特許 5804552 ＤＣ／ＤＣ変換器及び電源モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5804552

(24)【登録日】2015年9月11日

(45)【発行日】2015年11月4日

(54)【発明の名称】ＤＣ／ＤＣ変換器及び電源モジュール

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/07 20060101AFI20151015BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/07

【請求項の数】8

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2011-168783(P2011-168783)

(22)【出願日】2011年8月1日

(65)【公開番号】特開2013-34298(P2013-34298A)

(43)【公開日】2013年2月14日

【審査請求日】2014年7月18日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用 発行所 社団法人 電子情報通信学会 刊行物名 第２４回 回路とシステムワークショップ論文集 発行日 平成２３年８月１日

(73)【特許権者】

【識別番号】504237050

【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構

(74)【代理人】

【識別番号】100080160

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 憲一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100149205

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 泰央

(72)【発明者】

【氏名】寺田 晋也

(72)【発明者】

【氏名】大田 一郎

【審査官】 鈴木 重幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−３３６７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２７６４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０３−１１７９３８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００１−３３９９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０３３００９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００− ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力電圧Ｖｉｎに対し出力電圧Ｖｏｕｔ＝（ｓ／ｒ）×Ｖｉｎを出力するＤＣ／ＤＣ変換器であって、
Ｎ個のキャパシタと、
３Ｎ−２個のスイッチと、を備え、
前記３Ｎ−２個のスイッチのオンオフを切り替えることにより、
ｒ≦２^{（Ｎ−１）}の場合、１≦ｓ≦２^{（Ｎ−１）}であり（ｓは自然数）、前記入力電圧Ｖｉｎの２^{（Ｎ−１）}分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
ｒ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）（Ｔｒｉ（ｘ）はトリボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＴｒｉ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
ｒ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）（Ｆｉｂ（ｘ）はフィボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＦｉｂ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
ｒ≦Ｎの場合、１≦ｓ≦Ｎであり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＮ分の１を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
該第１〜第Ｎキャパシタの充電電圧を単独にもしくはいくつか加算して、前記出力電圧Ｖｏｕｔを生成することを特徴とするＤＣ／ＤＣ変換器。

【請求項2】

前記Ｎ個のキャパシタは、第１〜第Ｎキャパシタであり、
前記３Ｎ−２個のスイッチは、
一端が第ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ−１）キャパシタの一端に接続され、他端が第ｎ＋１キャパシタの一端に接続された第１ｎスイッチを有する第１スイッチ群と、
一端が第ｎキャパシタの他端に接続された第２ｎスイッチを有し、該第２ｎスイッチの他端同士が接続されている第２スイッチ群と、
一端が第ｎキャパシタの他端に接続され、他端が第ｎ＋１キャパシタの一端に接続された第３ｎスイッチを有する第３スイッチ群と、
一端が入力端子に接続され、他端が前記第１キャパシタの一端に接続された第４スイッチと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。

【請求項3】

ｒ≦２^{（Ｎ−１）}の場合、
第１〜第Ｎキャパシタが直列接続され、該第１〜第Ｎキャパシタの両端に前記入力電圧Ｖｉｎが印可される第１期間と、
直列接続された第ｊ〜第Ｎキャパシタと、第ｊ−１キャパシタとが並列接続される第ｊ期間（ｊ＝２〜Ｎ−１）と、
第Ｎ−１キャパシタと第Ｎキャパシタとが並列接続される第Ｎ期間と、
を繰り返すように前記第１〜第３スイッチ群及び前記第４スイッチのオンオフを切り替えることを特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。

【請求項4】

ｒ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）の場合、
第１〜第３キャパシタが直列接続され、該第１〜第３キャパシタの両端に前記入力電圧Ｖｉｎが印可されるとともに、直列接続された第３ｋ−２，第３ｋ−１，及び第３ｋキャパシタと、第３ｋ−３キャパシタとが並列接続される第１期間と、
直列接続された第３ｋ−１，第３ｋ，及び第３ｋ＋１キャパシタと、第３ｋ−２キャパシタとが並列接続される第２期間と、
直列接続された第３ｋ，第３ｋ＋１，及び第３ｋ＋２キャパシタと、第３ｋ−１キャパシタとが並列接続される（ｋは、２以上、Ｎ／３以下の整数）第３期間と、
を繰り返すように前記第１〜第３スイッチ群及び前記第４スイッチのオンオフを切り替えることを特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。

【請求項5】

ｒ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）の場合、
第１及び第２キャパシタが直列接続され、該第１及び第２キャパシタの両端に前記入力電圧Ｖｉｎが印可されるとともに、直列接続された第２ｋ−１及び第２ｋキャパシタと、第２ｋ−２キャパシタとが並列接続される第１期間と、
直列接続された第２、第３キャパシタと、第１キャパシタとが並列接続され、直列接続された第２ｋ及び第２ｋ＋１キャパシタと、第２ｋ−１キャパシタとが並列接続される（ｋは、２以上、Ｎ／２以下の整数）第２期間と、
を繰り返すように前記第１〜第３スイッチ群及び前記第４スイッチのオンオフを切り替えることを特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。

【請求項6】

ｒ≦Ｎの場合、
第１〜第Ｎキャパシタのうちｒ個のキャパシタが直列接続され、該ｒ個のキャパシタの両端に前記入力電圧Ｖｉｎが印可される第１期間と、
前記ｒ個のキャパシタのうちｓ個のキャパシタが直列接続される第２期間と
を繰り返すように前記第１〜第３スイッチ群及び前記第４スイッチのオンオフを切り替えることを特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。

【請求項7】

入力電圧Ｖｉｎに対し出力電圧Ｖｏｕｔ＝（ｓ／ｒ）×Ｖｉｎを生成するＤＣ／ＤＣ変換器であって、
Ｎ個のキャパシタと、
３Ｎ−２個のスイッチと、
前記Ｎ個のキャパシタ及び前記３Ｎ−２個のスイッチによって降圧した前記出力電圧をさらに降圧して出力するレギュレータと、を備え、
前記３Ｎ−２個のスイッチのオンオフを切り替えることにより、
ｒ≦２^{（Ｎ−１）}の場合、１≦ｓ≦２^{（Ｎ−１）}であり（ｓは自然数）、前記入力電圧Ｖｉｎの２^{（Ｎ−１）}分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
ｒ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）（Ｔｒｉ（ｘ）はトリボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＴｒｉ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
ｒ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）（Ｆｉｂ（ｘ）はフィボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＦｉｂ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
ｒ≦Ｎの場合、１≦ｓ≦Ｎであり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＮ分の１を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
該第１〜第Ｎキャパシタの充電電圧を単独にもしくはいくつか加算して、前記出力電圧Ｖｏｕｔを生成することを特徴とするＤＣ／ＤＣ変換器。

【請求項8】

入力電圧Ｖｉｎを生成する電源と、
入力電圧Ｖｉｎに対し出力電圧Ｖｏｕｔ＝（ｓ／ｒ）×Ｖｉｎを生成するＤＣ／ＤＣ変換器と、を備え、
前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、
Ｎ個のキャパシタと、
３Ｎ−２個のスイッチと、
前記Ｎ個のキャパシタ及び前記３Ｎ−２個のスイッチによって降圧した前記出力電圧をさらに降圧して出力するレギュレータと、を備え、
前記３Ｎ−２個のスイッチのオンオフを切り替えることにより、
ｒ≦２^{（Ｎ−１）}の場合、１≦ｓ≦２^{（Ｎ−１）}であり（ｓは自然数）、前記入力電圧Ｖｉｎの２^{（Ｎ−１）}分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
ｒ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）（Ｔｒｉ（ｘ）はトリボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＴｒｉ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
ｒ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）（Ｆｉｂ（ｘ）はフィボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＦｉｂ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
ｒ≦Ｎの場合、１≦ｓ≦Ｎであり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＮ分の１を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、
該第１〜第Ｎキャパシタの充電電圧を単独にもしくはいくつか加算して、前記出力電圧Ｖｏｕｔを生成することを特徴とする電源モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＤＣ／ＤＣ変換器及び電源モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

携帯電話やパソコンなどに搭載される回路は、充電池や外部電源などの電源から電力の供給を受けて駆動する。このような回路は、正常に駆動できる電圧範囲（耐圧）が決まっている。電源の出力電圧は、回路の耐圧より大きい場合が多い。従って、回路に電力を供給する場合は、電源と回路との間に電源の出力電圧を降圧する電圧変換器が必要となる。

【0003】

ＤＣ電源の出力電圧を降圧してＤＣ電圧を出力する場合は、ＤＣ／ＤＣ変換器が用いられる。ＤＣ／ＤＣ変換器としては、インダクタ等の磁性材料を使用するＤＣ／ＤＣ変換器や、スイッチ及びキャパシタを組み合わせたスイッチトキャパシタＤＣ／ＤＣ変換器等が知られている。磁性材料を使用するＤＣ／ＤＣ変換器の場合、磁性材料が放射する磁束を考慮にいれた回路設計が必要となり、回路設計が複雑になるという問題がある。一方、スイッチトキャパシタＤＣ／ＤＣ変換器の場合は、磁束が発生しないことや、スイッチとキャパシタとで構成されるため１チップ化が実現可能であること等の利点がある。

【0004】

スイッチトキャパシタＤＣ／ＤＣ変換器（以下「ＳＣ変換器」と称する。）は、スイッチ及びキャパシタの構成等によって直並列方式などいくつかの方式に分類される。例えば、直並列方式のＳＣ変換器は、複数のキャパシタを直列接続にして充電し、その後並列接続に切り替えて放電を行うことで、入力電圧よりも低い電圧に変換して出力する。複数のキャパシタの個数をＮ個とすると、直並列方式では、ＳＣ変換器に入力される入力電圧をｍ／Ｎ （１＜ｍ≦Ｎ）倍に降圧して出力できる。

【0005】

しかしながら直並列方式のＳＣ変換器は、降圧の分解能をあげる、すなわち上述したｍ／Ｎ倍のＮの値を大きくするためには、キャパシタの個数Ｎを増やさなければならない。キャパシタは、スイッチと比較して素子が大きいため、キャパシタの個数を増やすとＳＣ変換器の回路規模が大きくなるという問題がある。

【0006】

そこで、特許文献１には、スイッチの切り替え方を変えることで、Ｎ個のキャパシタでの入力電圧に対し、出力電圧を１／２^ｎ−１倍降圧する（ｎ≦Ｎ）ＳＣ変換器が開示されている。特許文献１に開示されるＳＣ変換器は、２の累乗分の１を掛け合わせた電圧で、Ｎ個のキャパシタを充電することで、入力電圧に対し出力電圧を２^m−１／２^ｎ−１倍降圧することができる（ｎ，ｍ≦Ｎ）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１−７２０９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

直並列方式のＳＣ変換器は、充電及び放電の２ステップを繰り返し行う。一方、特許文献１に開示されるＳＣ変換器は、Ｎ＋１ステップかけて２の累乗分の１を掛け合わせた電圧で、Ｎ個のキャパシタを充電する。特許文献１に開示されるＳＣ変換器は、降圧比によっては、スイッチ及びキャパシタで構成される回路の後段に設けられるレギュレータでの電力損失が大きくなる場合があり、その場合に、ＳＣ変換器の電力変換効率が低下するという問題がある。

【0009】

本発明は、上述の点を鑑みてなされたものであり、電力変換効率を向上させることができるＤＣ／ＤＣ変換器及び電源モジュールを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係るＤＣ／ＤＣ変換器は、入力電圧Ｖｉｎに対し出力電圧Ｖｏｕｔ＝（ｓ／ｒ）×Ｖｉｎを出力するＤＣ／ＤＣ変換器であって、Ｎ個のキャパシタと、３Ｎ−２個のスイッチと、を備え、前記３Ｎ−２個のスイッチのオンオフを切り替えることにより、ｒ≦２^{（Ｎ−１）}の場合、１≦ｓ≦２^{（Ｎ−１）}であり（ｓは自然数）、前記入力電圧Ｖｉｎの２^{（Ｎ−１）}分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、ｒ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）（Ｔｒｉ（ｘ）はトリボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＴｒｉ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、ｒ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）（Ｆｉｂ（ｘ）はフィボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＦｉｂ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、ｒ≦Ｎの場合、１≦ｓ≦Ｎであり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＮ分の１を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、該第１〜第Ｎキャパシタの充電電圧を単独にもしくはいくつか加算して、前記出力電圧Ｖｏｕｔを生成することを特徴とする。

【0011】

また、本発明に係るＤＣ／ＤＣ変換器は、入力電圧Ｖｉｎに対し出力電圧Ｖｏｕｔ＝（ｓ／ｒ）×Ｖｉｎを生成するＤＣ／ＤＣ変換器であって、Ｎ個のキャパシタと、３Ｎ−２個のスイッチと、前記Ｎ個のキャパシタ及び前記３Ｎ−２個のスイッチによって降圧した前記出力電圧をさらに降圧して出力するレギュレータと、を備え、前記３Ｎ−２個のスイッチのオンオフを切り替えることにより、ｒ≦２^{（Ｎ−１）}の場合、１≦ｓ≦２^{（Ｎ−１）}であり（ｓは自然数）、前記入力電圧Ｖｉｎの２^{（Ｎ−１）}分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、ｒ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）（Ｔｒｉ（ｘ）はトリボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＴｒｉ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、ｒ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）（Ｆｉｂ（ｘ）はフィボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＦｉｂ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、ｒ≦Ｎの場合、１≦ｓ≦Ｎであり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＮ分の１を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、該第１〜第Ｎキャパシタの充電電圧を単独にもしくはいくつか加算して、前記出力電圧Ｖｏｕｔを生成することを特徴とする。

【0012】

また、本発明に係る電源モジュールは、入力電圧Ｖｉｎを生成する電源と、入力電圧Ｖｉｎに対し出力電圧Ｖｏｕｔ＝（ｓ／ｒ）×Ｖｉｎを生成するＤＣ／ＤＣ変換器と、を備え、前記ＤＣ／ＤＣ変換器は、Ｎ個のキャパシタと、３Ｎ−２個のスイッチと、前記Ｎ個のキャパシタ及び前記３Ｎ−２個のスイッチによって降圧した前記出力電圧をさらに降圧して出力するレギュレータと、を備え、前記３Ｎ−２個のスイッチのオンオフを切り替えることにより、ｒ≦２^{（Ｎ−１）}の場合、１≦ｓ≦２^{（Ｎ−１）}であり（ｓは自然数）、前記入力電圧Ｖｉｎの２^{（Ｎ−１）}分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、ｒ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）（Ｔｒｉ（ｘ）はトリボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＴｒｉ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、ｒ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）（Ｆｉｂ（ｘ）はフィボナッチ数列）の場合、１≦ｓ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）であり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＦｉｂ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、ｒ≦Ｎの場合、１≦ｓ≦Ｎであり（ｓは自然数）、前記入力電圧ＶｉｎのＮ分の１を掛け合わせた電圧で、前記Ｎ個のキャパシタを充電し、該第１〜第Ｎキャパシタの充電電圧を単独にもしくはいくつか加算して、前記出力電圧Ｖｏｕｔを生成することを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、ＤＣ／ＤＣ変換器及び電源モジュールの電力変換効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態に係る電源モジュールを示す図。

【図2】本発明の第１実施形態に係るスイッチトキャパシタ部を示す図。

【図3】本発明の第１実施形態に係るＮ＝４の場合のスイッチトキャパシタ部を示す図。

【図4】本発明の第１実施形態に係るデジタル選択モードで動作するスイッチトキャパシタ部の瞬時等価回路を示す図。

【図5】本発明の第１実施形態に係るデジタル選択モードで動作するスイッチトキャパシタ部の瞬時等価回路を示す図。

【図6】本発明の第１実施形態に係るデジタル選択モードで動作するスイッチトキャパシタ部の瞬時等価回路を示す図。

【図7】本発明の第１実施形態に係るデジタル選択モードで動作するスイッチトキャパシタ部の瞬時等価回路を示す図。

【図8】本発明の第１実施形態に係るトリボナッチモードで動作するスイッチトキャパシタ部の瞬時等価回路を示す図。

【図9】本発明の第１実施形態に係るフィボナッチモードで動作するスイッチトキャパシタ部の瞬時等価回路を示す図。

【図10】本発明の第１実施形態に係るフィボナッチモードで動作するスイッチトキャパシタ部の瞬時等価回路を示す図。

【図11】本発明の第１実施形態に係る直並列モードで動作するスイッチトキャパシタ部の瞬時等価回路を示す図。

【図12】本発明の第１実施形態に係るレギュレータを示す図。

【図13】本発明の第１実施形態に係るキャパシタの個数と各動作モードの関係を示す図。

【図14】本発明の第１実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換器のシミュレーション結果を示す図。

【図15】本発明の第１実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換器のシミュレーション結果を示す図。

【図16】本発明の第１実施形態に係るスイッチトキャパシタ部の他の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（第１実施形態）
図１を用いて、本実施形態に係る電源モジュール１を説明する。電源モジュール１は、電源１１、スイッチトキャパシタ部１２、レギュレータ１３、及び制御部１４を備えている。電源モジュール１は、負荷回路Ｒに接続される。電源モジュール１は、負荷回路Ｒに電力を供給する。

【0016】

電源１１は、例えばバッテリーなどの充電池であり、スイッチトキャパシタ部１２に電圧Ｖｉｎを供給する。

【0017】

スイッチトキャパシタ部１２は、複数のスイッチ及び複数のキャパシタで構成される回路である。電源１１から供給される電圧Ｖｉｎ（以下、「入力電圧Ｖｉｎ」とする）をｓ／ｒ倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔをレギュレータ１３に出力する。レギュレータ１３は、出力電圧Ｖｏｕｔをさらに降圧し、一定電圧Ｖを生成する。制御部１４は、スイッチトキャパシタ部１２のスイッチを制御し、スイッチトキャパシタ部１２の状態を遷移させる。また、制御部１４は、スイッチの制御方法を変えることで、降圧比（ｓ／ｒ）を可変に制御する。スイッチトキャパシタ部１２、レギュレータ１３及び制御部１４をあわせてＤＣ／ＤＣ変換器とする。スイッチトキャパシタ部１２及びレギュレータ１３の詳細については後述する。

【0018】

負荷回路Ｒは、電源モジュール１が電力を供給する回路である。例えば、電源モジュール１が携帯電話に搭載される場合、負荷回路Ｒは、例えば画像処理回路や通信回路など、携帯電話の機能を実現する回路である。

【0019】

図２を用いてスイッチトキャパシタ部１２の詳細を説明する。図２に示すように、スイッチトキャパシタ部１２は、複数のキャパシタ及び複数のスイッチを有する。スイッチトキャパシタ部１２は、入力電圧Ｖｉｎが印可される入力側正極端子Ｖｉｎ＋及び入力側負極端子Ｖｉｎ−、出力電圧Ｖｏｕｔが印可される出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋及び出力側負極端子Ｖｏｕｔ−を備える。

【0020】

スイッチトキャパシタ部１２は、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮを有する。第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮは、後述する複数のスイッチを介してそれぞれが直列・並列に接続される。第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮは、いずれも容量値が等しいものとする。ただし、各キャパシタＣ１〜ＣＮの充電電圧が異なる場合は、各キャパシタＣ１〜ＣＮの容量値が異なる方が電力変換効率が向上するときがある。したがって、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮの容量値については、全て等しい値の場合に限定されない。

【0021】

スイッチトキャパシタ部１２は、一端が第ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ−１）キャパシタＣｎの一端に接続され、他端が第ｎ＋１キャパシタＣｎ＋１に接続された第１ｎスイッチＳ１ｎを有する第１スイッチ群を備える。第１１スイッチＳ１１は、一端が第１キャパシタＣ１の一端に、他端が第２キャパシタＣ２の一端に接続される。同様に、第１Ｎ−１スイッチＳ１Ｎ−１は、一端が第Ｎ−１キャパシタＣＮ−１の一端に、他端が第ＮキャパシタＣＮの一端に接続される。

【0022】

スイッチトキャパシタ部１２は、一端が第ｎキャパシタＣｎの他端に接続された第２ｎスイッチＳ２ｎを有する第２スイッチ群を有する。第２ｎスイッチＳ２ｎの他端同士は互いに接続される。第２１スイッチＳ２１は、一端が第１キャパシタＣ１の他端に、他端が第２２〜第２Ｎ−１スイッチＳ２２〜Ｓ２Ｎ−１スイッチの他端に接続される。

【0023】

スイッチトキャパシタ部１２は、一端が第ｎキャパシタＣｎの他端に接続され、他端が第ｎ＋１キャパシタＣｎ＋１の一端に接続された第３ｎスイッチを有する第３スイッチ群を備える。第３１スイッチＳ３１は、一端が第１キャパシタＣ１の他端に接続され、他端が第２キャパシタＣ２の一端に接続される。

【0024】

スイッチトキャパシタ部１２は、一端が入力側正極端子Ｖｉｎ＋に接続され、他端が第１キャパシタＣ１の一端に接続される第４スイッチＳ４を備える。上述した第１〜第３スイッチ群及び第４スイッチＳ４は、図１に示す制御部１４によってオン／オフが制御される。

【0025】

スイッチトキャパシタ部１２の入力側負極端子Ｖｉｎ−は、第２スイッチ群の第２ｎスイッチＳ２ｎの他端に接続される。出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋は、第ＮキャパシタＣＮの一端に接続される。出力側負極端子Ｖｏｕｔ−は、第ＮキャパシタＣＮの他端に接続される。

【0026】

続いて、スイッチトキャパシタ部１２の動作について説明する。後段の負荷回路Ｒによってスイッチトキャパシタ部１２に求められる降圧比は異なる。本実施形態に係るスイッチトキャパシタ部１２は、求められる降圧比１／ｒに応じて、異なる４つのモードで動作する。

【0027】

（デジタル選択モード）
スイッチトキャパシタ部１２の降圧比が１／ｒであるとする。ｒが、ｒ≦２^{（Ｎ−１）}である場合、制御部１４は、デジタル選択モードで動作するようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。この場合、制御部１４は、第１〜第３スイッチ群及び第４スイッチＳ４のオン／オフを切り替えることで、入力電圧Ｖｉｎの２^{（Ｎ−１）}分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮを充電する。

【0028】

具体的には、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮが直列接続され、この第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮの両端に入力電圧Ｖｉｎが印可される第１期間と、直列接続された第ｊ〜第ＮキャパシタＣｊ〜ＣＮと、第ｊ−１キャパシタＣｊ−１とが並列接続される第ｊ期間（ｊ＝２〜Ｎ−１）と、第Ｎ−１キャパシタＣＮ−１と第ＮキャパシタＣＮとが並列接続される第Ｎ期間と、を繰り返すように、制御部１４は各スイッチを制御する。

【0029】

以下、説明を簡略化するため、Ｎ＝４の場合について説明する。つまり、スイッチトキャパシタ部１２に求められる降圧比が１／８以上である場合、スイッチトキャパシタ部１２は、デジタル選択モードで動作する。

【0030】

図３は、Ｎ＝４の場合のスイッチトキャパシタ部１２を示す図である。ここでは、スイッチトキャパシタ部１２が、第１〜第４期間を繰り返すことで、入力電圧Ｖｉｎを１／８倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔ＝１／８Ｖｉｎを生成する場合について説明する。なお、制御部１４は、図示しない内部クロックまたは外部から供給されるクロックに基づき第１〜第４期間を切り替えるようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0031】

（第１期間）
まず、第１期間の間、全てのキャパシタＣ１〜Ｃ４が直列接続される。直列接続された第１〜第４キャパシタＣ１〜Ｃ４の両端に入力電圧Ｖｉｎが印可され、第１〜第４キャパシタＣ１〜Ｃ４が入力電圧Ｖｉｎで充電される。具体的には、制御部１４が第４スイッチＳ４及び第３スイッチ群をオンし、第１スイッチ群及び第２スイッチ群をオフするようスイッチトキャパシタ部１２を制御することで、第１〜第４キャパシタＣ１〜Ｃ４を直列接続し、両端に入力電圧Ｖｉｎを印可する。

【0032】

図４に、第４スイッチＳ４及び第３スイッチ群をオンし、第１，第２スイッチ群をオフした場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路を示す。図４に示す抵抗Ｒｏｎは、第４スイッチＳ４または第３スイッチ群の各スイッチのオン抵抗である。

【0033】

第１〜第４キャパシタＣ１〜Ｃ４の容量値はそれぞれ等しく、またオン抵抗Ｒｏｎの影響を考慮しない場合、各第１〜第４キャパシタにはそれぞれ等しい電荷が充電される。

【0034】

つまり、第１期間の入力電圧Ｖｉｎと各キャパシタＣ１〜ＣＮの電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮの関係は次式に示す通りである。

【0035】

【数1】

【0036】

（第２期間）
次に、第２期間の間、第１キャパシタＣ１と、直列接続された第２〜第４キャパシタＣ２〜Ｃ４とが並列接続される。具体的には、制御部１４は、第１１スイッチＳ１１、第２１スイッチＳ２１及び第３２，第３３スイッチＳ３２，Ｓ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフするようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0037】

図５に、第１１スイッチＳ１１、第２１スイッチＳ２１及び第３２，第３３スイッチＳ３２，Ｓ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフした場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路を示す。図５に示すように、最初の１周期目は第２〜第４キャパシタＣ２〜Ｃ４の電圧Ｖｃ２〜Ｖｃ４はそれぞれ１／３Ｖｃ１となる。

【0038】

（第３期間）
第３期間の間、第２キャパシタＣ２と、直列接続された第３，第４キャパシタＣ３，Ｃ４とが並列接続される。具体的には、制御部１４は、第１２スイッチＳ１２、第２２スイッチＳ２２及び第３３スイッチＳ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフするようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0039】

図６に、第１２スイッチＳ１２、第２２スイッチＳ２２及び第３３スイッチＳ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフした場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路を示す。図６に示すように、第３，第４キャパシタＣ３，Ｃ４の電圧Ｖｃ３，Ｖｃ４はそれぞれ１／２Ｖｃ２となる。

【0040】

このように、第ｊ期間（ｊ＝２，３，・・・，Ｎ−１）の間の、各キャパシタの電圧の関係は次式に示す通りである。

【0041】

【数2】

【0042】

（第４期間）
第４期間の間、第３キャパシタＣ３と第４キャパシタＣ４とが並列接続される。具体的には、制御部１４は、第１３スイッチＳ１３及び第２３スイッチＳ２３をオンし、それ以外のスイッチをオフするようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0043】

図７に、第１３スイッチＳ１３及び第２３スイッチＳ２３をオンし、それ以外のスイッチをオフした場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路を示す。図７に示すように、第４キャパシタＣ４の電圧Ｖｃ４は、第３キャパシタＶｃ３と等しくＶｃ４＝Ｖｃ３となる。

【0044】

このように、第Ｎ期間の間、第Ｎ−１キャパシタＣＮ−１の電圧ＶｃＮ−１と、第ＮキャパシタＶｃＮとの関係は、ＶｃＮ−１＝ＶｃＮとなる。

【0045】

第１〜第４期間を繰り返すことにより、定常状態での各キャパシタＣ１〜ＣＮの電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮは、次式の通りになる。

【0046】

【数3】

【0047】

Ｎ＝４の場合、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１はＶｃ１＝１／２Ｖｉｎ、第２キャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２はＶｃ２＝１／４Ｖｉｎ、第３，第４キャパシタＣ３，Ｃ４の電圧Ｖｃ３，Ｖｃ３はＶｃ３＝Ｖｃ４＝１／８Ｖｉｎとなる。出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋は第４キャパシタＣ４の一端に接続され、出力側負極端子Ｖｏｕｔ−は第４キャパシタＣ４の他端に接続されているため、出力電圧Ｖｏｕｔは定常状態で１／８Ｖｉｎとなる。

【0048】

このように、第１〜第４期間を繰り返すことで、入力電圧Ｖｉｎの２^{（Ｎ−１）}分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮを充電することができ、スイッチトキャパシタ部１２は、入力電圧Ｖｉｎに対して１／８倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔを生成することができる。

【0049】

（トリボナッチモード）
スイッチトキャパシタ部１２の降圧比が１／ｒであり、ｒが、ｒ≦Ｔｒｉ（Ｎ＋１）である場合、制御部１４は、トリボナッチモードで動作するようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。この場合、制御部１４は、第１〜第３スイッチ群及び第４スイッチＳ４のオン／オフを切り替えることで、入力電圧ＶｉｎのＴｒｉ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮを充電する。ここで、Ｔｒｉ（ｘ）は、いわゆるトリボナッチ数列をあらわし、次式で定義される。
Ｔｒｉ（０）＝０
Ｔｒｉ（１）＝１
Ｔｒｉ（２）＝１
Ｔｒｉ（ｘ＋３）＝Ｔｒｉ（ｘ）＋Ｔｒｉ（ｘ＋１）＋Ｔｒｉ（ｘ＋２）

【0050】

スイッチトキャパシタ部１２がトリボナッチモードで動作する場合、第１〜第３キャパシタＣ１〜Ｃ３が直列接続され、第１〜第３キャパシタＣ１〜Ｃ３の両端に入力電圧Ｖｉｎが印可されるとともに、直列接続された第３ｋ−２，第３ｋ−１，及び第３ｋキャパシタと、第３ｋ−３キャパシタとが並列接続される第１期間と、直列接続された第３ｋ−１，第３ｋ，及び第３ｋ＋１キャパシタと、第３ｋ−２キャパシタとが並列接続される第２期間と、直列接続された第３ｋ，第３ｋ＋１，及び第３ｋ＋２キャパシタと、第３ｋ−１キャパシタとが並列接続される（ｋは、２以上、Ｎ／３以下の整数）第３期間と、を繰り返すように、制御部１４は、第１〜第３スイッチ群及び第４スイッチＳ４のオンオフを切り替えるよう制御する。

【0051】

以下、説明を簡略化するため、Ｎ＝４の場合について説明する。つまり、スイッチトキャパシタ部１２に求められる降圧比が１／７以上である場合、スイッチトキャパシタ部１２は、トリボナッチモードで動作する。

【0052】

本実施形態では、スイッチトキャパシタ部１２がトリボナッチモードで動作し、第１〜第３期間を繰り返すことで、入力電圧Ｖｉｎを１／７倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔ＝１／７Ｖｉｎを生成する場合について説明する。

【0053】

（第１期間）
まず、第１期間の間、第１〜第３キャパシタＣ１〜Ｃ３が直列接続され、第３キャパシタＣ３と第４キャパシタＣ４とが並列接続される。また、直列接続された第１〜第３キャパシタＣ１〜Ｃ３の両端に入力電圧Ｖｉｎが印可される。具体的には、制御部１４が第４スイッチＳ４、第２３スイッチＳ２３、第１３スイッチＳ１３、及び第３１、第３２スイッチＳ３１，Ｓ３２をオンし、それ以外のスイッチをオフするようにスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0054】

図８に、第４スイッチＳ４、第２３スイッチＳ２３、第１３スイッチＳ１３、及び第３１、第３２スイッチＳ３１，Ｓ３２をオンし、それ以外のスイッチをオフした場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路を示す。この場合、第１〜第４キャパシタＣ１〜Ｃ４の各電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４は、ほぼ１／３Ｖｉｎとなる。

【0055】

つまり、第１期間の入力電圧Ｖｉｎと各キャパシタＣ１〜ＣＮの電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮの関係は次式に示す通りである。
Ｖｉｎ＝Ｖｃ１＋Ｖｃ２＋Ｖｃ３
Ｖｃ（３ｋ−３）＝Ｖｃ（３ｋ−２）＋Ｖｃ（３ｋ−１）＋Ｖｃ３ｋ

【0056】

（第２期間）
次に、第２期間の間、第１キャパシタＣ１と、直列接続された第２〜第４キャパシタＣ２〜Ｃ４とが並列接続される。具体的には、制御部１４は、第１１スイッチＳ１１、第２１スイッチＳ２１及び第３２，第３３スイッチＳ３２，Ｓ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフするようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0057】

この場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路は、図５に示す回路と同じになる。従って、第２〜第４キャパシタＣ２〜Ｃ４の電圧Ｖｃ２〜Ｖｃ４はそれぞれ１／３Ｖｃ１となる。

【0058】

また、第２期間の間の各キャパシタの電圧の関係は次式に示す通りとなる。
Ｖｃ（３ｋ−２）＝Ｖｃ（３ｋ−１）＋Ｖｃ３ｋ＋Ｖｃ（３ｋ＋１）

【0059】

（第３期間）
第３期間の間、第２キャパシタＣ２と、直列接続された第３，第４キャパシタＣ３，Ｃ４とが並列接続される。具体的には、制御部１４は、第１２スイッチＳ１２、第２２スイッチＳ２２及び第３３スイッチＳ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフするようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0060】

この場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路は、図６に示す回路と同じになる。従って、第３，第４キャパシタＣ３，Ｃ４の電圧Ｖｃ３，Ｖｃ４はそれぞれ１／２Ｖｃ２となる。

【0061】

また、第３期間の間の各キャパシタの電圧の関係は次式に示す通りとなる。
Ｖｃ（３ｋ−１）＝Ｖｃ３ｋ＋Ｖｃ（３ｋ＋１）＋Ｖｃ（３ｋ＋２）

【0062】

第１〜第３期間を繰り返すことにより、定常状態での各キャパシタＣ１〜ＣＮの電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮは、次式の通りになる。

【0063】

【数4】

【0064】

Ｎ＝４の場合、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１はＶｃ１＝４／７Ｖｉｎ、第２キャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２はＶｃ２＝２／７Ｖｉｎ、第３，第４キャパシタＣ３，Ｃ４の電圧Ｖｃ３，Ｖｃ３はＶｃ３＝Ｖｃ４＝１／７Ｖｉｎとなる。出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋は第４キャパシタＣ４の一端に接続され、出力側負極端子Ｖｏｕｔ−は第４キャパシタＣ４の他端に接続されているため、出力電圧Ｖｏｕｔは定常状態で１／７Ｖｉｎとなる。

【0065】

このように、第１〜第３期間を繰り返すことで、入力電圧ＶｉｎのＴｒｉ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮを充電することができ、スイッチトキャパシタ部１２は、入力電圧Ｖｉｎに対して１／７倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔを生成することができる。また、スイッチトキャパシタ部１２の動作における繰り返し回数は第１〜第３期間の３回ですみ、Ｎ個の期間を繰り返すデジタル選択モードに比べ繰り返し回数が少ない。

【0066】

（フィボナッチモード）
スイッチトキャパシタ部１２の降圧比が１／ｒであり、ｒが、ｒ≦Ｆｉｂ（Ｎ＋１）である場合、制御部１４は、フィボナッチモードで動作するようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。この場合、制御部１４は、第１〜第３スイッチ群及び第４スイッチＳ４のオン／オフを切り替えることで、入力電圧ＶｉｎのＦｉｂ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮを充電する。ここで、Ｆｉｂ（ｘ）は、いわゆるフィボナッチ数列をあらわし、次式で定義される。
Ｆｉｂ（０）＝０
Ｆｉｂ（１）＝１
Ｆｉｂ（ｘ＋２）＝Ｆｉｂ（ｘ）＋Ｆｉｂ（ｘ＋１）

【0067】

スイッチトキャパシタ部１２がフィボナッチモードで動作する場合、第１及び第２キャパシタＣ１，Ｃ２が直列接続され、第１及び第２キャパシタＣ１，Ｃ２の両端に入力電圧Ｖｉｎが印可されるとともに、直列接続された第２ｋ−１及び第２ｋキャパシタと、第２ｋ−２キャパシタとが並列接続される第１期間と、直列接続された第２、第３キャパシタＣ２，Ｃ３と、第１キャパシタＣ１とが並列接続され、直列接続された第２ｋ及び第２ｋ＋１キャパシタと、第２ｋ−１キャパシタとが並列接続される（ｋは、２以上、Ｎ／２以下の整数）第２期間と、を繰り返すように、制御部１４は、第１〜第３スイッチ群及び第４スイッチＳ４のオンオフを切り替えるよう制御する。

【0068】

以下、説明を簡略化するため、Ｎ＝４の場合について説明する。つまり、スイッチトキャパシタ部１２に求められる降圧比が１／５以上である場合、スイッチトキャパシタ部１２は、フィボナッチモードで動作する。

【0069】

本実施形態では、スイッチトキャパシタ部１２がフィボナッチモードで動作し、第１、第２期間を繰り返すことで、入力電圧Ｖｉｎを１／５倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔ＝１／５Ｖｉｎを生成する場合について説明する。

【0070】

（第１期間）
まず、第１期間の間、第１，第２キャパシタＣ１，Ｃ２が直列接続され、第２キャパシタＣ２と直列接続された第３，第４キャパシタＣ３，Ｃ４とが並列接続される。また、直列接続された第１，第２キャパシタＣ１，Ｃ２の両端に入力電圧Ｖｉｎが印可される。具体的には、制御部１４が第４スイッチＳ４、第１２スイッチＳ１２、第２２スイッチＳ２２、及び第３１、第３３スイッチＳ３１，Ｓ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフするようにスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0071】

図９に、第４スイッチＳ４、第１２スイッチＳ１２、第２２スイッチＳ２２、及び第３１、第３３スイッチＳ３１，Ｓ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフした場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路を示す。この場合、第１〜第４キャパシタＣ１〜Ｃ４の各電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４は、Ｖｃ１≒Ｖｃ２≒１／２Ｖｉｎ、Ｖｃ３≒Ｖｃ４≒１／４Ｖｉｎとなる。

【0072】

つまり、第１期間の入力電圧Ｖｉｎと各キャパシタＣ１〜ＣＮの電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮの関係は次式に示す通りである。
Ｖｉｎ＝Ｖｃ１＋Ｖｃ２
Ｖｃ（２ｋ−２）＝Ｖｃ（２ｋ−１）＋Ｖｃ２ｋ

【0073】

（第２期間）
次に、第２期間の間、第１キャパシタＣ１と直列接続された第２，第３キャパシタＣ２，Ｃ３とが並列接続され、第２キャパシタＣ２と直列接続された第３，第４キャパシタＣ３，Ｃ４とが並列接続される。具体的には、制御部１４は、第１１スイッチＳ１１、第２１，第２２スイッチＳ２１，Ｓ２２及び第３２，第３３スイッチＳ３２，Ｓ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフするようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0074】

図１０に、第１１スイッチＳ１１、第２１，第２２スイッチＳ２１，Ｓ２２及び第３２，第３３スイッチＳ３２，Ｓ３３をオンし、それ以外のスイッチをオフした場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路を示す。この場合、第２〜第４キャパシタＣ２〜Ｃ４の各電圧Ｖｃ２〜Ｖｃ４は、Ｖｃ２＝Ｖｃ３＝１／２Ｖｃ１、Ｖｃ４＝１／４Ｖｃ１となる。

【0075】

また、第２期間の間の各キャパシタの電圧の関係は次式に示す通りとなる。
Ｖｃ１＝Ｖｃ２＋Ｖｃ３
Ｖｃ（２ｋ−１）＝Ｖｃ２ｋ＋Ｖｃ（２ｋ＋１）

【0076】

第１，第２期間を繰り返すことにより、定常状態での各キャパシタＣ１〜ＣＮの電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮは、次式の通りになる。

【0077】

【数5】

【0078】

Ｎ＝４の場合、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖｃ１はＶｃ１＝３／５Ｖｉｎ、第２キャパシタＣ２の電圧Ｖｃ２はＶｃ２＝２／５Ｖｉｎ、第３，第４キャパシタＣ３，Ｃ４の電圧Ｖｃ３，Ｖｃ３はＶｃ３＝Ｖｃ４＝１／５Ｖｉｎとなる。出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋は第４キャパシタＣ４の一端に接続され、出力側負極端子Ｖｏｕｔ−は第４キャパシタＣ４の他端に接続されているため、出力電圧Ｖｏｕｔは定常状態で１／５Ｖｉｎとなる。

【0079】

このように、第１，第２期間を繰り返すことで、入力電圧ＶｉｎのＦｉｂ（Ｎ＋１）分の１の整数倍を掛け合わせた電圧で、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮを充電することができ、スイッチトキャパシタ部１２は、入力電圧Ｖｉｎに対して１／５倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔを生成することができる。また、スイッチトキャパシタ部１２の動作における繰り返し回数は第１、第２期間の２回ですみ、Ｎ個の期間を繰り返すデジタル選択モードに比べ繰り返し回数が少ない。

【0080】

（直並列モード）
スイッチトキャパシタ部１２の降圧比が１／ｒであり、ｒが、ｒ≦Ｎである場合、制御部１４は、直並列モードで動作するようスイッチトキャパシタ部１２を制御する。この場合、制御部１４は、第１〜第３スイッチ群及び第４スイッチＳ４のオン／オフを切り替えることで、入力電圧ＶｉｎのＮ分の１を掛け合わせた電圧で、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮを充電する。

【0081】

スイッチトキャパシタ部１２が直並列モードで動作する場合、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮのうちｋ個のキャパシタが直列接続され、ｋ個のキャパシタの両端に入力電圧Ｖｉｎが印可される第１期間と、ｋ個のキャパシタのうち１個のキャパシタが直列接続される第２期間とを繰り返すように、制御部１４は、第１〜第３スイッチ群及び第４スイッチＳ４のオンオフを切り替えるよう制御する。

【0082】

以下、説明を簡略化するため、Ｎ＝４の場合について説明する。つまり、スイッチトキャパシタ部１２に求められる降圧比が１／４以上である場合、スイッチトキャパシタ部１２は、直並列モードで動作する。

【0083】

本実施形態では、スイッチトキャパシタ部１２が直並列モードで動作し、第１、第２期間を繰り返すことで、入力電圧Ｖｉｎを１／４倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔ＝１／４Ｖｉｎを生成する場合について説明する。

【0084】

（第１期間）
まず、第１期間の間、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮが直列接続される。また、直列接続された第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮの両端に入力電圧Ｖｉｎが印可される。具体的には、制御部１４が第４スイッチＳ４、第３スイッチ群をオンし、第１，第２スイッチ群をオフするようにスイッチトキャパシタ部１２を制御する。

【0085】

この場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路は、図４に示す回路と同じになる。従って、第１〜第１キャパシタＣ１〜Ｃ４の電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４はそれぞれ１／４Ｖｉｎとなる。

【0086】

また、第２期間の間の各キャパシタの電圧の関係は次式に示す通りとなる。
Ｖｃｊ＝Ｖｉｎ／Ｎ （ｊ＝１，２，・・・，Ｎ）

【0087】

（第２期間）
次に、第２期間の間、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮは、それぞれ並列接続される。具体的には、制御部１４が第４スイッチＳ４、第３スイッチ群をオフし、第１，第２スイッチ群をオンするようにスイッチトキャパシタ部１２を制御する。
図１１に、制御部１４が第４スイッチＳ４、第３スイッチ群をオフし、第１，第２スイッチ群をオンした場合のスイッチトキャパシタ部１２の瞬時等価回路を示す。この場合、第２〜第４キャパシタＣ２〜Ｃ４の各電圧Ｖｃ２〜Ｖｃ４は、Ｖｃ１と等しくなる。

【0088】

つまり、第１期間の入力電圧Ｖｉｎと各キャパシタＣ１〜ＣＮの電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮは、互いにほぼ等しくなる。

【0089】

第１〜第３期間を繰り返すことにより、定常状態での各キャパシタＣ１〜ＣＮの電圧Ｖｃ１〜ＶｃＮは、次式の通りになる。
Ｖｃｊ＝Ｖｉｎ／Ｎ （ｊ＝１，２，・・・，Ｎ）

【0090】

Ｎ＝４の場合、第１〜第４キャパシタＣ１〜Ｃ４の電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４はＶｃ１＝Ｖｃ２＝Ｖｃ３＝Ｖｃ４＝１／４Ｖｉｎとなる。出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋は第４キャパシタＣ４の一端に接続され、出力側負極端子Ｖｏｕｔ−は第４キャパシタＣ４の他端に接続されているため、出力電圧Ｖｏｕｔは定常状態で１／４Ｖｉｎとなる。

【0091】

このように、第１，第２期間を繰り返すことで、入力電圧ＶｉｎのＮ分の１を掛け合わせた電圧で、第１〜第ＮキャパシタＣ１〜ＣＮを充電することができ、スイッチトキャパシタ部１２は、入力電圧Ｖｉｎに対して１／Ｎ倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔを生成することができる。また、スイッチトキャパシタ部１２の動作における繰り返し回数は第１、第２期間の２回ですみ、Ｎ個の期間を繰り返すデジタル選択モードに比べ繰り返し回数が少ない。

【0092】

次に、図１２を用いて、本実施形態に係るレギュレータ１３の一例について説明する。図１２に示すレギュレータ１３は、スイッチトキャパシタ部１２の出力電圧Ｖｏｕｔを降圧し、一定電圧Ｖを生成する。スイッチトキャパシタ部１２は、入力電圧Ｖｉｎを１／ｒ倍して出力電圧Ｖｏｕｔを生成するが、負荷回路Ｒに必要な電圧を必ずしも生成できるとは限らない。また、入力電圧Ｖｉｎが変動すると、出力電圧Ｖｏｕｔも変動してしまう。そこで、スイッチトキャパシタ部１２の後段にレギュレータ１３を設け、出力電圧Ｖｏｕｔ及び負荷回路Ｒに必要な電圧に応じて、出力電圧Ｖｏｕｔを降圧することで、負荷回路Ｒに一定電圧Ｖを供給する。

【0093】

図１２に示す、レギュレータ１３は、一端がスイッチトキャパシタ部１２の出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋に接続され、他端が負荷回路Ｒの一端に接続された可変抵抗Ｒ１、及び一端が負荷回路Ｒの一端に接続され、他端が負荷回路Ｒの他端に接続されたキャパシタＣｒを有している。

【0094】

レギュレータ１３は、出力電圧Ｖｏｕｔを可変抵抗Ｒ１で降圧することで一定電圧Ｖを生成する。このとき、可変抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１を、出力電圧Ｖｏｕｔと負荷抵抗Ｒに必要な電圧に応じて変更することで、出力電圧Ｖｏｕｔによらず一定電圧Ｖを生成することができる。可変抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１は、制御部１４が制御してもよく、またレギュレータ１３に抵抗値を制御するための制御部を設けても良い。

【0095】

レギュレータ１３で出力電圧Ｖｏｕｔを降圧する場合、可変抵抗Ｒ１で電力が消費される。出力電圧Ｖｏｕｔと一定電圧Ｖとの差が大きいほど可変抵抗Ｒ１で消費される電力が大きくなる。従って、スイッチトキャパシタ部１２が、一定電圧Ｖに近い出力電圧Ｖｏｕｔを生成するほど、レギュレータ１３での消費電力が少なくなる。これにより、ＤＣ／ＤＣ変換器の消費電力を少なくし、電力変換効率を向上させることができる。

【0096】

続いて、図１３を用いて本実施形態に係る電源モジュール１を用いた場合の効果について説明する。図１３は、スイッチトキャパシタ部１２が有するキャパシタの個数Ｎと、各動作モード時の降圧比１／ｒのｒとの関係を示す図である。例えば、キャパシタの個数が２個であり、動作モードが直並列モードである場合、ｒ＝２、すなわち降圧比は１／２倍となる。

【0097】

例えば、スイッチトキャパシタ部１２が直並列モードのみで動作する場合、キャパシタの個数を変更することで、スイッチトキャパシタ部１２の降圧比は、１／２，１／３，・・・と変更することができる。しかし、スイッチトキャパシタ部１２の降圧比の分解能を向上させるためにはキャパシタの個数を増やすしかない。

【0098】

また、スイッチトキャパシタ部１２がデジタル選択モードのみで動作する場合、キャパシタの個数を変更することで、スイッチトキャパシタ部１２の降圧比は、１／２，１／４，１／８，・・・と変更させることができる。スイッチトキャパシタ部１２が直並列モードのみで動作する場合に比べ、降圧比を小さくすることができる。例えば、キャパシタの個数が３個の場合、直並列モードでの降圧比は１／３であるのに対し、デジタル選択モードでは１／４となる。

【0099】

一方、一定電圧Ｖとして入力電圧Ｖｉｎを１／３倍に降圧した電圧を得たい場合、直並列モードの場合は、キャパシタの個数を３個としてスイッチトキャパシタ部１２を動作させればよい。しかし、デジタル選択モードの場合、スイッチトキャパシタ部１２では入力電圧Ｖｉｎを１／３倍に降圧できないため、スイッチトキャパシタ部１２で入力電圧Ｖｉｎを１／２倍に降圧した出力電圧Ｖｏｕｔを、さらにレギュレータ１３で一定電圧Ｖ＝１／３Ｖｉｎとなるよう降圧する必要がある。そのため、降圧比によっては、レギュレータ１３での電力損失が大きくなってしまう。

【0100】

そこで、本実施形態に係る電源モジュール１では、降圧比１／ｒに応じてスイッチトキャパシタ部１２の動作モードを変更することによって、レギュレータ１３の電力損失を抑えられる動作モードを選択でき、電源モジュール１の電力損失を抑制することができる。従って、ＤＣ／ＤＣ変換器、及び電源モジュール１の消費電力を削減し、電力変換効率を向上させることができる。

【0101】

図１４を用いて、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換器のシミュレーション結果を示す。ここでは、入力電圧Ｖｉｎを１２Ｖ、Ｎ＝４、第１〜第４キャパシタＣ１〜Ｃ４の容量及びキャパシタＣｒの容量をそれぞれＣ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃｒ＝３μＦ、負荷回路Ｒの抵抗値Ｒを１０Ω、第１〜第４期間等の切り替え周期（クロック周期）を２μs、第１〜第３スイッチ群、第４スイッチＳ４のオン抵抗Ｒｏｎ＝０．１Ωとしてシミュレーションを行った。

【0102】

図１４は、一定電圧Ｖの値を変更した場合のＤＣ／ＤＣ変換器の電力変換効率ηを示す図である。図１４に示す太い破線は、直並列モードのみの場合の電力変換効率を示す。直並列モード時の降圧比は１／４倍である。一定電圧Ｖが大きい場合、電力変換効率は大きいが、一定電圧Ｖが小さくなるに従い電力変換効率が低下していく。

【0103】

細い点線は、フィボナッチモードのみの場合の電力変換効率を示す。フィボナッチモード時の降圧比は１／５倍である。直並列モード時と同様に、一定電圧Ｖが大きい場合、電力変換効率は大きいが、一定電圧Ｖが小さくなるに従い電力変換効率が低下していく。但し、フィボナッチモードのみの場合は、１／５倍以上には降圧できないため、一定電圧Ｖは約２．３Ｖ以上にはならない。

【0104】

太い点線は、トリボナッチモードのみの場合の電圧変換効率を示す。トリボナッチモード時の降圧比は１／７倍である。直並列モード時と同様に、一定電圧Ｖが大きい場合、電力変換効率は大きいが、一定電圧Ｖが小さくなるに従い電力変換効率が低下していく。但し、トリボナッチモードのみの場合は、１／７倍以上には降圧できないため、一定電圧Ｖは約１．６Ｖ以上にはならない。

【0105】

細い破線は、デジタル選択モードのみの場合の電圧変換効率を示す。デジタル選択モード時の降圧比は１／８倍である。直並列モード時と同様に、一定電圧Ｖが大きい場合、電力変換効率は大きいが、一定電圧Ｖが小さくなるに従い電力変換効率が低下していく。但し、デジタル選択モードのみの場合は、１／８倍以上には降圧できないため、一定電圧Ｖは約１．４Ｖ以上にはならない。

【0106】

本実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換器の場合、デジタル選択モードで入力電圧Ｖｉｎを降圧できる範囲（図１４では、一定電圧Ｖが１Ｖ＜Ｖ≦約１．４Ｖの範囲）では、スイッチトキャパシタ部１２はデジタル選択モードで動作する。デジタル選択モードでは降圧できず、トリボナッチモードで入力電圧Ｖｉｎを降圧できる範囲（一定電圧Ｖが約１．４Ｖ＜Ｖ≦約１．６Ｖの範囲）では、スイッチトキャパシタ部１２はトリボナッチモードで動作する。トリボナッチモードでは降圧できず、フィボナッチモードで入力電圧Ｖｉｎを降圧できる範囲（一定電圧Ｖが約１．６Ｖ＜Ｖ≦約２．３Ｖの範囲）では、スイッチトキャパシタ部１２はフィボナッチモードで動作する。フィボナッチモードでは降圧できず、直並列モードで入力電圧Ｖｉｎを降圧できる範囲（一定電圧Ｖが約２．３Ｖ＜Ｖ≦約２．９Ｖの範囲）では、スイッチトキャパシタ部１２は直並列モードで動作する。

【0107】

この場合の電力変換効率を図１４の直線で示す。図１４で示すように、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換器の場合、一定電圧Ｖが約１．１Ｖから約２．９Ｖの範囲で変化しても約７０％以上の電力変換効率を実現できる。このように、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換器は、スイッチトキャパシタ部１２の動作モードを降圧比に応じて変更することで、一定電圧Ｖが幅広く変化しても電力変換効率を向上させることができる。

【0108】

図１５は、一定電圧ＶをＶ＝２．２５Ｖに固定し、負荷回路Ｒの抵抗値Ｒを変更することで、負荷回路Ｒに流れる出力電流Ｉｏｕｔを変更した場合のシミュレーション結果を示す図である。それ以外の構成要素の値は図１４と同じである。図１５の横軸は出力電流Ｉｏｕｔを、縦軸は電力変換効率ηを示している。

【0109】

図１５の点線は、フィボナッチモードのみの場合の電力変換効率を示す。フィボナッチモード時の降圧比は１／５倍である。フィボナッチモード時には出力電流Ｉｏｕｔが０．４５Ａ以下の場合は、電力変換効率は約９０％以上であるが、０．４５より大きくなると、一定電圧Ｖが２．２５Ｖより小さくなってしまい、ＤＣ／ＤＣ変換器が動作できなくなる。

【0110】

図１５の破線は、直並列モードのみの場合の電力変換効率を示す。直並列モード時の降圧比は１／４倍である。直並列モード時には、電力変換効率は約７３．５％程度とフィボナッチモードより低くなるが、出力電流Ｉｏｕｔが０．４５Ａより大きくなっても一定電圧Ｖを２．２５Ｖとすることができる。

【0111】

そこで、本実施形態のＤＣ／ＤＣ変換器では、降圧比によってスイッチトキャパシタ部１２の動作モードを変更するだけでなく、負荷回路Ｒの抵抗値Ｒの変化によって出力電流Ｉｏｕｔが変化した場合にも動作モードを変更することで、一定電圧Ｖを一定に保つことができる。この場合、制御部１４は、例えばレギュレータ１３の出力電流Ｉｏｕｔ及び出力電圧Ｖｏｕｔを観測し、これらの値に応じて動作モードを変更するようにする。

【0112】

図２に示すスイッチトキャパシタ部１２は、充放電するキャパシタの最大個数を変更できず、降圧比１／ｒ倍のｒの値がキャパシタの個数Ｎによって決定される。そこで、図１６に示すように、第４スイッチＳ４以外にも一端が入力側正極端子Ｖｉｎ＋に接続された複数のスイッチをスイッチトキャパシタ部１２に設ける。

【0113】

図１６に示すスイッチトキャパシタ部１２は、一端が入力側正極端子Ｖｉｎ＋に接続され、他端が第ｎキャパシタＣｎに接続された第４ｎスイッチＳ４ｎ（ｎ＝２，３，・・・，Ｎ−１）を備える。第４スイッチＳ４及び第４ｎスイッチＳ４ｎをあわせて第４スイッチ群と称する。第４スイッチ群は制御部１４によって制御される。

【0114】

制御部１４は、スイッチトキャパシタ部１２の降圧動作に使用するキャパシタの個数に応じて第４スイッチ群を制御する。具体的には、Ｎ個のキャパシタを用いて入力電圧Ｖｉｎの降圧を行う場合は、第４スイッチＳ４をオンとし、それ以外の第４スイッチ群のスイッチをオフする。また、Ｎ−ｎ個のキャパシタを用いて入力電圧Ｖｉｎを降圧を行う場合は、第４ｎスイッチＳ４ｎをオンとし、それ以外の第４スイッチ群のスイッチをオフする。これにより、スイッチトキャパシタ部１２の充放電するキャパシタの最大個数を変更でき、スイッチトキャパシタ部１２の降圧比をより柔軟に変更することができる。

【0115】

また、上述した実施形態では、スイッチトキャパシタ部１２の降圧比ｓ／ｒのｓをｓ＝１として説明したが、１≦ｓ＜ｒの値とすることができる。この場合、図１６に示すように一端が出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋に接続された複数のスイッチをスイッチトキャパシタ部１２に設ける。

【0116】

図１６に示すスイッチトキャパシタ部１２は、一端が出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋に接続され、他端が第ｎキャパシタＣｎに接続された第５ｎスイッチＳ５ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）を有する第５スイッチ群を有する。第５スイッチ群は制御部１４によって制御される。

【0117】

制御部１４は、スイッチトキャパシタ部１２の降圧比ｓ／ｒのｓの値に応じて第１〜第５スイッチ群を制御する。具体的には、ｓの値に応じて出力側に近いｐ（ｐ＝１，２，・・・，Ｎ）個のキャパシタを直列接続し、ｐ個のキャパシタの両端を出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋と出力側負極端子Ｖｏｕｔ−とに接続することで、入力電圧Ｖｉｎをｓ／ｒ倍した出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。制御部１４は、ｐ個のキャパシタの両端を出力側正極端子Ｖｏｕｔ＋及び出力側負極端子Ｖｏｕｔ−に接続するために、第５（Ｎ−ｐ＋１）スイッチＳ５（Ｎ−ｐ＋１）をオンとし、それ以外の第５スイッチ群のスイッチをオフする。また、制御部１４は、ｐ個のキャパシタが直列接続されるよう第１〜第３スイッチ群を制御する。このスイッチの制御は、直並列モード及びフィボナッチモードの場合は第２期間に、トリボナッチモードの場合は第３期間に、デジタル選択モードの場合は第Ｎ期間に行われる。

【0118】

このように第４，第５スイッチ群を追加することで、スイッチトキャパシタ部１２の降圧比ｓ／ｒをより柔軟に変更することができる。そのため、出力電圧Ｖｏｕｔを一定電圧Ｖにより近い値に降圧することができるようになり、レギュレータ１３での消費電力をより削減することができる。これにより、ＤＣ／ＤＣ変換器の電力変換効率をより向上させることができる。

【0119】

なお、上述した実施形態では、ＳＣ変換器を用いて入力電圧Ｖｉｎをｓ／ｒ（ｓ＜ｒ）に降圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成する場合について説明したが、同様の回路構成のＳＣ変換器を用いて、各スイッチの制御を変更することによって、入力電圧Ｖｉｎをｓ／ｒ（ｓ＞ｒ）に昇圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成することもできる。

【0120】

最後に、上述した各実施形態の説明は本開示の一例であり、本開示は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本開示に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0121】

１１ 電源
１２ スイッチトキャパシタ部
１３ レギュレータ
１４ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】