JP2007104792A

JP2007104792A - スイッチングレギュレータ

Info

Publication number: JP2007104792A
Application number: JP2005290400A
Authority: JP
Inventors: Motoki Komiya; 基樹小宮
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】電源装置に関し、特に電源投入時の突入電流に起因する異常発熱や部品損傷等を防止するためのソフトスイッチングを行うスイッチングレギュレータを提供する。
【解決手段】電源からの電圧又は電流をスイッチング動作により制御するスイッチングレギュレータにおいて、電源投入によって発生する突入電流の終息を判別し、その判別に基づき、突入電流が終息するまでは、スイッチングを抑止し、終息後にスイッチングを行う。
【選択図】図３

Description

本発明は電源装置に関し、特に電源投入時にソフトスイッチング制御を行って電源供給を開始するスイッチングレギュレータに関するものである。

スイッチングレギュレータは一般的にＭＯＳトランジスタなどからなるスイッチング素子、コイル、コンデンサ、ダイオードからなり、スイッチング素子のオンオフ動作によりコイルからの電力をコンデンサに蓄積させ、コンデンサの電圧が出力として取り出されるものである。

このようなスイッチングレギュレータは、例えば、電源から電圧を昇圧する昇圧レギュレータとして採用されている。このスイッチング素子のオンオフ動作に伴って、レギュレータ（スイッチング素子等）には電圧及び電流が発生し、これによりスイッチング損失（電圧×電流）が発生するため、このスイッチング損失が発熱やノイズの発生原因となっていた。そこで、スイッチング時の電圧・電流値を小さくする技術（ソフトスイッチング）が種々提案されてきた。

例えば、共振型コンバータでは、ＭＯＳにかかる電圧、又はＭＯＳにかかる電流の波形を正弦波状にし、電圧又は電流がゼロになるタイミングでスイッチングを行うことにより、スイッチング時における電圧・電流値を減少させ、スイッチング損失を低減させている。あるいは、スイッチング素子がオフのときにコイルからの電流がダイオードに流れる際の損失を低減するため、ダイオード両端にバイパス用のスイッチを設けて、スイッチング素子がオフのときには当該スイッチをオンにしてダイオード両端の電流をバイパスさせるような技術が図１の回路で採用されている。

図１は、従来の昇圧レギュレータの一例を示したものである。
図１において、昇圧レギュレータは、バッテリ等から成る低電圧の直流電源１、コイル２、交互にＯＮ／ＯＦＦスイッチング動作を行う２個のＭＯＳスイッチ（ＬＭＯＳ、ＨＭＯＳ）４及び５、昇圧された直流電圧を整流して蓄電するコンデンサ３で構成されている。図中にはＭＯＳスイッチ（ＨＭＯＳ）５の寄生ダイオード６も併せて示している。

直流電源１による給電中に、ＭＯＳスイッチ（ＬＭＯＳ）４がＯＮ／ＯＦＦスイッチング動作を繰り返すと、そのＯＮ時には直流電源１、コイル２、ＭＯＳスイッチ４、アースの経路で電流が流れ、それによってコイル２にはエネルギーが蓄積される。次のＯＦＦ時には、コイル２に蓄積されたエネルギーが寄生ダイオード６、コンデンサ３の経路で放出され、コイル２の昇圧作用による高電圧がコンデンサ３で平滑化されて蓄積される。

但し、ＭＯＳスイッチ５のＯＮ電圧は寄生ダイオード６のＯＮ電圧（約０．７Ｖ）よりも小さいため、ＭＯＳスイッチ４のＯＦＦ直後にＭＯＳスイッチ５がＯＮするとコイル２からの電流はＭＯＳスイッチ５、コンデンサ３の経路に切り替えられる。これにより、コンデンサ３側からの逆流を防止する寄生ダイオード６の消費電力及び発熱量が低減される（特許文献１参照）。

また、図１の昇圧レギュレータにおいて、電源投入開始から所定の時間は一方のスイッチング素子（ＭＯＳスイッチ４に相当）のオン状態のデューティ比を徐々に増加させ、その間は他方のスイッチング素子（ＭＯＳスイッチ５に相当）をオフ状態に維持するソフトスタート制御の従来例も存在する（特許文献２参照）。

特開２００３−２４４９４３号公報特開２００３−７０２３８号公報

しかしながら、図１の昇圧レギュレータでは、電源投入時にコイル２、寄生ダイオード６、コンデンサ３を経由して突入電流が流れるため、その直後に昇圧動作を開始するとコイル２に流れる電流が過大となって異常発熱が発生するという問題があった。

図２は、電源投入時における、入力電源電圧、ＭＯＳスイッチ４（ＬＭＯＳ）のＯＮ／ＯＦＦタイミング、コイル電流の関係を示したものである。
図２の（ａ）に示すタイミング（ｔｉｍｅ＝０．０（秒））で電源投入すると、図２の（ｃ）に示すように電源投入時の突入電流がコイル２に流れ、そして図２の（ｂ）に示すようにＭＯＳスイッチ４（ＬＭＯＳ）がＯＮ／ＯＦＦ動作を開始する。なお、図中の斜線部分がＯＮ動作のタイミングを示している。

本例の場合、電源投入から約３．７μ秒後で大きな突入電流が流れている最中にＭＯＳスイッチ４がＯＮ／ＯＦＦ動作を開始している。その結果、図２の（ｃ）に鋸波形状の実線で示すように、ＭＯＳスイッチ４のＯＮ／ＯＦＦ動作と同期して充放電を繰り返す大電流（最大８０Ａ）が流れる。ここでの設計目標値は、図２の（ｃ）に鋸波形状の点線で示す平均２０Ａの電流である。

ソフトスイッチングでは、損失をなくすため、電圧又は電流がゼロのときにスイッチングする必用がある。従って、電圧又は電流が変動する基準点はゼロとなり、ダイナミックレンジを大きくとる必要があるため、コイルやコンデンサの等価抵抗を小さくしなければならない。

突入電流は、コイル及びコンデンサの等価直列抵抗が小さいソフトスイッチング制御を行う場合に特に増大し、その結果コイル２が破損するという問題も生じていた。このような事態を回避すべく、前述した従来のソフトスタート制御を行うと、その制御回路が複雑化してレギュレータのサイズやコストが上昇するという問題があった。

そこで本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、電源投入時の過電流によって生じる問題（異常発熱や部品損傷等）を簡易なソフトスイッチング制御によって防止し、より早期に且つ確実に規定値の電流供給を可能とするスイッチングレギュレータを提供することにある。

本発明によれば、電源からの電圧又は電流をスイッチング動作により制御するスイッチングレギュレータにおいて、電源投入によって発生する突入電流の終息を判別し、その判別に基づき、突入電流が終息するまでは、スイッチングを抑止し、終息後にスイッチングを行うスイッチングレギュレータが提供される。

また本発明によれば、前記スイッチングレギュレータであって、電源投入時における入力電圧の立ち上がりを検出する検出部と、前記検出によって前記突入電流が終息するまでのタイマを起動し、そのタイマ時間はスイッチング動作を禁止するタイマ部と、前記タイマ時間の経過後にスイッチング動作を開始させる動作開始部と、を有することを特徴とするスイッチングレギュレータが提供される。

さらに本発明によれば、電源投入時における入力電圧の立ち上がりを検出する検出部と、前記検出後に入力電圧と出力電圧の立下り電圧との電位差が所定値以下であることにより前記突入電流の終息を判定する判定部と、前記判定後にスイッチング動作を開始させる動作開始部と、を有することを特徴とするスイッチングレギュレータが提供される。

さらにまた本発明によれば、電源投入時における突入電流の立ち上がりを検出する検出部と、前記検出後に前記突入電流の立ち下がり電流値が所定値以下であることにより前記突入電流の終息を判定する判定部と、前記判定後にスイッチング動作を開始させる動作開始部と、を有するスイッチングレギュレータが提供される。

前記所定のタイマ時間は、前記検出の時又は前記判定の時から電源投入時の突入電流のゼロクロス点までの時間である。さらに、前記入力電圧の立ち上がり時間を検知する検知部を備え、前記所定のタイマ時間を前記検知された時間に基づいて可変するようにしてもよい。

本発明によれば、電源投入時の突入電流の終了端を検出してスイッチング動作を開始するため、レギュレータの製造バラツキ、周囲温度、負荷変動、部品の経年変化等の種々の突入電流の変動要因を考慮する必要がなく、突入電流のゼロクロス点の検出を用いた簡易なソフトスイッチング制御が可能となる。これにより、早期且つ確実に規定値の電流供給が可能となる。

図３は、本発明の第１の実施例を示したものである。
図３の（ａ）には第１の実施例の基本回路ブロック構成を示しており、図１と比較して電圧検出部１１、タイマ部１２、そしてＭＯＳ動作ロジック部１３が新たに追加されている。図３の（ｂ）には、その動作タイミング図を示している。

電圧検出部１１は、電源投入を入力電圧１の立ち上がりが所定の閾値を越えたことを検知し、その検知によりタイマ１２を起動する。実際の電源投入は図示せぬ電源スイッチをオンすることにより行われ、これによって入力電圧が立ち上がる。電源検知部１１では、その入力電圧の立ち上がりを見て電源投入されたことを検知する。

タイマ１２には、電源投入時の突入電流がゼロクロスする点（図２の（ｃ）の例では約６．７μ秒経過時）、即ちタイマ時間（所定時間）が予め設定されており、起動されたタイマ１２の満了（タイマ時間の経過）がＭＯＳ動作ロジック部１３へ通知される。ＭＯＳ動作ロジック部１３は、それを受けてＭＯＳスイッチ４及び５のＯＮ／ＯＦＦ動作を開始させる。

従来では、電源が投入され、入力電圧が前記所定の閾値を越えた時点でＭＯＳスイッチ４及び５がＯＮ／ＯＦＦ動作していたが、本例ではその時点では動作せず所定時間内は動作が禁止される。なお、もともと低電圧によるスイッチング動作防止のため入力電圧が所定の閾値を越えるまではＭＯＳスイッチはＯＮ／ＯＦＦしないようになっている（不動作期間）。

図４は、図３の具体的な回路構成の一例を示したものである。
図４の（ａ）において、コンパレータ１（２２）及び閾値電圧１（２１）は電圧検出部１１と対応し、抵抗Ｒ（２３）、コンデンサＣ（２４）、コンパレータ２（２６）及び閾値電圧２（２５）はタイマ部１２と対応する。なお、本例におけるコンパレータ２２及び２６の出力には、オープンコレクタタイプのものが使用されており、ＣＲ時定数用の抵抗２３はプルアップ抵抗の役割も果たしている。

この回路動作を図４の（ｂ）を参照して説明すると、電源投入直後は電源電圧がコンパレータ２２の閾値電圧２１よりも低いため、コンパレータ２２の出力は低レベル（オープンコレクタはＯＮ）となり、コンデンサ２４は放電される。やがて、電源電圧の立ち上がりにより電源電圧が閾値電圧２１より大きくなると、コンパレータ２２の出力は高レベル（オープンコレクタはオープン）となる。

これにより、抵抗２３とコンデンサ２４のＣＲ時定数でコンデンサ２４が充電され、その値が次段のコンパレータ２６の閾値電圧２５より大きくなると、コンパレータ２６はタイマ満了を示す高レベル（オープンコレクタはオープン＋プルアップ抵抗２７）の信号を出力する。ＭＯＳ動作ロジック部１３は、これを受けてＭＯＳスイッチ４及び５のＯＮ／ＯＦＦ動作を開始させる。なお、前記タイマ時間（所定時間）は図２の（ｃ）の例では約６．７μ秒に設定される。

図５は、本発明の第２の実施例を示したものである。
図３の第１の実施例との相違は、図５の（ａ）に示すように電圧検出部１１へ出力電圧が入力されている点だけであり、電圧検出部１１の回路例も図４の（ａ）と同様である。他の回路ブロックは本発明の第１の実施例と同じである。

図６には、電源投入時における突入電流（コイル電流）、入力電圧、出力電圧の具体例を示している。入力電圧３２の投入直後時にはコイル２に突入電流３１が流れる。そのため、入力電圧３２とコイル２の両端電圧の和の電圧（＞入力電圧）が出力電圧３３として電源投入直後に出力され、その出力電圧３３は時間経過とともに入力電圧３２から寄生ダイオード６のＯＮ電圧（約０．７Ｖ）分だけ低い電圧となる。

図５の（ｂ）には、上記の入力電圧３２と出力電圧３３との関係を図式的に示している。本例では、図５の（ｂ）に示すように所定の閾値（図４の（ａ）の閾値２１）と出力電圧の立ち上がり電圧とが比較され、タイマ部１２へは出力電圧の検出時点からのタイマ時間が設定される。これ以外の回路動作は第１の実施例と同様である。なお、もともとは低電圧によるスイッチング誤動作防止のため出力電圧が所定の閾値を越えるまではＯＮ／ＯＦＦ動作しないようになっている（不動作期間）。

図７は、本発明の第３の実施例を示したものである。
本例では、図７の（ａ）に示す差分電圧検出部１４が入力電圧と出力電圧との差分電圧を検出する。前記差分電圧も、本例では図７の（ｂ）に示すように入力電圧と、出力電圧の立ち下がり電圧との差分を検出することによって、第１及び第２の実施例で使用するタイマ部１２を削除可能にしている。すなわち、本例では前記差分電圧の検出点が、図２の（ｃ）又は図６に示すコイル電流のゼロクロス近傍に設定されるため、タイマ部１２が不要となる。

図８は、図７の具体的な回路構成の一例を示したものである。
ここでは、差分電圧検出部１４の回路例について説明する。図８の（ａ）において、コンパレータ１（４２）は、入力電圧の立ち上がり電圧が閾値電圧４１を超えたことを検出して高レベルとなる。これにより、Ｄタイプフリップ・フロップ回路（Ｄ−Ｆ／Ｆ）４６はリセット解除される。

一方、コンパレータ２（４５）は、入力電圧と、本来の出力電圧から所定電圧だけ低下した出力検出電圧とを比較する。本例では抵抗Ｒ（４３）と定電流回路Ｉ（４４）を用いて、出力電圧（Ｖｏｕｔ）から所定電圧ΔＶ（＝Ｒ×Ｉ）だけ低い出力検出電圧Ｖｄｅｔ（＝Ｖｏｕｔ−ΔＶ）と入力電圧とを比較している。

その結果、コンパレータ４５の正転端子（＋）に与えられる入力電圧よりも反転端子（−）に与えられる出力検出電圧のほうが大きいときに、コンパレータ４５の出力は低レベルとなる。図８の（ｂ）に示すように、Ｄタイプフリップ・フロップ回路４６は、コンパレータ４５の出力の立ち上がりエッジを検出してその出力（Ｑ）を高レベルに反転させる。ＭＯＳ動作ロジック部１３は、これを受けてＭＯＳスイッチ４及び５のＯＮ／ＯＦＦ動作を開始させる。

図９は、本発明の第４の実施例を示したものであり、第３の実施例の別の態様例に相当する。
図９は、第３の実施例にタイマ部１２を追加したものである。本例では、第３の実施例によってコイル電流のゼロクロス近傍点を求めた後に、タイマ部１２でそのゼロクロス点の微調整を行うようにしている。これにより、タイマ時間が小さくでき、その回路規模も小さくなるとともに、より正確にＭＯＳスイッチ４及び５のＯＮ／ＯＦＦ動作を開始させることができる。

また、後の図１１で説明するように、入力電圧のスルーレート等の種々の要因によってコイル電流のゼロクロス点は変位するため、本例では先ずゼロクロス点の大まかな時間位置を検出した後にタイマ部１２でその微調整を行う。これにより、ゼロクロス点の変位にも対応できるようにしている。

図１０は、本発明の第５の実施例を示したものである。
本例では、電源電圧ではなく突入電流（コイル電流）を直接検出してそのゼロクロス点を求め、その検出時点からＭＯＳ動作ロジック部１３によってＭＯＳスイッチ４及び５のＯＮ／ＯＦＦ動作を開始させる。

本例では、図１０の（ａ）に示すようにコイル電流のセンス抵抗Ｒ（１５）をその電流経路に挿入し、電流検出部１６において前記センス抵抗１５によって電流から電圧に変換された信号を処理する。電流検出部１６は、図１０の（ｂ）に示すようにコイル電流の立下り電流のゼロクロス近傍を検出するため、これを実現する具体回路としては前述した図８の回路構成が利用できる。

一例として、図８のコンパレータ２（４５）の一方の正転端子（＋）に図１０の（ｂ）の入力電流の検出閾値を与え、センス抵抗１５で電流から電圧に変換された信号を一旦バッファアンプを通してコンパレータ１（４２）の正転端子（＋）及び減衰抵抗４３の入力側に与える。これにより、図８の（ｂ）と同様の動作で、図１０の（ｂ）に示す電流立ち下り時におけるゼロクロス近傍が検出可能となる。

図１１には、電源投入時の入力電圧立ち上がり速度（Ｓ／Ｒ；スルーレート）によって、コイル電流波形が変化する一例を示している。図中には、電源投入時における入力電圧の立ち上がり時間が１μ秒のときのコイル電流波形の例と、入力電圧の立ち上がり時間が１０μ秒のときのコイル電流波形の例とを、比較のために併せて示している。このように、電源投入時における入力電圧のスルーレートの相違によって突入電流（コイル電流）の立ち下りゼロクロス点が大きく変位する。以下で説明する本発明の第６の実施例では、入力電圧のスルーレートに依存させてタイマ部１２のタイマ時間を自動調節する。

図１２は、本発明の第６の実施例を示したものである。
図１２の（ａ）は、図３の（ａ）の基本回路ブロック構成と同じである。但し、図１２の（ｂ）に示すように、本例では入力電圧の立ち上がりを２つの異なる閾値（Ｖｔｈｌ及びＶｔｈｈ）で検出してそのスルーレートを判定し、判定したスルーレートに対応するタイマ時間（ＭＯＳスイッチの動作禁止期間）が決定される。

図１３には、タイマ時間の決定動作の一例を動作タイミング図で示している。この実現回路としては図４の（ａ）の回路を利用することができる。一例として、２つの異なる閾値（Ｖｔｈｌ及びＶｔｈｈ）毎に、図４の（ａ）に示すコンパレータ２２、抵抗２３及びコンデンサ２４から成る２つの異なるＣＲ時定数回路（ii）及びiii ））を用意し、それらの出力を共通のコンパレータ２６の正転端子（＋）と反転端子（−）にそれぞれ入力してそれらが交差する時点を検出する（ iv））。

上記の回路構成によれば、スルーレートの時間が長くなると、ii）の入力電圧の立ち上がり電圧がＶｔｈｌと等しくなる時点から開始する時定数回路の出力と iii ）の入力電圧の立ち上がり電圧がＶｔｈｈと等しくなる時点から開始する時定数回路の出力とが、互いに交差するまでの時間（タイマ時間）もまた長くなる。このようにスルーレートに依存してタイマ時間を可変可能となり、図１２の（ｂ）に示す動作が実現される。

上述した種々の実施例で説明したように、本発明では電源投入時の突入電流の終了端を検出してスイッチング動作を開始するため、レギュレータの製造バラツキ、周囲温度、負荷変動、部品の経年変化等の種々の突入電流の変動要因を考慮する必要がなく、突入電流のゼロクロス点の検出を用いた簡易なソフトスイッチング制御が可能となる。これにより、早期且つ確実に規定値の電流供給が可能となる。

従来の昇圧レギュレータの一例を示した図である。電源投入時における電圧、電流、スイッチングの関係を示した図である。本発明の第１の実施例を示した図である。図３の具体的な回路構成の一例を示した図である。本発明の第２の実施例を示した図である。電源投入時における突入電流と入出力電圧の一例を示した図である。本発明の第３の実施例を示した図である。図７の具体的な回路構成の一例を示した図である。本発明の第４の実施例を示した図である。本発明の第５の実施例を示した図である。電源電圧のスルーレートとコイル電流との関係を示した図である。本発明の第６の実施例を示した図である。図１２のタイマ時間決定の動作タイミングの一例を示した図である。

符号の説明

１直流電源
２コイル
３コンデンサ
４、５ＭＯＳスイッチ
６寄生ダイオード
１１電圧検出部
１２タイマ部
１３ＭＯＳ動作ロジック部
１４差分電圧検出部
１６電流検出部

Claims

電源からの電圧又は電流をスイッチング動作により制御するスイッチングレギュレータにおいて、
電源投入によって発生する突入電流の終息を判別し、その判別に基づき、突入電流が終息するまでは、スイッチングを抑止し、終息後にスイッチングを行うことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
電源投入時における入力電圧の立ち上がりを検出する検出部と、
前記検出によって前記突入電流が終息するまでのタイマを起動し、そのタイマ時間はスイッチング動作を禁止するタイマ部と、
前記タイマ時間の経過後にスイッチング動作を開始させる動作開始部と、
を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
電源投入時における入力電圧の立ち上がりを検出する検出部と、
前記検出後に入力電圧と出力電圧の立下り電圧との電位差が所定値以下であることにより前記突入電流の終息を判定する判定部と、
前記判定後にスイッチング動作を開始させる動作開始部と、
を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
電源投入時における突入電流の立ち上がりを検出する検出部と、
前記検出後に前記突入電流の立ち下がり電流値が所定値以下であることにより前記突入電流の終息を判定する判定部と、
前記判定後にスイッチング動作を開始させる動作開始部と、
を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。