JP2005269829A

JP2005269829A - 電源装置

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Publication number: JP2005269829A
Application number: JP2004081311A
Authority: JP
Inventors: Junji Hayakawa; 順二早川; Hiroyuki Ban; 伴　　博行; Junichi Nagata; 淳一永田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29
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Abstract

【課題】電力損失の低減及びノイズの抑制を図りながら、出力電圧の急速な立ち上げを実現可能な電源装置を提供すること。
【解決手段】電圧降下電源回路３０に対して、電力変換回路１に供給される入力電圧Ｖｉｎと、電力変換回路１から出力される出力電圧Ｖ１ｏｕｔとのいずれかを選択的に供給する切換回路２０を備える。この切換回路２０は、電力変換回路１への入力電圧投入時には、その入力電圧Ｖｉｎを電圧降下電源回路３０に供給する。これにより、電圧降下電源回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔを急速に立ち上げることができる。その後、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔがその出力電圧Ｖｏｕｔを上回ると、切換回路２０は電圧降下電源回路３０へ供給する電圧を、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔに切り換える。これにより、電圧降下電源回路３０の入出力電圧の差が減少して電力損失が低下し、電力変換回路１において発生するノイズを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源回路と電圧降下電源回路とを備える電源装置に関するものである。

電圧降下電源回路（シリーズレギュレータ）は、出力電圧に応じた電圧値を検出して、この検出電圧と所定の基準電圧とを比較する。その比較結果に応じて、制御トランジスタのオン状態における導通状態、すなわち、コレクタ・エミッタ間の電圧の大きさを制御する。具体的には、検出電圧が基準電圧よりも高ければコレクタ・エミッタ間電圧を高め、逆に低ければコレクタ・エミッタ間電圧を低下させる。これにより、出力電圧が安定化し、電圧降下電源回路は、入力電圧から目標とする出力電圧を高精度に発生することができる。

しかしながら、電圧降下電源回路では、入力電圧を電圧降下させることによって出力電圧を発生させているので、必然的に比較的大きな電力損失が発生してしまう。この電力損失は入力電圧と出力電圧の差が大きいほど大きくなる。

一方、電力損失を低減可能な電源回路としてスイッチング電源回路（スイッチングレギュレータ）が知られている。このスイッチング電源回路では、入力電圧をスイッチング素子のオンオフ動作によって断続させ、コイルとコンデンサとによって平滑化する。このように、スイッチング電源回路は、スイッチング素子のオンオフ動作によって出力電圧の調整を行なうので、電力損失を低減することができる。

しかしながら、スイッチング電源回路では、スイッチング素子のオンオフ動作に伴なって、リップル電圧等のノイズが発生してしまう。

このため、例えば特許文献１に開示されるように、スイッチング電源回路と電圧降下電源回路とを直列に接続した電源装置が提案されている。この電源装置によれば、入力電圧は、スイッチング電源回路で予め電圧降下された後に電圧降下電源回路に与えられるので、電力損失の低減を図ることができるとともに、スイッチング電源回路によるノイズは電圧降下電源回路によって平滑化されるため、ノイズの抑制も図ることができる。
特開平６−３３５２３８号公報

ここで、スイッチング電源回路への入力電圧の立ち上がり時に、スイッチング電源回路が急速に出力電圧を立ち上げると、その出力電圧によって、上述したコイルとコンデンサからなる平滑回路に、定常状態に比較して非常に大きな電流が流れる場合がある。このような大電流により、特に平滑回路におけるコイルがストレスを受け、信頼性が低下する可能性がある。

このため、スイッチング電源回路においては、ソフトスタート回路などを設けて、入力電圧の投入時に出力電圧が徐々に立上るように構成する。このソフトスタート回路は、例えば、スイッチング素子を駆動するパルス信号を発生する回路に作用して、パルス幅が徐々に長くなるパルス信号を発生させる。

このように、スイッチング電源回路では、特にソフトスタート回路を設けた時に顕著となるが、出力電圧が立上って安定化するまでに遅れ時間が発生する。このため、スイッチング電源回路と電圧降下電源回路とを直列に接続する場合、特にスイッチング電源における出力電圧の立ち上がりの遅れに起因して、電圧降下電源回路の出力電圧の立ち上がりに遅れ時間が発生する。この結果、電源装置に接続した負荷回路を起動する際に、必要となる負荷起動電流の大きさによっては、起動までに相当な時間を要する場合がありえる。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、電力損失の低減及びノイズの抑制を図りながら、さらに出力電圧の急速な立ち上げを実現可能な電源装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、請求項１に記載の電源装置は、
入力端子から出力端子までの経路にスイッチング素子を備え、当該スイッチング素子をオンオフ動作させて、入力端子に供給される入力電圧を当該入力電圧よりも低い出力電圧に変換し、出力端子から出力するスイッチング電源回路と、
入力端子から出力端子までの経路に制御トランジスタを備え、当該制御トランジスタのオン状態における導通状態を調節することによって、入力端子に供給される入力電圧を目標とする出力電圧まで電圧降下させて出力端子から出力する電圧降下電源回路と、
スイッチング電源回路の入力端子に供給される入力電圧と、スイッチング電源回路の出力端子から出力される出力電圧とのいずれかを選択的に、電圧降下電源回路の入力端子に供給するものであって、スイッチング電源回路への入力電圧の供給開始時には、スイッチング電源回路へ供給される入力電圧を電圧降下電源回路にも供給し、その後、所定の条件が成立した場合に、電圧降下電源回路へ供給する入力電圧を、スイッチング電源回路から出力される出力電圧に切り換える切換回路とを備えることを特徴とする。

上述したように、請求項１に記載の電源装置は、電圧降下電源回路の入力端子に、スイッチング電源回路の入力端子に供給される入力電圧と、スイッチング電源回路の出力端子から出力される出力電圧とのいずれかを選択的に供給する切換回路を備える。この切換回路は、スイッチング電源回路への入力電圧の供給開始時には、スイッチング電源回路へ供給される入力電圧を電圧降下電源回路の入力端子に供給する。このように、スイッチング電源回路を介することなく、スイッチング電源回路への入力電圧を、直接、電圧降下電源回路の入力端子に与えるので、電圧降下電源回路の出力電圧を急速に立ち上げることができる。

その後、切換回路は、所定の条件が成立した場合に、電圧降下電源回路へ供給する入力電圧を、スイッチング電源回路から出力される出力電圧に切り換える。これにより、電圧降下電源回路の入出力電圧の差が減少して、電圧降下電源回路における電力損失が低下するとともに、スイッチング電源回路において発生するノイズを抑制できる。

このように、請求項１に記載の電源装置は、上述した切換回路を備えることにより、電力損失の低減及びノイズの抑制を図りながら、電圧降下電源回路から出力される出力電圧の急速な立ち上がりを実現することができる。

請求項２に記載のように、スイッチング電源回路の入力電圧を電圧降下電源回路の入力端子に導く経路に設けられ、その経路の導通・遮断状態を切り換える開閉回路を設けても良い。上記経路に開閉回路を設けると、電圧降下電源回路の入力電圧がスイッチング電源回路の出力電圧に切り換えられた後に、スイッチング電源回路の入力電圧が電圧降下電源回路に供給されることを確実に防止することができる。

請求項３に記載のように、切換回路は、
スイッチング電源回路の出力端子と電圧降下電源回路の入力端子との間に設けられた第１のダイオードと、
スイッチング電源回路の入力電圧を電圧降下電源回路の入力端子に導く経路に設けられた第２のダイオードと、
スイッチング電源回路の入力電圧を電圧降下電源回路の入力端子に導く経路において、第２のダイオードの上流に設けられ、その経路の導通・遮断状態を切り換える開閉回路と、
所定の条件が成立した場合に、開閉回路を遮断状態に駆動する駆動制御回路とから構成しても良い。

このように切換回路を構成すると、開閉回路の導通・遮断状態の切換によって、電圧降下電源回路に与える電圧を切り換えることができ、回路構成をシンプルにすることができる。

なお、上述した所定の条件は、請求項４に記載したように、スイッチング電源回路の出力電圧が、所定の基準電圧以上に上昇したこととするのが好ましく、この所定の基準電圧としては、請求項５に記載したように、電圧降下電源回路の出力電圧を用いることが好ましい。スイッチング電源回路の入力電圧を直接、電圧降下電源回路に供給すると、「背景技術」の欄で説明したように、大きな電力損失が発生する。このため、スイッチング電源回路の出力電圧が所定の基準電圧以上に上昇し、十分に立上ったとみなされたことを条件として、電圧降下電源回路に供給する電圧をスイッチング電源回路の出力電圧に切り換える。この切換までの実際の時間は僅かであるため、電力損失の増加は最小限に抑えられる。

また、基準電圧として電圧降下電源回路の出力電圧を用いると、スイッチング電源回路の入力電圧が直接与えられたときに電圧降下電源回路から実際に出力されている出力電圧を基準として、スイッチング電源回路の出力電圧の立ち上がりを判断するので、スイッチング電源回路の出力電圧が必要電圧まで立ち上がったことを確実に判断できる。

請求項６に記載したように、スイッチング電源回路、電圧降下電源回路、及び切換回路の各々の回路の少なくとも一部は、共通の半導体チップに形成することができる。これにより電源装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

この場合、請求項７に記載したように、その半導体チップには、温度センサ素子を含む過熱保護回路が形成されて、当該過熱保護回路は、温度センサ素子によって過熱状態を検出すると、スイッチング電源回路、電圧降下電源回路、及び切換回路に対して、動作停止信号を出力することが好ましい。共通の半導体チップに形成することにより、各回路の発熱による過熱状態を共通の温度センサによって検出することができるので、各回路の過熱保護を効率的に行なうことができる。

請求項８に記載したように、
第１のダイオードを流れる電流値を検出する第１の電流検出回路と、
第２のダイオードを流れる電流値を検出する第２の電流検出回路と、
第１の電流検出回路によって検出される電流値が所定の第１基準電流値を超えた場合に、スイッチング電源の動作を停止させる第１の過電流保護回路と、
第２の電流検出回路によって検出される電流値が所定の第２基準電流値を超えた場合に、開閉回路を遮断状態に駆動する第２の過電流保護回路とを備えることが好ましい。これにより、スイッチング電源回路及び開閉回路を過電流から保護することができる。

さらに、請求項９に記載したように、第１の電流検出回路及び／又は第２の電流検出回路によって過電流が検出された場合に、電圧降下電源回路の動作を停止させる第３の過電流保護回路を備えることが好ましい。これにより、電圧降下電源回路も過電流から保護することができる。

なお、請求項１０に記載のように、第１のダイオードおよび第１の電流検出回路、並びに第２のダイオード及び第２の電流検出回路は、それぞれ、複数のトランジスタをダイオード接続したカレントミラー回路によって一体的に構成することができる。

以下、本発明による電源装置の好ましい実施形態について、図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における電源装置１００全体の概略構成を示す構成図であり、各ブロック内に各回路の一例を示している。

図１において、１はスイッチング電源回路としての電力変換回路である。電力変換回路１の入力端子８には、コイル２及びコンデンサ３からなる入力側平滑回路が接続されている。この入力側平滑回路は、電力変換回路１の入力端子８に与えられる入力電圧が変動した際に、その変動量を低減するために設けられている。

入力側平滑回路の下流には、ＰＮＰトランジスタからなるスイッチング素子４が設けられている。このスイッチング素子４は、後述するスイッチング制御回路１０から与えられる駆動パルス信号によってオンオフ動作する。

スイッチング素子４から断続して出力される電圧を平滑化するために、スイッチング素子４の下流にはコイル５及びコンデンサ７からなる出力側平滑回路が接続されている。さらに、出力側平滑回路のコンデンサ７と並列にフライホイールダイオード６が接続されている。このフライホイールダイオード６は、スイッチング素子４のオンオフ動作によりコイル５に生ずる逆起電力を吸収する。出力側平滑回路によって平滑化された電圧が、電力変換回路１の出力電圧として出力端子９から出力される。

電力変換回路１の出力電圧は、スイッチング制御回路１０に入力される。スイッチング制御回路は、この入力した出力電圧に応じた電圧値を分圧により検出する、抵抗Ｒ１，Ｒ２及びＲ３から構成される抵抗直列回路、及び、電力変換回路１の出力電圧の基準となる基準電圧を発生する基準電源回路１１を備えている。基準電源回路１１によって発生される基準電圧と、抵抗直列回路によって検出された検出電圧とは、エラーアンプ１２に入力され、エラーアンプ１２は、入力された基準電圧と検出電圧との差を増幅して出力する。

スイッチング制御回路１０は、さらにスイッチング素子４をオンオフ動作させるための駆動パルス信号を生成するＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路１４を備えている。エラーアンプ１２からの増幅出力と、三角波発振回路１３で発生した三角波とが、このＰＷＭ回路１４に入力される。ＰＷＭ回路１４は、エラーアンプ１２の増幅出力と三角波発振回路１３で発生した三角波とを比較し、三角波が増幅出力を上回っている期間にＬｏレベルの信号を発生し、下回っている期間にＨｉレベルの信号を発生することによって、スイッチング素子４を駆動するための駆動パルス信号を生成する。

なお、スイッチング素子４はＰＮＰトランジスタからなるため、ＰＷＭ回路１４からＬｏレベルの信号が出力されたときにオンし、Ｈｉレベルの信号が出力されたときにオフする。駆動回路１６は、ＰＷＭ回路１４から出力された駆動パルス信号をスイッチング素子４を駆動できるレベルまで増幅する回路である。

また、スイッチング制御回路１０は、ソフトスタート回路１５を備えており、このソフトスタート回路１５は、ＰＷＭ回路１４に作用して、入力電圧投入時に電力変換回路１の出力電圧が徐々に立ち上がるようにする。すなわち、ソフトスタート回路１５は、例えば、入力電圧投入時には、ＰＷＭ回路１４に与えられるエラーアンプ１２の増幅出力を桁上げしつつ、時間の経過とともに徐々に低下させる。これにより、ＰＷＭ回路１４からの駆動パルス信号の幅（Ｌｏレベルの出力期間）が、入力電圧の投入時には狭くなり、その後徐々に広がるようになる。ただし、ソフトスタート回路としては、これに限らず、例えば、基準電源回路１１の発生する基準電圧を徐々に増加させる等によって、電力変換回路１の出力電圧の立ち上がりを緩やかにしても良い。

なお、電力変換回路１の入力端子８に与えられる入力電圧の値は例えば１２Ｖであり、電力変換回路１がこの入力電圧（１２Ｖ）よりも低い電圧（例えば６Ｖ）を出力するように、スイッチング制御回路１０は駆動パルス信号を生成する。さらに、後述する電圧降下制御回路３０においては、例えば５Ｖが目標出力電圧として設定される。すなわち、本実施形態における電源装置１００では、入力電圧（１２Ｖ）＞電力変換回路の出力電圧（６Ｖ）＞電圧降下電源回路の出力電圧（５Ｖ）との関係が成立する。

電力変換回路１と並列に、ＰＮＰトランジスタからなる開閉回路６０が設けられている。すなわち、電源装置１００の入力端子に入力される入力電圧は、電力変換回路１の入力端子８に与えられるとともに、開閉回路６０を構成するＰＮＰトランジスタのエミッタ端子に与えられる。また、電力変換回路１の出力電圧は、切換回路２０の一方の入力端子Ａに入力され、開閉回路６０を構成するＰＮＰトランジスタのコレクタ端子からの出力電圧は、切換回路２０の他方の入力端子Ｂに入力される。

開閉回路６０は、第１の検出回路４０の出力によって開状態と閉状態とに切り換えられる。第１の検出回路４０は、コンパレータ４１を備え、このコンパレータ４１において、スイッチング制御回路１０の抵抗直列回路において分圧によって検出される電力変換回路１の出力電圧と、抵抗Ｒ６，Ｒ７からなる抵抗直列回路によって検出される、後述する電圧降下電源回路３０の出力電圧とを比較する。その比較結果に応じてＬｏレベルもしくはＨｉレベルの信号を出力し、開閉回路６０を開状態と閉状態とのいずれかに設定する。

なお、第１の検出回路４０における駆動回路４２は、コンパレータ４１から出力された信号をＰＮＰトランジスタからなる開閉回路６０を駆動できるレベルまで増幅する回路である。さらに、駆動回路４２は、電源装置１００への入力電圧の投入時に、第１の検出回路４０から出力される信号のレベルを初期的にＬｏレベルにして、開閉回路６０を開状態に設定するように動作する。

切換回路２０は、入力端子Ａと入力端子Ｂとに入力された入力電圧から、第２の検出回路５０からの出力信号に従って、いずれかの入力電圧を選択して出力する回路である。第２の検出回路５０は、上述した第１の検出回路４０とほぼ同様に構成されている。すなわち、コンパレータ５１において、電力変換回路１の出力電圧と電圧降下電源回路３０の出力電圧を比較し、その大小関係に応じて、ＬｏレベルもしくはＨｉレベルの信号を出力する。駆動回路５２は、その信号を増幅して出力するとともに、入力電圧の投入時には、初期的にＨｉレベルの信号を出力するように設定されている。

切換回路２０の後段には電圧降下電源回路３０が接続されている。この電源降下電源回路３０は、その入力端子３６と出力端子３７間に制御トランジスタ（ＰＮＰトランジスタ）３３を備えている。この制御トランジスタ３３は、電圧降下電源回路３０の出力電圧が目標電圧（５Ｖ）に一致するように、オン状態における導通状態、すなわち、エミッタ・コレクタ間の電圧の大きさが制御される。これにより、電圧降下電源回路３０は、目標電圧にほぼ一致する電圧を安定的に出力することができる。

電圧降下電源回路３０の出力電圧を分圧して検出するために、抵抗Ｒ４、Ｒ５からなる抵抗直列回路が設けられている。また、抵抗Ｒ４，Ｒ５の抵抗直列回路によって分圧して検出された検出出力電圧と比較するための基準電圧は、スイッチング制御回路１０の基準電源回路１１から入力される。この基準電源回路１１は、電圧降下電源回路３０に別途設けても良いことはもちろんである。

電圧降下電源回路３０はエラーアンプ３４を備え、上述した検出出力電圧と基準電圧との差を増幅して出力する。そのエラーアンプ３４の出力は、その出力レベルを調整する駆動回路３５を介して制御トランジスタ３３のベースに与えられ、検出出力電圧と基準電圧との差に応じて制御トランジスタ３３の導通状態を制御する。

さらに、電圧降下電源回路３０は、制御トランジスタ３３に過大な電流が流れることを防止するために、電流検出用の抵抗３１とこの抵抗３１を流れる電流値が所定値を超えた場合に、駆動回路３５に作用して、制御トランジスタ３３のエミッタ・コレクタ間の電圧を高める過電流検出回路３２を備えている。

上述した構成を有する電源装置１００の作用について、図２の波形図を用いて説明する。

図２示すように、電源装置１００の入力電圧Ｖｉｎが時刻Ｔ１において投入されると、駆動回路４２から初期的にＬｏレベルの信号が出力されることにより、開閉回路６０が開状態（ＯＮ）に設定される。また、切換回路２０においては、駆動回路５２から初期的にＨｉレベルの信号が出力されることにより、出力端子に接続する入力端子として入力端子Ｂを選択して、この入力端子Ｂに入力される電圧を切換回路２０の出力端子から出力する。このため、電圧降下電源回路３０の入力端子３６には、電源装置１００の入力電圧Ｖｉｎが投入直後から直接供給されるので、電圧降下電源回路３０は、出力電圧Ｖｏｕｔを急速に立ち上げることができる。ただし、この場合、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの差が大きいため、図２に示すように電圧降下電源回路３０における電力損失は大きくなる。

電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔは、ソフトスタート回路１５等の作用により、図２に示すように、時刻Ｔ１から徐々に上昇していく。この出力電圧Ｖ１ｏｕｔが電圧降下電源回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔを上回るまでは、第１の検出回路４０がＬｏレベルの信号を出力し続けて、開閉回路６０を開状態に維持するとともに、切換回路２０が入力端子Ｂと出力端子とを接続した状態を維持する。

そして、時刻Ｔ２において、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔが、電圧降下電源回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔを上回ると、第１の検出回路４０のコンパレータ４１からＨｉレベルの信号が出力されるため、開閉回路６０は閉状態に切り換えられる。これにより、入力端子Ｂへの、入力電圧Ｖｉｎの供給は停止される。同時に、第２の検出回路５０のコンパレータ５１からＬｏレベルの信号が出力されるため、切換回路２０は、出力端子に接続する入力端子を、入力端子Ｂから入力端子Ａに切り換える。

従って、時刻Ｔ２以後は、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔが、電圧降下電源回路３０の入力端子３６に供給される。電力変換回路１は、入力電圧Ｖｉｎよりも低い出力電圧Ｖ１ｏｕｔをスイッチング素子４のオンオフ動作によって発生する。従って、電力変換回路１における電力損失は極僅かである。さらに、電圧降下電源回路３０においても、時刻Ｔ２以後は、入力端子３６に与えられる電圧Ｖ１ｏｕｔと出力電圧Ｖｏｕｔとの差が小さくなるので、電圧降下電源回路３０の電力損失も大幅に低下する。

このため、図２に示すように、電源装置１００におけるトータルの電力損失は、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２までは比較的高くなるが、時刻Ｔ２以降は大幅に減少される。なお、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの実際の時間は僅かであるため、電力損失の増加は最小限に抑えられる。

さらに、電力変換回路１００の出力電圧Ｖ１ｏｕｔは、電圧降下電源回路３０に与えられるので、出力電圧Ｖ１ｏｕｔにノイズがのっていても、電圧降下電源回路３０によってノイズが抑制される。この結果、電源装置１００は、常に安定した出力電圧をその出力端子から供給することが可能になる。

以上、説明したように、本実施形態による電源装置１００によれば、電力損失の低減、ノイズの抑制を図りながら、出力電圧の急速な立ち上げを実現することができる。

なお、上述した第１実施形態においては、第１の検出回路４０及び開閉回路６０を設け、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔが電圧降下電源回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔを上回ると、開閉回路６０において、入力電圧Ｖｉｎの供給を遮断するように構成した。この構成によれば、電圧降下電源回路３０への入力電圧が電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔに切り換えられた後に、入力電圧Ｖｉｎが電圧降下電源回路３０に供給されることを確実に防止することができるため好ましい。しかしながら、電力変換回路９の出力電圧Ｖ１ｏｕｔが電圧降下電源回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔを上回ると、切換回路２０によって、出力端子と入力端子Ｂとの接続は遮断されるので、第１の検出回路４０及び開閉回路６０は省略することが可能である。この場合、切換回路２０は、例えば反転動作する一対のパワートランジスタによって構成できる。

また、上述した第１実施形態においては、第１の検出回路４０及び第２の検出回路５０において、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔと電圧降下電源回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔを比較することにより、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔの立ち上がりを判定した。このように、入力電圧Ｖｉｎが与えられたときに電圧降下電源回路３０から実際に出力されている出力電圧Ｖｏｕｔを基準として、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔの立ち上がりを判断すると、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔが必要電圧まで立ち上がったことを確実に判断できるため好ましい。しかしながら、電圧降下電源回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔではなく所定の基準電圧との比較を行なって、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔの立ち上がりを判定することも可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態における電源装置２００に関して図３及び図４を用いて説明する。なお、第１実施形態による電源装置１００と同様の構成については同じ参照番号を付与することにより、説明を省略する。

以下、第２実施形態による電源装置２００と第１実施形態による電源装置１００との相違点について順に説明する。

まず、第２実施形態による電源装置２００は、図３に示すように、切換回路２０Ａが、電力変換回路１の出力端子９と電圧降下電源回路３０の入力端子３６との間に設けられたダイオードＤ１と、開閉回路６０Ａのコレクタ端子と電圧降下電源回路３０の入力端子３６との間に設けられたダイオードＤ２とから構成される。

このように電力変換回路１の出力端子９と開閉回路６０Ａのコレクタ端子とを、それぞれダイオードＤ１，Ｄ２を介して電圧降下電源回路３０の入力端子３６に接続することにより、開閉回路６０Ａの開閉状態に応じて、自動的に、電圧降下電源回路３０に供給する電圧の切換を行なうことができる。この点について、図４の波形図を用いて詳しく説明する。

入力電圧Ｖｉｎの投入時に、開閉回路６０Ａが開状態となり、コレクタ端子から入力電圧Ｖｉｎが出力されるのは、前述した第１実施形態と同様である。このとき、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔは徐々に増加していくが、入力電圧Ｖｉｎよりも低いため、ダイオードＤ１において、出力電圧Ｖ１ｏｕｔは遮断され、電圧降下電源回路３０にはダイオードＤ２を介して入力電圧Ｖｉｎが供給される。このため、電圧降下電源回路３０は、電源装置２００への入力電圧の投入後、急速に出力電圧Ｖｏｕｔを立ち上げることができる。

その後、時刻Ｔ２において、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔが電圧降下電源回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔを上回ると、第１の検出回路４０のコンパレータ４１Ａにおける大小関係が逆転する。そのため、コンパレータ４１Ａは、その出力信号のレベルをＨｉレベルからＬｏレベルに変化させる。これにより、開閉回路６０Ａを構成するＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子への供給電圧が低下し、開閉回路６０Ａは閉状態に切り換わる。

その結果、ダイオードＤ２からの入力電圧Ｖｉｎの供給が停止するため、その後は、ダイオードＤ１を介して、電力変換回路１の出力電圧Ｖ１ｏｕｔが、自動的に電圧降下電源回路３０に供給されるようになる。

このように、第２実施形態によれば、２個のダイオードＤ１，Ｄ２で構成される切換回路２０Ａと開閉回路６０Ａとの協働により、供給電圧の切換を行なうことができるため、その切換に必要な回路構成を簡素化することができる。

次に、第２実施形態における電源装置２００では、その大部分の回路を共通の半導体チップに形成することを可能とするために、電力変換回路１におけるスイッチング素子４Ａ，電圧降下電源回路３０における制御トランジスタ３３Ａ，及び開閉回路６０ＡをそれぞれＮチャネルＭＯＳＦＥＴによって構成した。なお、図３に示す点線部分が、共通の半導体チップ上に形成する回路の範囲を示す。この点線によって示されるように、電源装置２００の大部分の回路を共通の半導体チップに形成することで、電源装置２００の小型化及び低コスト化を図ることができる。

ただし、図３では、電圧降下電源回路３０の制御トランジスタ３３Ａも１チップ化する範囲に含めているが、その制御トランジスタ３３Ａの発熱量が比較的大きい場合には、１チップ化範囲から除外しても良い。この場合、制御トランジスタ３３ＡはＭＯＳＦＥＴによって構成する必要はなく、バイポーラトランジスタ等によって構成しても良い。

また、上述したように、本実施形態では、スイッチング素子４Ａ及び開閉回路６０ＡをＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成するため、第１実施形態のＰＮＰトランジスタとは異なり、Ｈｉレベルの信号がゲート端子に与えられたときにオンし、Ｌｏレベルの信号が与えられたときにオフする。このため、ＰＷＭ回路１４Ａ及びコンパレータ４１Ａにおける、反転入力と非反転入力との関係が第１実施形態とは逆転している。

また、本実施形態では、スイッチング素子４Ａや開閉回路６０ＡにＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いており、このＮチャネルＭＯＳＦＥＴを確実にオンさせるには、ソース電位に対して十分に高い電圧をゲートに与える必要がある。このため、スイッチング制御回路１０に昇圧回路１７を設け、例えば２０Ｖ程度まで昇圧した駆動電圧をゲートに供給することを可能としている。

さらに、共通の半導体チップに大部分の回路を形成した場合、その発熱度合も増加することが予想されるため、スイッチング制御回路１０内に過熱保護回路１８を設けている。この過熱保護回路は、温度センサ素子を有し、所定温度以上に温度が上昇したことを検知すると、各駆動回路１６，３５、４２に作動停止信号を出力する。このように、電源装置２００の大部分の回路を共通の半導体チップに形成することにより、各回路の発熱による過熱状態を共通の温度センサ素子によって検出することができるので、各回路の過熱保護を効率的に行なうことができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態における電源装置３００に関して説明する。なお、第２実施形態による電源装置２００と同様の構成については同じ参照番号を付与することにより、説明を省略する。

第３実施形態による電源装置３００の切換回路２０Ｂでは、第２実施形態における切換回路２０ＡのダイオードＤ１，Ｄ２を、それぞれ、３個のＰＮＰトランジスタをダイオード接続したカレントミラー回路Ｃ１，Ｃ２によって構成した。

このように、電力変換回路１及び開閉回路６０Ａからの各電圧供給ラインに設けられるダイオードをカレントミラー回路Ｃ１，Ｃ２によって構成することにより、供給電圧の切換機能を実現しながら、各電圧供給ラインに流れる電流値をモニタすることができる。

電力変換回路１の電圧供給ラインに設けられたカレントミラー回路Ｃ１によってモニタされる電流値は、スイッチング制御回路１０のリミッタ回路１９及び電圧降下電源回路３０のリミッタ回路３６に入力される。各リミッタ回路１９，３６では、入力された電流値をそれぞれ上限電流値と比較することにより、過剰な電流が流れていないか否かを判定する。そして、過剰電流の導通を判定した場合には、各駆動回路１６，３５に作動停止信号を出力して、スイッチング素子４Ａのオンオフ動作、あるいは制御トランジスタ３３Ａの導通状態の制御を停止する。これにより、電力変換回路１及び電圧降下電源回路３０を過電流から保護することができる。なお、動作を完全に停止せずに、出力電圧が低下するように駆動信号を調節しても良い。

また、開閉回路６０Ａの電圧供給ラインに設けられたカレントミラー回路Ｃ２によってモニタされる電流値は、第１の検出回路４０のリミッタ回路４３及び電圧降下電源回路３０のリミッタ回路３６に入力される。各リミッタ回路４３，３６においても、上述したと同様に、入力電流値をそれぞれ上限電流値と比較することにより、過剰な電流が流れていないか否かを判定する。そして、過剰電流の導通を判定した場合には、各駆動回路４２，３５に作動停止信号を出力して、開閉回路６０Ａを閉状態としたり、あるいは制御トランジスタ３３Ａの導通状態の制御を停止する。これにより、開閉回路６０Ａ及び電圧降下電源回路３０を過電流から保護することができる。

また、上述したように、切換回路２０Ｂを、ダイオード接続された複数のＰＮＰトランジスタからなるカレントミラー回路Ｃ１，Ｃ２によって構成することにより、電圧切換機能と電流値監視機能とを同時に実現することができる。

以上、本発明による好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。

例えば、上述した各実施形態では、スイッチング素子、制御トランジスタ、及び開閉回路をＰＮＰトランジスタもしくはＮチャネルＭＯＤＦＥＴにて構成する例について説明した。しかしながら、他の種類のトランジスタ、例えばＮＰＮトランジスタやＰチャネルＭＯＳＦＥＴによって構成しても良いことはもちろんである。

また、スイッチング電源回路として電力変換回路１や電圧降下電源回路３０等、各回路の構成はあくまで一例を示したものであって、スイッチングレギュレータ及びシリーズレギュレータとしての機能が満足される限り、どのような回路構成を採用しても良い。

第１実施形態における電源装置１００全体の概略構成を示す構成図である。第１実施形態による電源装置１００の作用を説明するための波形図である。第２実施形態における電源装置２００全体の概略構成を示す構成図である。第２実施形態による電源装置２００の作用を説明するための波形図である。第３実施形態における電源装置３００全体の概略構成を示す構成図である。

符号の説明

１電力変換回路（スイッチング電源）
４スイッチング素子
１０スイッチング制御回路
２０切換回路
３０電圧降下電源回路
３３制御トランジスタ
４０第１の検出回路
５０第２の検出回路
６０開閉回路

Claims

入力端子から出力端子までの経路にスイッチング素子を備え、当該スイッチング素子をオンオフ動作させて、前記入力端子に供給される入力電圧を当該入力電圧よりも低い出力電圧に変換し、前記出力端子から出力するスイッチング電源回路と、
入力端子から出力端子までの経路に制御トランジスタを備え、当該制御トランジスタのオン状態における導通状態を調節することによって、前記入力端子に供給される入力電圧を目標とする出力電圧まで電圧降下させて前記出力端子から出力する電圧降下電源回路と、
前記スイッチング電源回路の入力端子に供給される入力電圧と、前記スイッチング電源回路の出力端子から出力される出力電圧とのいずれかを選択的に、前記電圧降下電源回路の入力端子に供給するものであって、前記スイッチング電源回路への入力電圧の供給開始時には、前記スイッチング電源回路へ供給される入力電圧を前記電圧降下電源回路にも供給し、その後、所定の条件が成立した場合に、前記電圧降下電源回路へ供給する入力電圧を、前記スイッチング電源回路から出力される出力電圧に切り換える切換回路とを備えることを特徴とする電源装置。
前記スイッチング電源回路の入力電圧を前記電圧降下電源回路の入力端子に導く経路に設けられ、前記経路の導通・遮断状態を切り換える開閉回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記切換回路は、
前記スイッチング電源回路の出力端子と前記電圧降下電源回路の入力端子との間に設けられた第１のダイオードと、
前記スイッチング電源回路の入力電圧を前記電圧降下電源回路の入力端子に導く経路に設けられた第２のダイオードと、
前記スイッチング電源回路の入力電圧を前記電圧降下電源回路の入力端子に導く経路において、前記第２のダイオードの上流に設けられ、前記経路の導通・遮断状態を切り換える開閉回路と、
前記所定の条件が成立した場合に、前記開閉回路を遮断状態に駆動する駆動制御回路とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記所定の条件は、前記スイッチング電源回路の出力電圧が、所定の基準電圧以上に上昇したことであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電源装置。
前記所定の基準電圧として、前記電圧降下電源回路の出力電圧が用いられることを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
前記スイッチング電源回路、前記電圧降下電源回路、及び前記切換回路の各々の回路の少なくとも一部は、共通の半導体チップに形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電源装置。
前記半導体チップには、温度センサ素子を含む過熱保護回路が形成されて、当該過熱保護回路は、前記温度センサ素子によって過熱状態を検出すると、前記スイッチング電源回路、前記電圧降下電源回路、及び前記切換回路に対して、動作停止信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
前記第１のダイオードを流れる電流値を検出する第１の電流検出回路と、
前記第２のダイオードを流れる電流値を検出する第２の電流検出回路と、
前記第１の電流検出回路によって検出される電流値が所定の第１基準電流値を超えた場合に、前記スイッチング電源の動作を停止させる第１の過電流保護回路と、
前記第２の電流検出回路によって検出される電流値が所定の第２基準電流値を超えた場合に、前記開閉回路を遮断状態に駆動する第２の過電流保護回路とを備えることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
前記第１の電流検出回路及び／又は第２の電流検出回路によって過電流が検出された場合に、前記電圧降下電源回路の動作を停止させる第３の過電流保護回路を備えることを特徴とする請求項８に記載の電源装置。
前記第１のダイオードおよび前記第１の電流検出回路は、並びに前記第２のダイオード及び前記第２の電流検出回路は、それぞれ、複数のトランジスタをダイオード接続したカレントミラー回路によって構成されることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の電源装置。