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公開番号2020005481
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200109
出願番号2018126019
出願日20180702
発明の名称昇圧電源回路
出願人株式会社デンソー
代理人特許業務法人 サトー国際特許事務所
主分類H02M 3/155 20060101AFI20191206BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】リチウムイオン電池側への逆流電流の発生を極力防止しつつ、同期整流を効率的に実施することができるようにした昇圧電源回路を提供する。
【解決手段】バッテリ1から降圧DCDC変換回路3などを介して2次側電圧Voutを供給する。バッテリ1の電圧低下や断線時に動作する昇圧電源回路10は、リチウムイオン電池11を昇圧して出力する。昇圧コイル15、MOSFET16および18を制御部20によりオンオフ制御して昇圧電圧を出力して負荷である通信モジュール6に給電する。1次側電流を電流検出抵抗17で検出し、参照電圧Vref1以上のときにMOSFET18をオンさせて同期整流動作する。参照電圧Vref1未満のときには、寄生ダイオード18aによりダイオード整流動作させる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
直流電源(1)からの給電が停止したときにバックアップ電源となるリチウムイオン電池(11)を電源として負荷に給電する昇圧電源回路であって、
前記リチウムイオン電池の出力電圧を所定レベルまで昇圧するための昇圧コイル(15)と、
前記昇圧コイル用への通電用の第1のスイッチング素子(16、19)と、
出力用のダイオード(18a)およびこれに並列接続される第2のスイッチング素子(18)と、
前記リチウムイオン電池からの給電電流を検出する電流検出回路(17、19a、25、25a、61、62)と、
前記第1のスイッチング素子をオンさせて前記リチウムイオン電池から前記昇圧用コイルに通電し、昇圧出力を前記ダイオードもしくは前記第2のスイッチング素子を介して出力する制御部(20、30、40、50、60、70)とを備え、
前記制御部は、前記電流検出回路により検出される電流の値が所定レベル以上のときに前記第2のスイッチング素子をオンさせて前記負荷側に給電する昇圧電源回路。
続きを表示(約 630 文字)【請求項2】
前記リチウムイオン電池と前記昇圧用コイルとの間に通電経路を遮断する第3のスイッチング素子(12、13)を設けた請求項1に記載の昇圧電源回路。
【請求項3】
前記電流検出回路(19a、25)は、前記第1スイッチング素子(19)に設けられた電流検出用のセンス素子(19a)である請求項1または2に記載の昇圧電源回路。
【請求項4】
前記電流検出回路(61、62)は、前記負荷側の電流を検出するように設けられる請求項1から3のいずれか一項に記載の昇圧電源回路。
【請求項5】
前記リチウムイオン電池の電圧を検出する電圧検出回路(71)を設け、
前記制御部(70)は、前記電圧検出回路により検出される電圧に応じて前記電流検出回路(25a)により判定する所定レベルを切り替えるように構成された請求項1から4のいずれか一項に記載の昇圧電源回路。
【請求項6】
前記第3のスイッチング素子(12、13)は、MOSFETをソース同士もしくはドレイン同士を結合した直列回路として構成され、
前記電圧検出回路は、前記2個のMOSFETの共通接続点の電圧を検出する請求項2から5のいずれか一項に記載の昇圧電源回路。
【請求項7】
前記制御部(20、30、40、50、60、70)は、集積回路により構成される請求項1から6のいずれか一項に記載の昇圧電源回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、昇圧電源回路に関する。
続きを表示(約 9,600 文字)【背景技術】
【0002】
車両に搭載されるECUには、バッテリからの電源が断たれた状態や電源電圧が低下した状態でも、非常時の通信を確保することができるように給電を可能とするものがある。この場合、バックアップ電源として例えばリチウムイオン電池を備えたものでは、通常1次側の電圧が3.6V程度であるので、これを5V程度の電圧レベルまで昇圧して2次側に出力する昇圧回路を設けている。また、上記のように昇圧回路を設ける場合に、2次側の出力が1次側に戻らないようにするため、ダイオードや同期整流素子により逆流阻止を図る構成を採用している。
【0003】
この場合、ダイオードだけを用いる構成ではダイオードの順方向電圧Vf分の損失が発生するので、動作時間が短くなる不具合がある。この点、同期整流方式を採用すると、ダイオードによる損失分をなくすことができるので効率の向上を図ることができるが、2次側の電流が少ない状態では同期整流のための制御で効率が低下することがあった。このため、ダイオード整流と同期整流とを併用する方式が採用されている。
【0004】
しかしながら、特許文献1のもののように、負荷電流のレベルがモードによってある程度決まっている機器に用いられる場合にはCPUによる切り替え制御で有効であるが、車両の負荷のように、負荷電流が状況によって変動するものでは、同期整流動作とダイオード整流動作との切り替えが必ずしも有効とならず、CPUによる制御が難しいものとなるため、CPU側からのモードによる切替制御が難しくなることがある。
【0005】
また、特許文献2のもののように、逆流電流を検出して切り替えるものでは、逆電流を確実に検出するためのしきい値を設定する場合に、ある程度の幅をもたせることが必要となり、設定状態によっては2次側から同期整流素子を通じて1次側に電流が流れ込む場合がある。この場合、前述のようにリチウムイオン電池を電源として昇圧する構成では、リチウムイオン電池側に電流が流れ込む状態が発生することは安全上の点で好ましくない点で採用することが難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2004−343909号公報
特開2014−117109号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、2次側から1次側のリチウムイオン電池への逆流電流の発生を極力防止しつつ、同期整流を効率的に実施することができるようにした昇圧電源回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
請求項1に記載の昇圧電源回路は、直流電源からの給電が停止したときにリチウムイオン電池を電源として負荷に給電する昇圧電源回路であって、前記リチウムイオン電池の出力電圧を所定レベルまで昇圧するための昇圧コイルと、前記昇圧コイル用への通電用の第1のスイッチング素子と、出力用のダイオードおよびこれに並列接続される第2のスイッチング素子と、前記リチウムイオン電池からの給電電流を検出する電流検出回路と、前記第1のスイッチング素子をオンさせて前記リチウムイオン電池から前記昇圧用コイルに通電し、昇圧出力を前記ダイオードもしくは前記第2のスイッチング素子を介して出力する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記電流検出回路により検出される前記1次側電流の値が所定レベル以上のときに前記第2のスイッチング素子をオンさせて前記負荷側に給電する。
【0009】
上記構成を採用することにより、制御回路は、電流検出回路により検出される1次側電流の値が所定レベル以上のときに第2のスイッチング素子をオンさせて負荷側に給電する。この状態では、1次側電流が所定レベル以上あることで、2次側での負荷電流の消費が大きい状態が判定できるので、逆流電流が発生することはないので、第2のスイッチング素子をオンさせて同期整流により給電することができる。
【0010】
一方、電流検出回路により検出される1次側電流の値が所定レベル未満になると、第2のスイッチング素子はオフ状態としてダイオードを介して負荷側に給電する。この状態では、1次側電流が所定レベル未満となることで、2次側での負荷電流が少ない状態であるから、逆流電流の発生を抑制するダイオードを用いた給電動作として逆流阻止を図る。このようにして、制御回路により、1次側電流に応じて自律的に同期整流動作とダイオード整流動作との切り替え動作を行わせることができるので、リチウムイオン電池への逆流電流を抑制しつつ、同期整流による効率的な昇圧動作を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
第1実施形態を示す電気的構成図
タイムチャート
第2実施形態を示す電気的構成図
第3実施形態を示す電気的構成図
第4実施形態を示す電気的構成図
第5実施形態を示す電気的構成図
第6実施形態を示す電気的構成図
制御パターンによる作用説明図
変形例を示す電気的構成図(その1)
変形例を示す電気的構成図(その2)
【発明を実施するための形態】
【0012】
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について、図1および図2を参照して説明する。
電気的構成を示す図1において、車両に搭載される各種負荷に対して、バッテリ1からダイオード2、降圧DCDC変換回路3およびPチャンネル型のMOSFET4を直列に介して2次側のコンデンサ5の出力端子に出力電圧Voutとして給電する。バッテリ1は通常12Vの直流電圧VBであるから、これを降圧DCDC変換回路3により降圧して所定の2次側電圧Voutを供給する。
【0013】
これに対して、昇圧電源回路10は、バックアップ電源であるリチウムイオン電池11の1次側電圧である直流電圧Vbuを昇圧して出力端子に2次側電圧Voutとして給電する。昇圧電源回路10は、バッテリ1からの給電が停止したときに動作して2次側電圧Voutを生成するもので、負荷として接続された通信もモジュール6のような、非常時に通信が可能となるように設けられたものである。
【0014】
昇圧電源回路10は、昇圧回路構成として、Pチャンネル型のMOSFET12、13、コンデンサ14、昇圧コイル15、昇圧用のNチャンネル型のMOSFET16、電流検出抵抗17および同期整流用のPチャンネル型のMOSFET18を備える。また、これら昇圧回路構成の各部を制御する制御部20を備える。
【0015】
MOSFET12、13は、双方向の導通を遮断するカットスイッチとして構成され、第3のスイッチング素子として機能する。また、MOSFET12、13は、それぞれボディダイオード12a、13aを備える。MOSFET16は第1のスイッチング素子として機能し、MOSFET18は第2のスイッチング素子として機能する。MOSFET18には寄生ダイオード18aが備わっているので、並列に接続されるダイオードとして機能する。
【0016】
MOSFET12および13は、ソース同士が共通に接続され、MOSFET12のドレインが端子Aを介してリチウムイオン電池11の正極端子に接続され、MOSFET13のドレインがコンデンサ14を介してグランドに接続されるとともに、昇圧コイル15の一端子に接続される。昇圧コイル15の他端子は、MOSFET16のドレイン−ソース間および電流検出抵抗17を直列に介してグランドに接続される。また、昇圧コイル15の他端子は、MOSFET18のドレイン−ソース間から端子Bを介してコンデンサ5の出力端子に接続される。
【0017】
制御部20は、IC(半導体集積回路)として一体に設けられている。制御部20において、昇圧制御回路21は、端子Bの2次側電圧Voutを取り込み、MOSFET16および18を駆動制御する。この場合、昇圧制御回路21は、バッテリ1の直流電圧VBをモニタするように給電経路の電圧を検出しており、例えば降圧DCDC変換回路3への直流電圧VBが所定レベル以下になると昇圧動作を開始するように構成されている。
【0018】
昇圧制御回路21の出力端子は、駆動回路22を介してMOSFET16のゲートに接続され、駆動回路23を介してMOSFET18のゲートに接続される。駆動回路22は昇圧制御回路21からの信号に応じて駆動信号S1を出力する。駆動回路23は、常時ハイレベルの信号を出力しており、制御回路24から同期整流切替信号が与えられると、昇圧制御回路21からの信号に応じて駆動信号S2を出力する。この場合、MOSFET16は、駆動信号S1がハイレベルのときオンする。また、MOSFET18は駆動信号S2がローレベルのときオンする。
【0019】
制御回路24は、電流検出回路25からの電流検出信号Sxに基づいて駆動回路23の動作状態を制御する。電流検出回路25は、ヒステリシス付のコンパレータ26を備え、電流検出抵抗17に流れる1次側電流Idを、端子電圧Vdとして取り込み、参照電圧Vref1と比較して、超えている場合に電流検出信号Sxを制御回路24に出力する。
【0020】
この場合、参照電圧Vref1は、2次側から1次側に電流が回り込まないようにするため、1次側電流Idのレベルにより設定されている。具体的には、1次側への逆流を防止できるレベルの1次側電流Idに対応した端子電圧Vdを判定できるように参照電圧Vref1を設定している。
【0021】
次に、上記構成の作用について、図2も参照して説明する。
車両においては、通常状態ではバッテリ1が接続された状態となっているので、出力端子にはバッテリ1側から2次側電圧Voutが給電されている。バッテリ1の直流電圧VBは、ダイオード2を介して降圧DCDC変換回路3に入力されている。降圧DCDC変換回路3では、直流電圧VBを降圧して所定電圧例えば5VにしてMOSFET4を介して2次側電圧Voutとして供給される。これにより、負荷として接続される通信モジュール6および他の機器にも給電される。
【0022】
上記の状態では、図2(a)に示すように、バッテリの直流電圧VBは保持されており、図2(f)に示すように、降圧DCDC変換回路3により降圧された2次側電圧Voutが出力されている。この状態では、昇圧電源回路10は、図2(b)に示すように、MOSFET12、13からなるカットスイッチがオフ状態となっている。リチウムイオン電池11の1次側電圧Vbuは、図2(c)に示すように、3.6Vで出力されている。なお、図2では、図2(g)に示しているように、上記の状態で2次側電流Ioutの消費が少ない状態である。
【0023】
そして、車両においてはクランキングなどでバッテリ1の直流電圧VBが低下したり、給電経路の断線などでバッテリ1からの給電が停止すると、これに伴って、降圧DCDC変換回路3の出力も低下するため、2次側電圧Voutを一定電圧に保持するために昇圧電源回路10が動作を開始する。
【0024】
この場合、図2に示すように、時刻t0で直流電圧VBの低下が始まる場合で説明する。制御部20において昇圧制御回路21は、図2(a)に示すように、時刻t0の時点からバッテリ1の直流電圧VBの検出電圧が急速に低下して時刻t1で所定レベルを下回ると、昇圧動作を開始させる。これにより、制御部20は、図2(b)に示すように、カットスイッチのMOSFET12および13をオンさせてリチウムイオン電池11からコンデンサ14に充電する。
【0025】
また、バッテリ1の直流電圧VBの低下は、2次側電流Ioutが急激に増大するなどの変動がある場合にも発生するので、この場合においても、昇圧電源回路10は動作を開始するようになる。なお、バッテリ1の断線状態と異なり、2次側電流Ioutの増大に伴う昇圧電源回路10の起動では、起動後にバッテリ1の直流電圧VBが正常レベルに復帰することがあり、降圧DCDC変換回路3が動作して2次側電圧Voutを供給するようになると、昇圧電源回路10の1次側への逆流電流の発生を防止する必要がある。
【0026】
昇圧制御回路21は、昇圧動作を開始すると、図2(h)に示すように、時刻t2で駆動回路22に対して駆動信号S1を出力してMOSFET16をオンさせる。このとき、図2(g)に示すように、2次側電流Ioutはほとんど流れていないので、2次側電圧Voutもほとんど低下しておらず、MOSFET16のオン期間は時刻t3までの短期間である。
【0027】
MOSFET16がオンすると、リチウムイオン電池11側から昇圧コイル15、MOSFET16および電流検出抵抗17を通電経路として通電される。これにより、図2(d)に示すように、昇圧コイル15にコイル電流ILが流れる。MOSFET16がオフされると、昇圧コイル15に発生する昇圧された電圧がMOSFET18のドレインに印加される。
【0028】
このとき、上記したようにMOSFET16のオン時間が短いので、図2(e)に示すように、1次側電流Idが少なく、図2(j)に示すように、電流検出回路25は検出信号Sxを出力しない。この結果、制御回路24は駆動回路23に同期整流切替信号を出力しない状態となり、図2(i)に示すように、昇圧制御回路21は、駆動信号S2をハイレベルに保持し、MOSFET18をオフ状態に保持する。これにより、昇圧コイル15に発生した電圧によって寄生ダイオード18aのアノード−カソード間を通じて電流が流れてコンデンサ5にチャージされ、図2(f)に示すように、2次側電圧Voutが保持された状態となる。
【0029】
この後、所定周期が経過すると、制御部20は、再び上記同様にして制御動作を実施すことにより、MOSFET16を短期間オンさせた後、寄生ダイオード18aを介して2次側電圧Voutを出力する動作を繰り返し実施する。
【0030】
そして、図2(g)に示すように、時刻t1からt4までの期間の2次側電流Ioutが少ない状態の場合には、MOSFET18のオンオフ制御を実施するよりも、寄生ダイオード18aを通じて電流を流して2次側電圧Voutを供給する。これによって2次側電流Ioutが小さいときには、ダイオード整流動作により効率の良い給電を行うことができる。また、MOSFET18をオフ状態に保持しているので、バッテリ1からの給電が短期間で復活した場合においても、2次側電流Ioutが昇圧電源回路10側に流れ込むことを防止でき、リチウムイオン電池1への電流の逆流を防止できる。
【0031】
次に、図2(g)に時刻t4以降で示すように、2次側電流Ioutが中間レベルで流れる状態では、コンデンサ5の電荷が多く消費されるので、2次側電圧Voutを保持するために、昇圧制御回路21によりMOSFET16への駆動信号S1はデューティを大きくした信号となる。
【0032】
これにより、図2(d)に示すように、MOSFET16のオン期間中は昇圧コイル5に流れる電流ILが上昇し、1次側電流Idも増加するので、図2(e)に示すように、電流検出回路25では、時刻t5で1次側電流Idに相当する検出電圧Vdが参照電圧Vref1を超えるようになり、図2(j)に示すように、ハイレベルの電流検出信号Sxを制御回路24に出力する。
【0033】
これにより、駆動回路23は、制御回路24から同期整流切替信号が与えられ、昇圧制御回路21からの信号に応じて駆動信号S2をMOSFET18のゲートに出力する。昇圧制御回路21は、時刻t6で、MOSFET16をオフさせる駆動信号S1を出力すると同時にMOSFET18をオンさせる駆動信号S2を出力する。
【0034】
MOSFET18がオンすることで、昇圧コイル15に発生した誘起電圧でMOSFET18を通じて2次側電圧Voutとして出力される。MOSFET18がオンすることで、ダイオード整流ではなく同期整流動作となる。以下、2次側電流Ioutが中間レベルで流れる期間中は同様の制御が実施され、MOSFET18による同期整流動作が実施される。
【0035】
この場合、2次側電流Ioutが負荷で消費されていて中間レベルで流れているため、1次側電流Idが大きくなることで、2次側から昇圧電源回路10側へ電流が流れ込むことがないので、同期整流によって効率良く昇圧動作を実行できる。
【0036】
また、図2(g)に時刻t7以降で示すように、2次側電流Ioutが高レベルで流れる状態では、コンデンサ5の電荷が多く消費されるので、2次側電圧Voutを保持するために、昇圧制御回路21によりMOSFET16への駆動信号S1はデューティを大きくした信号となる。
【0037】
この場合においても、制御部10は、上記した2次側電流Ioutが中間レベルの場合と同様に、1次側電流Idが大きくなり電流検出回路25から電流検出信号Sxが出力される。この結果、昇圧制御回路21は、MOSFET16のオフ時にMOSFET18をオンさせることで、時刻t9で同期整流動作を行うことで、同様の制御を実施する。
【0038】
この後、時刻t10でバッテリ1の直流電圧VBによる給電が復活すると、制御部20において昇圧制御回路21は、図2(a)に示すように、時刻t10の時点でバッテリ1の直流電圧VBの検出電圧が所定レベルに達したことを検出し、昇圧動作を停止させる。これにより、制御部20はカットスイッチのMOSFET12および13をオフさせてリチウムイオン電池11を遮断する。
【0039】
このような第1実施形態においては、1次側電流Idを検出する電流検出抵抗17および電流検出回路25を設けた。また、1次側電流Idに対応する検出電圧Vdが、参照電圧Vref1以下では、寄生ダイオード18aによるダイオード整流動作を行い、参照電圧Vref1を超えると、MOSFET18をオンさせて自律的に同期整流動作を行うようにした。
【0040】
これにより、2次側電流Ioutが所定レベル以上では自律的に同期整流動作により効率的な昇圧動作を行わせることができ、2次側電流Ioutが少ないときにはダイオード整流により1次側に逆流するのを防止し且つ動作効率の低下を抑制できる。この結果、CPUなどの制御を介在させることなく簡単な構成で、昇圧電源回路10の動作中に2次側から1次側に電流が逆流してリチウムイオン電池11に故障を与えることなく効率的な昇圧動作を実施することができるようになる。
【0041】
(第2実施形態)
図3は第2実施形態を示すもので、以下、第1実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、制御部20に代えて、ICにより構成される制御部30を設ける構成としたところが異なる。すなわち、図3において、制御部30は、MOSFET16、18、寄生ダイオード18aおよび電流検出抵抗17もIC内部に一体に作り込んだ構成とされている。
【0042】
このような第2実施形態によっても、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、制御部30を用いることで、全体をコンパクトに構成することができるので、省スペース化を図ることができるようになる。
【0043】
(第3実施形態)
図4は第3実施形態を示すもので、以下、第1実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、Nチャンネル型のMOSFET16に代えてNチャンネル型のMOSFET19を設け、制御部20に代えて制御部40を設けている。
【0044】
図4に示すように、MOSFET19は、所定のセンス比でドレイン電流が流れるように構成された電流検出用のセンスMOS19aを内蔵したものである。センスMOS19aは、ドレイン、およびゲートがMOSFET19と共通に接続された状態で使用される。またセンスMOS19aのソースは、制御部40の電流検出回路25に接続されるとともに、制御部40の内部に設けられた抵抗27を介してグランドに接続されている。
【0045】
なお、この構成ではセンスMOS19aにより1次側電流Idの検出を行うので、電流検出抵抗17は設けない構成としており、MOSFET19のソースは直接グランドに接続される。
【0046】
上記構成によれば、MOSFET19に流れるドレイン電流に対して、所定のセンス比でセンスMOS19aにセンス電流Idが流れるので、これを制御部40の抵抗27に流し、端子電圧Vdを1次側電流Idの検出値として電流検出回路25に入力することができる。
【0047】
したがって、このような第3実施形態によっても第1実施形態と同様の作用効果を得る事ができるとともに、センスMOS19aを内蔵したMOSFET19を用いることで、電流検出抵抗による損失を無くすことができ、効率良く昇圧動作を実施することができるようになる。
【0048】
(第4実施形態)
図5は第4実施形態を示すもので、以下、第3実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、制御部40に代えて、ICにより構成される制御部50を設ける構成としたところが異なる。すなわち、図5において、制御部50は、MOSFET18、寄生ダイオード18a、MOSFET19、センスMOS19aもIC内部に一体に作り込んだ構成とされている。
【0049】
このような第4実施形態によっても、第3実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、制御部50を用いることで、全体をコンパクトに構成することができるので、省スペース化を図ることができるようになる。
【0050】
(第5実施形態)
図6は第5実施形態を示すもので、以下、第1実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、1次側電流Idを検出する構成に代えて、2次側電流Ioutのうち、通信モジュール6に流れる電流ISを検出する構成を採用している。また、制御部20に代えて制御部60を設けている。
(【0051】以降は省略されています)

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