特開 2024-5483 スイッチング回路およびスイッチング回路の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024005483

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】スイッチング回路およびスイッチング回路の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20240110BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022105682

(22)【出願日】2022-06-30

(71)【出願人】

【識別番号】000237592

【氏名又は名称】株式会社デンソーテン

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西川 貴雅

(72)【発明者】

【氏名】久米 正義

(72)【発明者】

【氏名】小宮 基樹

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS05

5H730BB13

5H730BB57

5H730EE13

5H730EE57

5H730FD11

5H730FG05

(57)【要約】

【課題】安定した出力電圧を供給すること。
【解決手段】実施形態に係るスイッチング回路は、ＨｉサイドＭＯＳとＬｏサイドＭＯＳとを同期して入力電圧を降圧する同期整流降圧型のスイッチング回路であって、ＬｏサイドＭＯＳのゲートをグランドにショートするＭＯＳスイッチと、入力電圧を監視し、入力電圧の状態に応じてＭＯＳスイッチのオンオフを切り替える監視部とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＨｉサイドＭＯＳとＬｏサイドＭＯＳとを同期して入力電圧を降圧する同期整流降圧型のスイッチング回路であって、
前記ＬｏサイドＭＯＳのゲートをグランドにショートするＭＯＳスイッチと、
前記入力電圧を監視し、前記入力電圧の状態に応じて前記ＭＯＳスイッチのオンオフを切り替える監視部と
を備える、スイッチング回路。

【請求項2】

ＨｉサイドＭＯＳとＬｏサイドＭＯＳとを同期して入力電圧をまで降圧する同期整流降圧型のスイッチング回路であって、
前記ＬｏサイドＭＯＳのソースとグランドとの間に前記ＬｏサイドＭＯＳと直列に接続されたツェナーダイオードと、
前記ツェナーダイオードと並列に接続され、前記ＬｏサイドＭＯＳと前記ツェナーダイオードとの接続状態を切り替えるＭＯＳスイッチと、
前記入力電圧を監視し、前記入力電圧の状態に応じて前記ＭＯＳスイッチのオンオフを切り替える監視部と
を備える、スイッチング回路。

【請求項3】

前記監視部は、
前記入力電圧が閾値を下回る場合に、前記ＭＯＳスイッチをオフにし、前記入力電圧が前記閾値を超える場合に、前記ＭＯＳスイッチをオンにする、
請求項１に記載のスイッチング回路。

【請求項4】

前記監視部は、
前記入力電圧が閾値を超える場合に、前記ＭＯＳスイッチをオフにし、前記入力電圧が前記閾値を下回る場合に、前記ＭＯＳスイッチをオンにする、
請求項２に記載のスイッチング回路。

【請求項5】

前記ＨｉサイドＭＯＳと前記ＬｏサイドＭＯＳとを制御するパルス信号を前記入力電圧に応じて生成する信号生成部
を備え、
前記信号生成部は、
前記入力電圧と、前記ＭＯＳスイッチの状態とに応じた前記パルス信号を生成する、
請求項１または２に記載のスイッチング回路。

【請求項6】

ＨｉサイドＭＯＳとＬｏサイドＭＯＳとを同期して入力電圧を所定の出力電圧まで降圧する同期整流降圧型のスイッチング回路の制御方法であって、
前記入力電圧を監視し、前記入力電圧の状態に応じて前記ＬｏサイドＭＯＳのゲートをグランドにショートするＭＯＳスイッチのオンオフを切り替える、
スイッチング回路の制御方法。

【請求項7】

ＨｉサイドＭＯＳとＬｏサイドＭＯＳとを同期して入力電圧を降圧する同期整流降圧型のスイッチング回路の制御方法であって、
前記入力電圧を監視し、前記入力電圧の状態に応じて前記ＬｏサイドＭＯＳのソースとグランドとの間に前記ＬｏサイドＭＯＳと直列に接続されるツェナーダイオードと並列に接続されるＭＯＳスイッチのオンオフを切り替える、
スイッチング回路の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スイッチング回路およびスイッチング回路の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、同期整流降圧型のスイッチング回路がある。スイッチング回路に関して、入力電圧と出力電圧との差に応じた負荷状態に応じて、スイッチング周波数を切り替える技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－０２９１５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来技術では、たとえば、入力電圧が変動した場合に、出力電圧が不安定になる恐れがある。そのため、入力電圧が変動する場合であっても、安定した出力電圧を供給する技術が望まれる。

【0005】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した出力電圧を供給することができるスイッチング回路およびスイッチング回路の制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るスイッチング回路は、ＨｉサイドＭＯＳとＬｏサイドＭＯＳとを同期して入力電圧を降圧する同期整流降圧型のスイッチング回路であって、前記ＬｏサイドＭＯＳのゲートをグランドにショートするＭＯＳスイッチと、前記入力電圧を監視し、前記入力電圧の状態に応じて前記ＭＯＳスイッチのオンオフを切り替える監視部とを備える。

【0007】

また、本願発明に係るスイッチング回路は、ＨｉサイドＭＯＳとＬｏサイドＭＯＳとを同期して入力電圧を降圧する同期整流降圧型のスイッチング回路であって、前記ＬｏサイドＭＯＳのソースとグランドとの間に前記ＬｏサイドＭＯＳと直列に接続されたツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードと並列に接続され、前記ＬｏサイドＭＯＳと前記ツェナーダイオードとの接続状態を切り替えるＭＯＳスイッチと、前記入力電圧を監視し、前記入力電圧の状態に応じて前記ＭＯＳスイッチのオンオフを切り替える監視部とを備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、安定した出力電圧を供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１の実施形態に係るスイッチング回路の回路図である。

【図2】図２は、パルス信号とスイッチング電圧と関係を示す模式図である。

【図3】図３は、スイッチング回路の制御方法の処理手順を示すフローチャートである。

【図4】図４は、第２の実施形態に係るスイッチング回路の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面を参照して、本願の開示するスイッチング回路およびスイッチング回路の制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態により本発明が限定されるものではない。

【0011】

（第１の実施形態）
まず、図１を用いて、第１の実施形態に係るスイッチング回路の回路構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係るスイッチング回路の回路図である。

【0012】

図１に示すスイッチング回路１は、同期整流降圧型のスイッチング回路である。スイッチング回路１は、信号生成部１０によって生成したパルス信号によって入力電圧Ｖｉｎを目標電圧まで降圧させた出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

【0013】

信号生成部１０は、入力電圧Ｖｉｎおよび目標電圧の差分に応じたパルス信号を生成し、ＨｉサイドＭＯＳ１１に入力するとともに、逆位相のパルス信号をＬｏサイドＭＯＳ１２に入力することで入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔへ変換する。また、後述するように、信号生成部１０は、ＭＯＳスイッチ１３のオン／オフ、あるいは、入力電圧Ｖｉｎの値に応じて、パルス信号のオンＤｕｔｙを切り替えることで、出力電圧Ｖｏｕｔを適切に保つことができる。

【0014】

たとえば、スイッチング回路１は、車両に搭載され、車両のバッテリ電圧（たとえば、１２Ｖ）が一旦降圧された中間電位（たとえば、６Ｖ）の入力電圧Ｖｉｎを目標電圧（たとえば、１Ｖ）まで降圧させて出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

【0015】

近年では、車載用のスイッチング回路では、周辺回路部品（たとえば、コイル素子等）の小型化や、ノイズ回避の観点から、たとえば、２ＭＨｚ程度のスイッチ周波数で高速スイッチングさせる技術が主流となっている。

【0016】

また、入力電圧Ｖｉｎは各種の負荷状況等によって変動し、たとえば、入力電圧Ｖｉｎが高くなると、入力電圧Ｖｉｎと目標電圧との差分が大きくなるので、パルス信号のオンＤｕｔｙ（パルス幅）をより小さくすることが求められる。

【0017】

また、通常、半導体プロセスや素子特性によって、設定可能なオンＤｕｔｙの最小値が設定されるが、入力電圧Ｖｉｎが十分に大きい場合には、狙いのオンＤｕｔｙで動作できない恐れがある。

【0018】

たとえば、設定可能なオンＤｕｔｙの最小値よりも短いオンＤｕｔｙで動作させると、パルス信号を生成できない、あるいは、パルス信号に対してＬｏサイドＭＯＳ１２が反応しないなどといった不具合により、オンＤｕｔｙが欠落するパルススキップが発生する恐れがある。パルススキップが発生すると、Ｖｏｕｔが不安定になる。

【0019】

このような課題に対して、スイッチング回路１は、ＭＯＳスイッチ１３および監視部２０の構成を有している。ＭＯＳスイッチ１３は、ドレインがＬｏサイドＭＯＳ１２のゲートに接続され、ＭＯＳスイッチ１３にゲート電圧が入力された場合に、ＬｏサイドＭＯＳ１２のゲートをグランドにショートする。

【0020】

そのため、ＭＯＳスイッチ１３がオンになると、信号生成部１０からＬｏサイドＭＯＳ１２へ入力されるパルス信号がオンであっても、ＬｏサイドＭＯＳ１２はオフになる。また、ＭＯＳスイッチ１３がオフである場合には、信号生成部１０からＬｏサイドＭＯＳ１２へ入力されるパルス信号に応じて、ＬｏサイドＭＯＳ１２のオン／オフが制御される。

【0021】

監視部２０は、入力電圧Ｖｉｎを監視するモニタ回路である。たとえば、監視部２０は、入力電圧Ｖｉｎが予め設定された閾値を超えた場合に、ＭＯＳスイッチ１３のゲートに対してゲート電圧を入力する。

【0022】

すなわち、監視部２０は、入力電圧Ｖｉｎを監視し、パルススキップが生じるような状況であれば、ＭＯＳスイッチ１３にゲート電圧を入力する。ＭＯＳスイッチ１３がオンになると、ＬｏサイドＭＯＳ１２がオフになり、ＬｏサイドＭＯＳ１２のボディダイオードを通過させる還流経路を形成することになる。そのため、ＭＯＳスイッチ１３がオンである場合には、ボディダイオードの電圧特性に応じたサージ電圧Ｖｆが発生する。

【0023】

したがって、ＭＯＳスイッチ１３をオンにすることで、パルス信号のオンＤｕｔｙをサージ電圧Ｖｆに応じた時間だけ長くすることができる。より具体的には、ＭＯＳスイッチ１３がオフである場合のオンＤｕｔｙは「Ｄｏｎ＝（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）」であるが、ＭＯＳスイッチ１３がオンである場合のオンＤｕｔｙは「Ｄｏｎ＝（Ｖｏｕｔ＋Ｖｆ／Ｖｉｎ＋Ｖｆ）」となる。

【0024】

ここで、図２を用いて、ＭＯＳスイッチ１３のオン／オフそれぞれのパルス信号について説明しておく。図２は、パルス信号とスイッチング電圧Ｖｓｗと関係を示す模式図である。なお、図２の上段にＭＯＳスイッチ１３がオンである場合のパルス信号の波形を示し、下段にＭＯＳスイッチ１３がオフである場合のパルス信号の波形を示す。また、図２における縦軸は、ＨｉサイドＭＯＳ１１およびＬｏサイドＭＯＳ１２の中間地点におけるスイッチング電圧Ｖｓｗ（図１参照）を示し、上段および下段で入力電圧Ｖｉｎが同じであるものとする。

【0025】

たとえば、図２の上段に示すように、ＭＯＳスイッチ１３がオフである場合には、ＬｏサイドＭＯＳ１２のボディダイオードを通過しない還流経路が形成されるので、スイッチング電圧Ｖｓｗは０Ｖおよび入力電圧Ｖｉｎの間で変化する。

【0026】

そして、この場合には、０Ｖを基準として入力電圧Ｖｉｎに応じたパルス幅（オンＤｕｔｙ）ｗ１のパルス信号が生成される。

【0027】

これに対して、図２の下段に示すように、ＭＯＳスイッチ１３がオンである場合には、ＬｏサイドＭＯＳ１２のボディダイオードを通過する還流経路が形成されるので、スイッチング電圧Ｖｓｗは、－Ｖｆ（＜０Ｖ）と入力電圧Ｖｉｎとの間で変化する。

【0028】

そして、この場合には、－Ｖｆを基準として入力電圧Ｖｉｎに応じたパルス幅ｗ２（＞ｗ１）のパルス信号が生成されることになる。つまり、ＭＯＳスイッチ１３がオンにすることで、サージ電圧Ｖｆの分だけ、電位差を嵩増しすることができるので、ＭＯＳスイッチ１３がオンである場合のパルス幅ｗ２をＭＯＳスイッチ１３がオンである場合のパルス幅ｗ１よりも長くすることができる。

【0029】

したがって、入力電圧Ｖｉｎが閾値を超えて、パルススキップが生じるような場合には、ＭＯＳスイッチ１３をオンにすることで、必要なオンＤｕｔｙを設定可能なオンＤｕｔｙの最小値よりも大きな値に設定することが可能となる。そのため、スイッチング回路１は、入力電圧Ｖｉｎを目標電圧に適切に降圧することができる。

【0030】

これにより、スイッチング回路１では、入力電圧Ｖｉｎが閾値を超えて、パルススキップが発生するような場合であっても、パルススキップを抑制することができるので、安定した出力電圧Ｖｏｕｔを供給することができる。

【0031】

次に、図３を用いて、スイッチング回路１の制御方法の処理フローについて説明する。図３は、スイッチング回路１の制御方法の処理手順を示すフローチャートである。なお、以下に示す処理手順は、スイッチング回路１が起動している期間において監視部２０によって繰り返し実行される。

【0032】

図３に示すように、スイッチング回路１は、入力電圧Ｖｉｎが閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０１）。スイッチング回路１は、入力電圧Ｖｉｎが閾値よりも大きいと判定した場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、ＭＯＳスイッチ１３をオンにし（ステップＳ１０２）、処理を終了する。

【0033】

また、スイッチング回路１は、入力電圧Ｖｉｎが閾値以下であると判定した場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、ＭＯＳスイッチ１３をオフにし（ステップＳ１０３）、処理を終了する。

【0034】

上述したように、第１の実施形態に係るスイッチング回路１は、ＨｉサイドＭＯＳ１１とＬｏサイドＭＯＳ１３とを同期して入力電圧を所定の出力電圧まで降圧する同期整流降圧型のスイッチング回路であって、ＬｏサイドＭＯＳ１２のゲートをグランドにショートするＭＯＳスイッチ１３と、入力電圧Ｖｉｎを監視し、入力電圧Ｖｉｎの状態に応じてＭＯＳスイッチのオンオフを切り替える監視部２０とを備える。したがって、第１の実施形態に係るスイッチング回路１によれば、安定した出力電圧Ｖｏｕｔを供給することができる。

【0035】

（第２の実施形態）
ところで、上述の実施形態では、ＬｏサイドＭＯＳ１２のボディダイオードに応じたサージ電圧Ｖｆによって、オンＤｕｔｙを増加させることとした。しかしながら、たとえば、入力電圧Ｖｉｎがさらに大きい場合など、さらに短いオンＤｕｔｙが求められる場合も想定される。

【0036】

そこで、第２の実施形態に係るスイッチング回路は、ツェナーダイオードによって、サージ電圧をかさ上げすることとした。以下、図４を用いて、第２の実施形態に係るスイッチング回路について説明する。図４は、第２の実施形態に係るスイッチング回路の回路図である。なお、以下では、既に説明した部分は、同一の符号を付し、その説明は省略する。

【0037】

図４に示すように、第２の実施形態に係るスイッチング回路１００は、ＬｏサイドＭＯＳ１２とグランドとの間にツェナーダイオードＤを備え、ＭＯＳスイッチ１３はツェナーダイオードＤに並列接続される。

【0038】

図４に示すように、ツェナーダイオードＤは、アノードがＬｏサイドＭＯＳ１２と接続し、カソードがグランドに接続される。ＭＯＳスイッチ１３がオフである場合には、ツェナーダイオードＤを通過する還流経路が形成されるので、ツェナーダイオードＤの電圧特性に応じたサージ電圧Ｖｚが発生する。また、ＭＯＳスイッチ１３がオンである場合には、ＭＯＳスイッチ１３を通過する還流経路が形成されるので、サージ電圧Ｖｚは発生しない。

【0039】

そのため、監視部２０は、入力電圧Ｖｉｎが閾値を下回る場合に、ＭＯＳスイッチ１３に対してゲート電圧を入力し、入力電圧Ｖｉｎが閾値を超える場合には、ＭＯＳスイッチ１３に対してゲート電圧を入力しないことになる。

【0040】

ここで、第２の実施形態に係るスイッチング回路１００は、要求されるオンＤｕｔｙに応じて任意の電圧特性を有するツェナーダイオードＤを用いることができる。そのため、第２の実施形態に係るスイッチング回路１００は、ツェナーダイオードＤによってオンＤｕｔｙの最小値を任意に変更することができる。

【0041】

つまり、第２の実施形態に係るスイッチング回路１００は、入力電圧Ｖｉｎに対する許容範囲を第１の実施形態に係るスイッチング回路１に比べて拡張することができる。

【0042】

このように、第２の実施形態に係るスイッチング回路１００は、ＨｉサイドＭＯＳ１１とＬｏサイドＭＯＳ１２とを同期して入力電圧を所定の出力電圧まで降圧する同期整流降圧型のスイッチング回路であって、ＬｏサイドＭＯＳ１２のソースとグランドとの間にＬｏサイドＭＯＳ１２と直列に接続されたツェナーダイオードＤと、ツェナーダイオードＤと並列に接続され、ＬｏサイドＭＯＳ１２とツェナーダイオードＤとの接続状態を切り替えるＭＯＳスイッチ１３と、入力電圧Ｖｉｎを監視し、入力電圧Ｖｉｎの状態に応じてＭＯＳスイッチ１３のオンオフを切り替える監視部２０とを備える。したがって、第２の実施形態に係るスイッチング回路１００によれば、安定した出力電圧Ｖｏｕｔを供給することができる。

【0043】

ところで、上述した実施形態では、スイッチング回路１、１００がそれぞれ車載用のスイッチング回路であることを前提として説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、各種電化製品など、任意の製品にスイッチング回路１、１００を搭載するようにしてもよい。

【0044】

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0045】

１、１００ スイッチング回路
１０ 信号生成部
１１ ＨｉサイドＭＯＳ
１２ ＬｏサイドＭＯＳ
１３ ＭＯＳスイッチ
２０ 監視部
Ｄ ツェナーダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】