおよびスイッチング電源回路を備えた携帯端末に関する。

無線通信を行う携帯電話機をはじめとする携帯機器において、高性能化及び多機能化が進んでいる。しかし、携帯機器に多くの機能を備えるためにはその分の機能デバイスが必要となり、それぞれの機能デバイスに対応した電源電圧も必要となる。特に、電力増幅器（以下、パワーアンプという。）の電源に関しては、その送信電力に対応した出力電圧および出力電流が必要とされている。

近年、通信の高速化に対応して、携帯機器の最大送信電力は増加の傾向にある。また、電池等の電源電圧が低下することもあり、必要な電力を得るためには電池等の電圧には関係なく、送信電力に応じた電圧をダイナミックにかつ効率よくパワーアンプに提供しなければならない。

また、電池電圧の長寿命化および高性能化も進んでいる。例えば、従来のリチウムイオン電池の電圧範囲は３．２〜４．２Ｖであったが、最近では２．７〜４．５Ｖの広範囲になってきている。３Ｖ系の機能デバイスを使用する際にも、電池電圧が高い場合は降圧し、電池電圧が低い場合は昇圧しなければならなくなってきている。そのような場合において、例えばスイッチング電源は、効率よく任意の電圧を生成するのに有用な電源である。

使用する電源電圧がリチウムイオン電池等の電圧範囲よりも小さい場合、または大きい場合であれば、スイッチング電源は、例えばレギュレータや単機能の電源構成で実現することができる。しかし、使用される電源電圧が電池電源の範囲にある場合や、パワーアンプなどのように電池電圧範囲を含む電圧をダイナミックに変化させる必要がある場合には、複合的な電源が必要とされる。そのような場合、ひとつの手段として昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられている（特許文献１参照）。

例えば、特許文献１には、昇圧モードと降圧モードとが切り替わる際に、出力電圧変動による誤動作を発生しないように構成された昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータが記載されている。昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、動作モードの切り替わる入力電圧が入力電圧を低下させた場合と入力電圧を上昇させた場合とで異なるように構成されている。そのように構成することによって、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、動作モードの切り替わり時の出力電圧変動によって２つの動作モードを繰り返すといった誤動作を回避することができる。

特開２００５−０４５９４３号公報（段落００３８、図２）

しかし、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、急峻な負荷変動などによって出力電圧が降圧動作領域と昇圧動作領域との間で急激に揺れてしまうと、昇降圧動作が同時に、または連続的に発生してしまう。そのような場合、例えば特許文献１に記載されている昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータでは、一時的に昇圧コンバータまたは降圧コンバータが動作し、出力電圧にオーバーシュートまたはアンダーシュートが発生してしまう。その結果、出力電圧が不安定になってしまうことがある。

一般的な同期整流型の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの構成について説明する。図８は、従来の同期整流型の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を簡略化して示すシステム構成図である。図８に示されているように、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、降圧ＤＣ−ＤＣブロック５と昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６とを備える。具体的には、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電源（例えばリチウムイオン電池）１と、入力の電位を安定させるための入力側のコンデンサ２と、エネルギーの蓄積および放出を実行するためのコイル３と、出力電圧を安定させるための出力側のコンデンサ４と、入力電圧を降圧する降圧ＤＣ−ＤＣブロック５と、入力電圧を昇圧する昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６と、ＰＷＭ制御を行うための発振回路（ＯＳＣ）７と、ＯＳＣ７の昇圧側専用のクロックに対してオフセットと位相制御を行う制御ブロック８と、出力電圧Ｖｏｕｔから分圧した電圧と基準電圧源１０の基準電圧との差を増幅させる誤差増幅器９と、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧するブリーダ抵抗１１，１２と、出力端子２０とを含む。なお、以下、出力端子２０における出力電圧Ｖｏｕｔは入力電源１の電圧の範囲内にあり、一定の出力電圧を有するものとする。

降圧ＤＣ−ＤＣブロック５は、スイッチング素子５１，５２と、それぞれのスイッチング素子を駆動させるための駆動回路５３，５４と、ＯＳＣ７が発生した三角波と誤差増幅器９の出力とからＰＷＭ信号を生成する比較器（以下、コンパレータという。）５５とを含む。降圧ＤＣ−ＤＣブロック５は、入力電源１の電圧を降圧する機能を有する。

スイッチング素子５１として、例えばｎｐｎトランジスタが用いられる。スイッチング素子５１のエミッタは入力電源１に、コレクタはコイル３に、ベースは駆動回路５３にそれぞれ接続されている。

スイッチング素子５２として、例えばｐｎｐトランジスタが用いられる。スイッチング素子５２のエミッタは接地され、コレクタはコイル３に、ベースは駆動回路５４にそれぞれ接続されている。

コンパレータ５５は、パルス信号（ＰＷＭ信号）を出力する。スイッチング素子５１，５２は、コンパレータ５５の出力で制御される。コンパレータ５５の非反転入力端子に誤差増幅器９からの信号が入力され、反転入力端子にＯＳＣ７からの三角波が入力される。

昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６は、スイッチング素子６１，６２と、それぞれのスイッチング素子を駆動させるための駆動回路６３，６４と、ＯＳＣ７が発生した三角波と誤差増幅器９の出力とからＰＷＭ信号を生成するコンパレータ６５とを含む。昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６は、入力電源１の電圧を昇圧する機能を有する。

スイッチング素子６１として、例えばｎｐｎトランジスタが用いられる。スイッチング素子６１のエミッタは出力端子２０に、コレクタはコイル３に、ベースは駆動回路６３にそれぞれ接続されている。

スイッチング素子６２として、例えばｐｎｐトランジスタが用いられる。スイッチング素子６２のエミッタは接地され、コレクタはコイル３とスイッチング素子６１のコレクタとの間に、ベースは駆動回路６４にそれぞれ接続されている。

コンパレータ６５は、パルス信号（ＰＷＭ信号）を出力する。スイッチング素子６１，６２は、コンパレータ６５の出力で制御される。コンパレータ６５は、具体的には、非反転入力端子に誤差増幅器９からの信号が入力され、反転入力端子にＯＳＣ７からのオフセットおよび位相制御された三角波が入力される。

なお、図８に示す構成では昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６側で三角波のオフセットと位相制御を行っているが、三角波のオフセットと位相制御を、降圧ＤＣ−ＤＣブロック５側で実行してもよい。また、入力側のコンデンサ２および出力側のコンデンサ３の種類は特に規定されない。昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータが利用されるシステムに応じて適宜決定される。

図９は、図８に示された昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を示すチャートである。図９には、ＯＳＣ７から出力された三角波と誤差増幅器９から出力された出力信号（以下、誤差増幅器出力２１という。）との関係が示されている。図９に示されているように、昇圧動作（昇圧ＤＣ−ＤＣブロック）における三角波の電位は、降圧動作（降圧ＤＣ−ＤＣブロック）における三角波の電位に比べ高く設定されている。また、降圧動作の三角波（以下、降圧側三角波２３という。）の上限電圧と昇圧動作の三角波（以下、昇圧側三角波２２という。）の下限電圧とは、互いに重なり合わず、かつ、離れすぎていないことを前提とする。

以下、誤差増幅器出力２１が降圧側三角波２３の範囲内に存在する領域を降圧動作領域という。また、誤差増幅器出力２１が昇圧側三角波２２の範囲内に存在する領域を昇圧動作領域という。そして、図９に示されているように降圧動作領域と昇圧動作領域とが重複している部分を昇降圧動作領域という。

出力電圧Ｖｏｕｔが入力電圧よりも低い場合、すなわち降圧動作領域の場合、誤差増幅器９の出力は、下側の三角波（降圧側三角波２３）の範囲内にある。そのような場合、コンパレータ５５による誤差増幅器出力２１とＯＳＣ７から出力される三角波との比較結果が、降圧用のスイッチング信号としてスイッチング素子５１，５２へ供給される。すなわち、降圧ＤＣ−ＤＣブロック５は、ＰＷＭ制御を行っている。なお、降圧動作領域において誤差増幅器出力２１が降圧側三角波２３よりも小さい場合、降圧ＰＷＭ出力２４（すなわち、スイッチング素子５１，５２のゲート信号）は「Ｈ」になる。

また、降圧動作領域では、昇圧側三角波２２が誤差増幅器出力２１に比べ常に高いレベルにある。そのような場合、昇圧ＰＷＭ出力２５（すなわち、スイッチング素子６１，６２のゲート信号）は、常に「Ｌ」になる。したがって、昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６では、スイッチング素子６１が「オン」、スイッチング素子６２が「オフ」の状態に固定され、降圧側の出力がそのままＶｏｕｔとして出力される。

一方、出力電圧Ｖｏｕｔが入力電圧よりも高い場合、すなわち昇圧動作領域の場合、誤差増幅器９の出力は、上側の三角波（昇圧側三角波２２）の範囲内にある。そのような場合、コンパレータ６５による誤差増幅器出力２１とＯＳＣ７から出力される三角波との比較結果が、昇圧用のスイッチング信号としてスイッチング素子６１，６２へ供給される。すなわち、昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６は、ＰＷＭ制御を行っている。なお、昇圧動作領域において誤差増幅器出力２１が昇圧側三角波２２よりも小さい場合、昇圧ＰＷＭ出力２５（すなわち、スイッチング素子６１，６２のゲート信号）は「Ｌ」になる。

また、昇圧動作領域では、降圧側三角波２３が誤差増幅器出力２１に比べ常に低いレベルにある。そのような場合、降圧ＰＷＭ出力２４は、常に「Ｌ」になる。したがって、降圧ＤＣ−ＤＣブロック５では、スイッチング素子５１が「オン」，スイッチング素子５２が「オフ」の状態に固定される。昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力側の電圧をそのままコイル３に入力し、昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６によって電圧を昇圧する。

以上のように、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、理想の状態では図９に示されているような動作を実行する。

次に、出力電圧Ｖｏｕｔが負荷変動などによって一時的に変動する場合について説明する。図１０は、降圧動作時に負荷の変動などによって出力電圧Ｖｏｕｔが降下した場合に発生する不安定な動作の一例を示す説明図である。

出力電圧Ｖｏｕｔが降下したとき、まず出力電圧Ｖｏｕｔはブリーダ抵抗を介して誤差増幅器９に入力される。一定の基準に対して出力電圧３０は下側（低電圧側）にずれるため、出力電圧を上げようとして誤差増幅器出力２１の出力レベルは高くなる。その場合、この時のレベル（誤差増幅器出力２１）が昇圧側三角波にかかってしまい、図１０におけるＢに示すように、一時的に昇圧動作が起こってしまう。それによって、一時的に降下した出力電圧３０は、昇圧動作によって規定の電圧を超え、オーバーシュートしてしまう。

降圧動作時に一時的な昇圧動作が動作することは、出力電圧が不安定になってしまうとともに、昇圧するために電荷を一時的にＧＮＤ（接地）レベルに捨てることになるため、消費電力的にも不利である。

そこで、本発明は、急峻な負荷変動などによって出力電圧が降圧動作領域と昇圧動作領域との間で急激に揺れてしまう場合であっても出力電圧を安定させることができ、消費電力を節減できるスイッチング電源制御システムおよび携帯端末を提供することを目的とする。

本発明によるスイッチング電源制御システムは、出力電圧値と基準電圧値とを比較して誤差電圧値を出力する誤差電圧値出力手段を備えたスイッチング電源制御システムであって、入力電圧を降圧する降圧手段と、入力電圧を昇圧する昇圧手段と、誤差電圧値を昇圧手段を動作させるか否かの基準となる昇圧動作基準値（例えば、図４における降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１９に相当する）および降圧手段を動作させるか否かの基準となる降圧動作基準値（例えば、図４における昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１８に相当する）とそれぞれ比較し、比較結果を示す信号を出力する誤差電圧値比較手段と、誤差電圧値比較手段が出力した信号を入力し、信号に含まれる振動成分を除去した補正信号を出力する信号安定化手段と、信号安定化手段が出力した補正信号に基づいて、昇圧手段および降圧手段のそれぞれの動作を制御する動作制御手段とを備えたことを特徴とする。

信号安定化手段は、誤差電圧値比較手段が出力した信号のレベルが所定の時間にわたって同じ出力レベルである場合に、そのレベルの補正信号を出力することが好ましい。その場合、信号安定化手段は、複数段のフリップフロップを含み、初段のフリップフロップは、誤差電圧値比較手段が出力した信号を入力し、初段より後段のフリップフロップは、前段のフリップフロップの出力を入力するように構成してもよい。

誤差電圧値比較手段は、昇圧手段を動作させるか否かの基準となる昇圧動作基準値を生成する昇圧動作基準値生成手段（例えば、図２の降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３８）と、降圧手段を動作させるか否かの基準となる降圧動作基準値を生成する降圧動作基準値生成手段（例えば、図２の昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３７）とを備え、昇圧動作基準値生成手段は、降圧動作基準値生成手段が生成した降圧動作基準値よりも、昇圧動作基準値が小さくなるように生成することが好ましい。

動作制御手段は、誤差電圧値が昇圧動作基準値以下の場合に信号安定化手段が出力した信号が変化したときには、昇圧手段をオフにし、誤差電圧値が昇圧動作基準値を超えた場合に信号安定化手段が出力した信号が変化したときには、昇圧手段をオンにすることが好ましい。

また、動作制御手段は、誤差電圧値が降圧動作基準値以下の場合に信号安定化手段が出力した信号が変化したときには、降圧手段をオンにし、誤差電圧値が降圧動作基準値を超えた場合に信号安定化手段が出力した信号が変化したときには、降圧手段をオフにすることが好ましい。

また、本発明によるスイッチング電源制御システムは、昇圧手段および降圧手段に供給する三角波を生成する三角波生成手段を備えたスイッチング電源制御システムであって、動作制御手段が、三角波生成手段が出力した三角波の供給を制御する三角波供給制御手段を備え、三角波供給制御手段は、昇圧手段がオフの場合には昇圧手段への三角波の供給を停止し、降圧手段がオフの場合には降圧手段への三角波の供給を停止することが好ましい。

本発明による好ましい態様のスイッチング電源制御システムは、降圧および昇圧それぞれのＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングのある一定のＤｕｔｙのレベルをある一定の時間で検出することによって、降圧ＤＣ−ＤＣ動作、昇圧ＤＣ−ＤＣ動作および昇降圧ＤＣ−ＤＣ動作を切り替える。降圧ＤＣ−ＤＣ動作時にある一定のオンＤｕｔｙレベル（例えば、図４における降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１９）を超えると、昇圧ＤＣ−ＤＣのブロックの電源を入れるとともにオシレータ（例えば、図１のＯＳＣ７）から三角波を供給する。さらに昇圧ＤＣ−ＤＣ動作で、ある一定のＤｕｔｙレベル（例えば、図４における昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１８）が確保されると降圧ＤＣ−ＤＣ動作ブロックの電源をオフにして、オシレータからの三角波の供給を止める。

このことによって、常に昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータブロックおよび、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータブロックの両方を動作させておく必要がなくなる。その結果、入力電圧と出力電圧が近い場合や、このＤＣ−ＤＣコンバータの消費電流に比べはるかに大きい場合以外は、降圧および昇圧、すなわち昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは動作しない。そのため、このコンバータとしては、効率の良い電圧を提供することができるとともに、負荷の変化によって発生する出力電圧の変動をできる限り抑えることができる。

本発明による携帯端末は、出力電圧値と基準電圧値とを比較して誤差電圧値を出力する誤差電圧値出力手段を備えた携帯端末であって、入力電圧を降圧する降圧手段と、入力電圧を昇圧する昇圧手段と、誤差電圧値を昇圧手段を動作させるか否かの基準となる昇圧動作基準値および降圧手段を動作させるか否かの基準となる降圧動作基準値とそれぞれ比較し、比較結果を示す信号を出力する誤差電圧値比較手段と、誤差電圧値比較手段が出力した信号を入力し、信号に含まれる振動成分を除去した補正信号を出力する信号安定化手段と、信号安定化手段が出力した補正信号に基づいて、昇圧手段および降圧手段のそれぞれの動作を制御する動作制御手段とを含むスイッチング電源回路を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、降圧および昇圧を往来するような出力電圧の変動を抑制することができ、出力電圧を安定させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明によるスイッチング電源制御システムの一例を示すシステム構成図である。図１に示されているように、本発明による昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ（スイッチング電源回路）は、上述した一般的な昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの構成要素を備え、さらに、誤差増幅器９の出力を受けて規定のＤｕｔｙのレベル（以下、Ｄｕｔｙ検出レベルという。）を比較する誤差増幅器出力モニタ１３と、誤差増幅器出力モニタ１３による判定結果を示した出力信号を受けてそれぞれのＤＣ−ＤＣコンバータブロックの電源制御と三角波の制御を行う電源制御判定手段１４と、電源制御判定手段１４から信号を受けて回路の切り替えを行うスイッチ１６，１７と、ＯＳＣ７からの三角波が入力されていないときの各ＤＣ−ＤＣブロックの電位を保つためのクランプ回路１５とを備えている。

なお、Ｄｕｔｙ検出レベルとは、各ＤＣ−ＤＣブロックを動作させるか否かを判定するためのそれぞれの基準電圧値をいう。例えば誤差増幅器９の出力信号が後述する昇圧動作時のＤｕｔｙ検出レベルを超えた場合、電源制御判定手段は、降圧ＤＣ−ＤＣブロック５の動作をオフにする。

図２は、誤差増幅器出力モニタ１３および電源制御判定手段１４の一構成例を示すブロック図である。図２に示されているように、誤差増幅器出力モニタ１３は、誤差増幅器９の出力と降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３８の出力との出力レベルを比較するコンパレータ１３１と、コンパレータ１３１の出力が安定した状態になってから出力するためのチャタリング除去回路１３２と、チャタリング除去回路１３２のバッファ出力部１３３と、誤差増幅器９の出力と昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３７の出力との出力レベルを比較するコンパレータ１３４と、コンパレータ１３４の出力が安定した状態になってから出力するためのチャタリング除去回路１３５と、チャタリング除去回路１３５のバッファ出力部１３６とを備える。

なお、昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３７の出力は、コンパレータ１３４の非反転入力端子に入力され、降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３８の出力は、コンパレータ１３１の非反転入力端子に入力される。また、誤差増幅器９の出力は、コンパレータ１３１，１３４のそれぞれの反転入力端子に入力される。

チャタリング除去回路１３２，１３５は、コンパレータの出力信号を安定した状態になってから出力する機能を備える。チャタリング除去回路１３２，１３５は、出力電圧Ｖｏｕｔが負荷変動などで瞬時的な動作（例えば、コンパレータ１３１，１３４の出力が短周期で「Ｈ」と「Ｌ」を繰り返す振動動作）になったときの誤動作を防止する。すなわち、コンパレータ１３１，１３４の出力信号を補正して、補正信号を出力する。なお、チャタリング除去回路１３２，１３５として、コンデンサなどの容量を用いたアナログ的な遅延回路を用いてもよいし、フリップフロップなどを用いたデジタル的な回路を用いてもよい。

昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３７および降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３８は、降圧および昇圧のある一定のＤｕｔｙの時のレベル（Ｄｕｔｙ検出レベル）を生成している。各コンパレータは、誤差増幅器９からの出力とそれぞれのＤｕｔｙ検出レベルとを比較する。そして、その比較結果に基づいて、電源制御判定手段１４はそれぞれのＤＣ−ＤＣブロックを動作させるか否かを判定する。なお、昇圧動作時のＤｕｔｙ検出レベルは、常に降圧動作のＤｕｔｙ検出レベルよりも高いレベルで設定される。

電源制御判定手段１４は、誤差増幅器出力モニタ１３からの出力を受けてデコードするデコーダ１４１と、デコード結果に基づいて各ＤＣ−ＤＣブロックおよび三角波を制御する電源制御回路１４２とを備えている。

図３は、チャタリング除去回路１３２またはチャタリング除去回路１３５の一構成例を示すブロック図である。チャタリング除去回路は、コンパレータの信号変化をフリップフロップ１３２１〜１３２３によってモニタする。具体的には、チャタリング除去回路は、それぞれのフリップフロップ１３２１〜１３２３の出力を論理回路１３２５で受け、クロックの区間がすべて同じ論理であれば、フリップフロップ１３２５のクロックラインに立ち上がり信号を送る。すなわち、チャタリング除去回路は、出力をラッチする回路構成となっている。

なお、各フリップフロップ１３２１〜１３２３に入力されるクロックに関しては、タイミングを取るために外部から取り込んでもよいし、ＯＳＣ７からの三角波を利用してもよい。また、図３では３段のフリップフロップが示されているが、チャタリング除去回路は、さらに複数のフリップフロップを含んでいてもよい。チャタリングの除去時間（後述する一定の安定時間。例えば図４参照。）を、フリップフロップの段数で制御してもよい。

次に、本発明による昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を説明する。図４は、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作の一例を示す説明図である。図４には、昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３７が生成した昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１８と、降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部１３８が生成した降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１９とが示されている。なお、昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１８は、降圧動作を実行するかどうかを判定するための基準レベルである。また、降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１９は、昇圧動作を実行するか否かを判定するための基準レベルである。

図４に示されているように、降圧動作がある一定のＤｕｔｙ以下（つまり、誤差増幅器出力２１のレベルが降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１９以下）の場合、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６を停止させる。具体的には、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、クランプ回路１５によって昇圧側への三角波の提供を停止するとともに、スイッチング素子６１，６２のゲートの信号を「Ｌ」にして導通状態にする。そうすることにより、誤差増幅器出力２１が降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１９以下の場合には、昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６をオフにすることができる。その結果、三角波の生成回路および昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６の消費電流を抑制することができる。

上述した状態において、入力電源電圧（例えば電池電圧）が低下した場合、または出力電圧Ｖｏｕｔを上げる場合、誤差増幅器出力２１のレベルが上昇し降圧のＰＷＭ動作のＤｕｔｙが減少していく。そして、誤差増幅器出力２１が降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１９をこえるとコンパレータ１３１が反応するが（図４における４ａ地点）、チャタリング除去回路１３２によってある一定時間経過するまで信号は出力されない。つまり、コンパレータ１３１の出力は、ある一定時間安定した状態となった場合に出力される（図４における４ｂ地点）。なお、チャタリング除去回路１３２における「一定時間」は、具体的にはフリップフロップの段数によって決定される。

電源制御判定手段１４は、チャタリング除去回路１３２が出力した信号に基づいて昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６をオンにするとともに、昇圧側の三角波を昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６のコンパレータ６５に入力し、昇圧動作に移行できるように設定する。

さらに入力電源電圧が低下した場合、または、出力電圧Ｖｏｕｔを上げるような場合、誤差増幅器出力２１のレベルは高くなり、昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１８を超えるとコンパレータ１３４が反応する（図４における４ｃ地点）。しかし、チャタリング除去回路１３６によってある一定時間経過するまで信号は出力されない。つまり、コンパレータ１３４の出力は、ある一定時間安定した状態となった場合に出力される（図４における４ｄ地点）。電源制御判定手段１４は、チャタリング除去回路１３２が出力した信号に基づいて降圧ＤＣ−ＤＣブロック５をオフにするとともに、降圧側の三角波をクランプ回路１５によって停止する。

図５は昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータによる他の動作の一例を示す説明図である。図５には、図４の場合とは逆に、出力電圧Ｖｏｕｔを下げる場合が示されている。図５に示されているように、昇圧動作においてある一定のＤｕｔｙ以上（つまり、誤差増幅器出力２１のレベルが昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１８以上）の場合、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは降圧ＤＣ−ＤＣブロック６を停止させている。具体的には、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、クランプ回路１５によって降圧側への三角波の提供を停止するとともに、スイッチング素子５１のゲートの信号を「Ｌ」にして導通状態にしている。そうすることにより、誤差増幅器出力２１のレベルが昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１８以上の場合には、降圧ＤＣ−ＤＣブロック５をオフにすることができる。また、降圧ＤＣ−ＤＣブロック５への三角波の供給を停止して省電力化を図っている。

上述した状態から入力電源電圧（例えば電池電圧）が上昇した場合、あるいは出力電圧Ｖｏｕｔを下げる場合、誤差増幅器出力のレベルが下がるため、昇圧のＰＷＭのＤｕｔｙは下がっていく。そして、誤差増幅器出力２１のレベルが、昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１８を下回ると、コンパレータ１３４が反応する（図５における５ａ地点）。その場合、コンパレータ１３４の出力は「Ｈ」から「Ｌ」へと変化する。

昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、チャタリング除去回路１３５で、ある安定時間で一定になると降圧ＤＣ−ＤＣブロック５をオンにするとともに（図５における５ｂ地点）、降圧側の三角波を降圧ＤＣ−ＤＣブロック５に供給する。具体的には、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、クランプ回路１５によって降圧ＤＣ−ＤＣブロック５に三角波を供給する。そうすることよって、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、降圧動作に移行できるように設定される。

さらに入力電源電圧が上昇した場合、もしくは出力電圧を下げるような場合、誤差増幅器出力２１のレベルは低くなり、降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１９を超える（下回る）とコンパレータ１３１が反応する（図５における５ｃ地点）。具体的には、図５における５ｃ地点でコンパレータ１３１の出力は「Ｈ」から「Ｌ」へと変化する。昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、チャタリング除去回路１３２で、ある安定時間で一定になると昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６をオフにするとともに（図５における５ｄ地点）、昇圧側への三角波の供給をクランプ回路１５によって停止し、スイッチング素子６１を導通状態にする。

以上のように、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、チャタリング除去回路１３２の出力２７に基づいて昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６の動作を制御する。また、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、チャタリング除去回路１３５の出力２９に基づいて降圧ＤＣ−ＤＣブロック５の動作を制御する。

次に、不安定動作時における昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を説明する。図６は、降圧動作時に負荷変動により出力電圧Ｖｏｕｔが一時的に降下した場合の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を示す説明図である。上述したように、負荷変動などによって出力電圧３０が一時的に低下した場合には（図６におけるＡ参照）、一般的な昇降圧ＤＣＤＣコンバータでは、一時的に昇圧コンバータ（昇圧ＤＣ−ＤＣブロック）が動作して出力電圧Ｖｏｕｔにオーバーシュートが発生する（図１０におけるＢ参照）。しかし、本発明による昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、降圧動作時に昇圧ＤＣ−ＤＣブロックをオフにしているため、昇圧動作を実行することがない。このため、出力電圧Ｖｏｕｔのオーバーシュートは軽減される。

また、昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６をオンにした状態で出力電圧Ｖｏｕｔが一時的に降下した場合であっても、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、チャタリング除去回路によって昇圧動作へのスイッチングを回避することができる。すなわち、チャタリング除去回路を設けたことによって、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、瞬時に降圧動作および昇圧動作を往来するような不安定な動作を回避することができる。

図７は、上述した一連の動作をまとめて示す説明図である。なお、降圧レベル検出はチャタリング除去回路１３２の出力を、昇圧レベル検出はチャタリング除去回路１３５の出力をそれぞれ表している。降圧動作、昇圧動作および昇圧動作＋降圧動作の状態変化は、昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１８と降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル１９とによって切り替えられる。

例えば降圧検出レベル（チャタリング除去回路１３２の出力２７）がＬ→Ｈの場合、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６をオンにする。具体的には、図４における４ｂ地点において、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧ＤＣ−ＤＣブロック６をオンにすることに相当する。

以上のように、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、完全に降圧動作、もしくは昇圧動作になっているときは他方をオフにして省電力にするとともに、出力電圧Ｖｏｕｔの変動による不安定動作を避けることができる。そうすることによって、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力側の電圧と出力側の電圧に差がありどちらか一方のＤＣ−ＤＣコンバータしか使用しない場合には、他方をオフにするように制御して省電力化回路を実現する。

また、従来の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは常時、降圧および昇圧回路に三角波を入力して回路を動作させていたのに対して、本実施の形態の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、明らかに一方のコンバータしか動作しない場合には他方の回路のクロック供給を止める。そうすることで、昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを誤作動しないようにすることができる。また、本実施の形態では、明らかに一方のコンバータしか動作しない場合は他方のコンバータをオフにすることで、余分な消費電流を流さないような省電力化回路を実現することができる。

入力電圧を昇圧および降圧できる電源制御システムに適用できる。

スイッチング電源制御システムの一例を示すシステム構成図である。 誤差増幅器出力モニタ１３および電源制御判定手段１４の一構成例を示すブロック図である。 チャタリング除去回路の一構成例を示すブロック図である。 昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作の一例を示す説明図である。 昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作の一例を示す説明図である。 降圧動作時に負荷変動により出力電圧Ｖｏｕｔが一時的に降下した場合の昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を示す説明図である。 一連の動作をまとめて示す説明図である。 一般的な昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示すシステム構成図である。 昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を示すチャートである。 出力電圧Ｖｏｕｔが降下した場合に発生する不安定な動作の一例を示す説明図である。

符号の説明

１ 入力電源
２、４ コンデンサ
３ コイル
５ 降圧ＤＣ−ＤＣブロック
６ 昇圧ＤＣ−ＤＣブロック
７ 発振回路ＯＳＣ
８ 制御ブロック
９ 誤差増幅器
１０ 基準電圧源
１１、１２ ブリーダ抵抗
１３ 誤差増幅器出力モニタ
１３１、１３４、５５、６５ コンパレータ
１３２、１３５ チャタリング除去回路
１３３、１３６ バッファ出力部
１３７ 昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部
１３８ 降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル生成部
１３２１、１３２２、１３２３ フリップフロップ
１３２５ 論理回路
１４ 電源制御判定手段
１４１ デコーダ
１４２ 電源制御回路
１５ クランプ回路
１６、１７ スイッチ
１８ 昇圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル
１９ 降圧動作時Ｄｕｔｙ検出レベル
２０ 出力端子
２１ 誤差増幅器出力
２２ 昇圧側三角波
２３ 降圧側三角波
２４ 降圧ＰＷＭ出力
２５ 昇圧ＰＷＭ出力
２６ コンパレータ１３１の出力
２７ チャタリング除去回路１３２の出力
２８ コンパレータ１３４の出力
２９ チャタリング除去回路１３５の出力
３０ 出力電圧Ｖｏｕｔ
５１、５２、６１、６２ スイッチング素子
５３、５４、６３、６４ 駆動回路

Claims (8)

1. 出力電圧値と基準電圧値とを比較して誤差電圧値を出力する誤差電圧値出力手段を備えたスイッチング電源制御システムにおいて、
   入力電圧を降圧する降圧手段と、
   入力電圧を昇圧する昇圧手段と、
   前記誤差電圧値を前記昇圧手段を動作させるか否かの基準となる昇圧動作基準値および前記降圧手段を動作させるか否かの基準となる降圧動作基準値とそれぞれ比較し、比較結果を示す信号を出力する誤差電圧値比較手段と、
   前記誤差電圧値比較手段が出力した信号を入力し、信号に含まれる振動成分を除去した補正信号を出力する信号安定化手段と、
   前記信号安定化手段が出力した補正信号に基づいて、前記昇圧手段および前記降圧手段のそれぞれの動作を制御する動作制御手段とを備えた
   ことを特徴とするスイッチング電源制御システム。
2. 信号安定化手段は、誤差電圧値比較手段が出力した信号のレベルが所定の時間にわたって同じ出力レベルである場合に、そのレベルの補正信号を出力する
   請求項１記載のスイッチング電源制御システム。
3. 信号安定化手段は、複数段のフリップフロップを含み、
   初段のフリップフロップは、誤差電圧値比較手段が出力した信号を入力し、
   初段より後段のフリップフロップは、前段のフリップフロップの出力を入力する
   請求項２記載のスイッチング電源制御システム。
4. 誤差電圧値比較手段は、
   昇圧手段を動作させるか否かの基準となる昇圧動作基準値を生成する昇圧動作基準値生成手段と、
   降圧手段を動作させるか否かの基準となる降圧動作基準値を生成する降圧動作基準値生成手段とを備え、
   前記昇圧動作基準値生成手段は、前記降圧動作基準値生成手段が生成した降圧動作基準値よりも、前記昇圧動作基準値が小さくなるように生成する
   請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のスイッチング電源制御システム。
5. 動作制御手段は、
   誤差電圧値が昇圧動作基準値以下の場合に信号安定化手段が出力した信号が変化したときには、昇圧手段をオフにし、
   前記誤差電圧値が前記昇圧動作基準値を超えた場合に前記信号安定化手段が出力した信号が変化したときには、昇圧手段をオンにする
   請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のスイッチング電源制御システム。
6. 動作制御手段は、
   誤差電圧値が降圧動作基準値以下の場合に信号安定化手段が出力した信号が変化したときには、降圧手段をオンにし、
   前記誤差電圧値が前記降圧動作基準値を超えた場合に前記信号安定化手段が出力した信号が変化したときには、降圧手段をオフにする
   請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載のスイッチング電源制御システム。
7. 昇圧手段および降圧手段に供給する三角波を生成する三角波生成手段を備えたスイッチング電源制御システムであって、
   動作制御手段は、前記三角波生成手段が出力した三角波の供給を制御する三角波供給制御手段を備え、
   前記三角波供給制御手段は、
   前記昇圧手段がオフの場合には、前記昇圧手段への三角波の供給を停止し、
   前記降圧手段がオフの場合には、前記降圧手段への三角波の供給を停止する
   請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載のスイッチング電源制御システム。
8. 出力電圧値と基準電圧値とを比較して誤差電圧値を出力する誤差電圧値出力手段を備えた携帯端末において、
   入力電圧を降圧する降圧手段と、
   入力電圧を昇圧する昇圧手段と、
   前記誤差電圧値を前記昇圧手段を動作させるか否かの基準となる昇圧動作基準値および前記降圧手段を動作させるか否かの基準となる降圧動作基準値とそれぞれ比較し、比較結果を示す信号を出力する誤差電圧値比較手段と、
   前記誤差電圧値比較手段が出力した信号を入力し、信号に含まれる振動成分を除去した補正信号を出力する信号安定化手段と、
   前記信号安定化手段が出力した補正信号に基づいて、前記昇圧手段および前記降圧手段のそれぞれの動作を制御する動作制御手段とを含むスイッチング電源回路を備えた
   ことを特徴とする携帯端末。

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