JP2007336629A - スイッチング制御回路及び半導体集積回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】 スイッチングトランジスタに大電流が流れて破壊することを回避可能なスイッチング制御回路及び半導体集積回路を提供する。
【解決手段】 電源に接続された第1スイッチングトランジスタTr1と、第1スイッチングトランジスタTr1とグラウンドとの間に接続された第2スイッチングトランジスタTr2とを制御するスイッチング制御回路2であって、第1スイッチングトランジスタTr1を駆動する第1駆動回路23と、第2スイッチングトランジスタTr2を駆動する第2駆動回路24と、外部から起動信号STBが入力された場合、第1駆動回路23が第1スイッチングトランジスタTr1を少なくとも1回オンした後に、第2駆動回路24に対して第2スイッチングトランジスタTr2のオンを許可する制御回路25とを備える。
【選択図】 図1

Description

本発明はスイッチング電源技術に関し、特に同期整流方式のスイッチングレギュレータに用いられるスイッチング制御回路及び半導体集積回路に関する。
入力電圧を一定の出力電圧に効率良く変換する電源装置としてスイッチングレギュレータ方式の電源装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。このような電源装置の概略構成を図7に示す。図7に示す電源装置は、第1及び第2駆動回路230,240と、スイッチングトランジスタTr1,Tr2と、コイルL1と、コンデンサC2からなる。第1及び第2駆動回路230,240は、スイッチングトランジスタTr1,Tr2をそれぞれ駆動する。第1及び第2駆動回路230,240は、スイッチングトランジスタTr1,Tr2を相補のタイミングでオンすることで、電源からの電源電圧Vccをパルスに変換する。このパルスはコイルL1及びコンデンサC2で平滑され、安定した出力電圧Voが得られる。
また、第1及び第2駆動回路230,240は、負荷に対する出力電圧Voの供給を停止する場合には、スイッチングトランジスタTr1,Tr2をいずれもオフ状態に維持する。駆動回路230,240は、出力電圧Voの供給を再開する場合には、スイッチングトランジスタTr1,Tr2のスイッチング動作を再開させる。
特開平10−225105号公報
しかしながら、スイッチングトランジスタTr1,Tr2を停止状態から動作状態に移行する際、グラウンド側のスイッチングトランジスタTr2が電源側のスイッチングトランジスタTr1よりも先にオンすると、コンデンサC2に蓄えられた電荷が、コイルL1及びスイッチングトランジスタTr2を介してグラウンドに引き抜かれる。したがって、コンデンサC2からの放電電流が、スイッチングトランジスタTr2の安全動作領域(ASO)を越えて破壊に至る可能性がある。
上記問題点を鑑み、本発明は、スイッチングトランジスタに大電流が流れて破壊することを回避可能なスイッチング制御回路及び半導体集積回路を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第1の特徴は、電源に接続された第1スイッチングトランジスタと、第1スイッチングトランジスタとグラウンドとの間に接続された第2スイッチングトランジスタとを制御するスイッチング制御回路であって、第1スイッチングトランジスタを駆動する第1駆動回路と、第2スイッチングトランジスタを駆動する第2駆動回路と、起動を指示する信号が外部から入力された場合、第1駆動回路が第1スイッチングトランジスタを少なくとも1回オンした後に、第2駆動回路に対して第2スイッチングトランジスタのオンを許可する制御回路とを備えることを要旨とする。
この特徴によれば、第1及び第2スイッチングトランジスタを起動する際、第1スイッチングトランジスタが第2スイッチングトランジスタよりも先にオンするので、第2スイッチングトランジスタに上述した大電流が流れずに破壊を回避できる。
本発明の第2の特徴は、電源に接続された第1スイッチングトランジスタと、第1スイッチングトランジスタとグラウンドとの間に接続された第2スイッチングトランジスタとを制御するスイッチング制御回路を搭載した半導体集積回路であって、スイッチング制御回路は、第1スイッチングトランジスタを駆動する第1駆動回路と、第2スイッチングトランジスタを駆動する第2駆動回路と、起動を指示する信号が外部から入力された場合、第1駆動回路が第1スイッチングトランジスタを少なくとも1回オンした後に、第2駆動回路に対して第2スイッチングトランジスタのオンを許可する制御回路とを備えることを要旨とする。
この特徴によれば、第1の特徴と同様に、第2スイッチングトランジスタの破壊を回避できる。
本発明によれば、スイッチングトランジスタに大電流が流れて破壊することを回避可能なスイッチング制御回路及び半導体集積回路を提供できる。
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態における図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
本発明の実施形態に係る電源装置は、図1に示すように、第1スイッチングトランジスタTr1、第2スイッチングトランジスタTr2、コイルL1、コンデンサC2、ソフトスタート回路1、スイッチング制御回路2、及び検出回路3を備える。第1スイッチングトランジスタTr1としては、pチャネル型のMOSトランジスタ(以下、「pMOSトランジスタ」という)が使用されている。第2スイッチングトランジスタTr2としては、nチャネル型のMOSトランジスタ(以下、「nMOSトランジスタ」という)が使用されている。
第1スイッチングトランジスタTr1、第2スイッチングトランジスタTr2、コイルL1、及びコンデンサC2は、降圧型のスイッチングレギュレータを構成している。この降圧型のスイッチングレギュレータは、電源電圧Vccを、基準電圧Vrefにより決定される目標値に降圧し、出力電圧Voとして出力する。
第1スイッチングトランジスタTr1は電源に接続される。第2スイッチングトランジスタTr2は、第1スイッチングトランジスタTr1とグラウンドとの間に接続される。コイルL1は、第1スイッチングトランジスタTr1と第2スイッチングトランジスタTr2との接続ノードと、負荷401との間に接続される。コンデンサC2は、一端がコイルL1と負荷401との接続ノードに接続され、他端が接地される。
コイルL1及びコンデンサC2は、LC型のローパスフィルタを構成し、第1スイッチングトランジスタTr1と第2スイッチングトランジスタTr2の接続ノードで発生したパルスを平滑化する。この結果、出力電圧Voが生成される。
ソフトスタート回路1は、起動時に第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2に流れる突入電流を抑制するためのソフトスタート動作を可能とする。具体的には、ソフトスタート回路1は、定電流源13、コンデンサC1、及び放電用トランジスタQ1を備える。なお、放電用トランジスタQ1としてnpn型のバイポーラトランジスタ(以下、「npnトランジスタ」という)を使用しているが、nMOSトランジスタ等の他のトランジスタを使用してもかまわない。
放電用トランジスタQ1は、コレクタが定電流源13とコンデンサC1との接続ノードに接続され、エミッタが接地され、ベースが図示を省略するコントローラに接続されている。放電用トランジスタQ1は、コントローラからの制御信号CSによって開閉する。
定電流源13の一端は電源に接続され、起動時(電源投入時)を起点として定電流Iを出力する。コンデンサC1は、一端が接地され、他端が定電流源13に接続されている。
出力電圧Voをオンする場合、制御信号CSによって放電用トランジスタQ1をオフすることで、コンデンサC1は定電流源13からの定電流Iを充電する。この結果、コンデンサC1は、放電用トランジスタQ1がオフ時において、緩やかに増加するソフトスタート電圧Vsofを発生させる。これに対して出力電圧Voをオフする場合、制御信号CSによって放電用トランジスタQ1をオンし、コンデンサC1に充電された電荷を放電する。
検出回路3は、出力電圧Voを検出し、帰還電圧Vinvとしてスイッチング制御回路2に帰還する。具体的には検出回路3は、コイルL1と負荷401との接続ノードと、グラウンドとの間に直列に接続された第1及び第2抵抗R1,R2を備える。出力電圧Voは、第1及び第2抵抗R1,R2によって分圧され、帰還電圧Vinvとして出力される。
スイッチング制御回路2は、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2のスイッチングを制御する。具体的にはスイッチング制御回路2は、誤差増幅器11、基準電圧生成回路12、コンパレータ21、発振回路22、第1駆動回路23、第2駆動回路24、及び制御回路25を備える。
誤差増幅器11は、1つの反転入力(−)と、2つの非反転入力(+)を有している。誤差増幅器11の反転入力(−)は、第1及び第2抵抗R1,R2の接続ノードに接続される。誤差増幅器11の一方の非反転入力(+)は、定電流源13とコンデンサC1との接続ノードに接続される。誤差増幅器11の他方の非反転入力(+)は、基準電圧生成回路12に接続される。
誤差増幅器11は、ソフトスタート電圧Vsof又は基準電圧Vrefのいずれか低い方と、帰還電圧Vinvとの誤差電圧を増幅するよう構成されている。
よって、ソフトスタート電圧Vsofが基準電圧Vrefより小さい期間では、誤差増幅器11は、帰還電圧Vinvをソフトスタート電圧Vsofに一致させるために、帰還電圧Vinvとソフトスタート電圧Vsofとの誤差電圧を増幅し、誤差信号Verrとして出力する。
これに対してソフトスタート電圧Vsofが増加して基準電圧Vrefに至った後は、誤差増幅器11は、帰還電圧Vinvを基準電圧Vrefに一致させるために、帰還電圧Vinvと基準電圧Vrefとの誤差電圧を増幅し、誤差信号Verrとして出力する。この結果、出力電圧Voが基準電圧Vrefに応じた一定値に固定される。
このように、誤差増幅器11は、帰還電圧Vinvを基準電圧Vrefに一致するように動作するので、検出回路3の第1及び第2抵抗R1,R2の抵抗値をそれぞれR1,R2、基準電圧の電圧値をVrefとすると、出力電圧Voは:

Vo={(R1+R2)/R2}×Vref ・・・(1)

となる。したがって、第1及び第2抵抗R1,R2の抵抗値によって、出力電圧Voの電圧値が決定される。
更に、誤差増幅器11は、ソフトスタート電圧Vsofが接地電圧付近まで低下した場合、負荷401に対する出力電圧Voの供給を停止させることができる。このように、出力電圧Voのオフ動作とソフトスタート動作とが、ソフトスタート電圧Vsofによって統一して制御される。
発振回路22は、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2のスイッチング周期を定めるため、所定周波数の発振信号(三角波)Voscを出力する。
コンパレータ21は、非反転入力(+)が誤差増幅器11の出力に接続され、反転入力(−)が発振回路22の出力に接続される。コンパレータ21は、誤差増幅器11から出力される誤差信号Verrと発振回路22から出力される発振信号Voscを比較し、誤差信号Verr>発振信号Voscのときハイレベル、誤差信号Verr<発振信号Voscのときローレベルとなるパルス幅変調(PWM)信号Vpwmを生成する。
このように、第1及び第2スイッチングトランジスタTr2,Tr2のオン時間比、すなわち発振回路22の発振周期に対して第1及び第2スイッチングトランジスタTr2,Tr2がオン状態である時間の割合を、駆動パルスによって制御するPWM方式により、負荷401への出力電圧Voを一定値に保っている。
第1駆動回路23は、コンパレータ21の出力と第1スイッチングトランジスタTr1のゲートとの間に接続される。制御回路25は、コンパレータ21の出力と第2駆動回路24の入力との間に接続される。第2駆動回路24の出力は、第2スイッチングトランジスタTr2のゲートに接続される。
第1及び第2駆動回路23,24は、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2を駆動するための駆動パルスをそれぞれ出力する。制御回路25は、起動信号STBが外部から入力された場合、第1駆動回路23が第1スイッチングトランジスタTr1を少なくとも1回オンした後に、第2駆動回路24に対して第2スイッチングトランジスタTr2のオンを許可する。なお、起動信号STBは、例えば、ローレベルからハイレベルに遷移する場合は起動を指示し、ハイレベルからローレベルに遷移する場合は動作停止を指示する信号である。
このように、制御回路25が、第1スイッチングトランジスタTr1をオンした後に、第2スイッチングトランジスタTr2のオンを許可するので、起動時においてコンデンサC2からの放電電流によってスイッチングトランジスタTr2が破壊されることを回避している。
次に、図2を用いて、制御回路25、第1駆動回路23、及び第2駆動回路24の内部構成例について説明する。制御回路25は、ラッチ回路251、論理積(AND)回路252、及びインバータ253を備える。インバータ253は起動信号STBを反転する。ラッチ回路251は、起動信号STBが入力されるデータ入力Dと、PWM信号Vpwmが入力されるクロック入力CLKと、反転された起動信号STBが入力されるリセット入力Rとを有する。
したがって、ラッチ回路251は、起動信号STBがハイレベルであり、且つハイレベルのPWM信号Vpwmが入力された場合、PWM信号Vpwmの立ち上がりエッジに同期して、データ出力Qからハイレベルの出力信号を出力する。そして、ハイレベルである期間は、ハイレベルの出力信号を出力し続ける。一方、起動信号STBがハイレベルからローレベルに立ち下がると、ラッチ回路251はリセットされてローレベルの出力信号を出力する。
AND回路252は、ラッチ回路251のデータ出力Qとコンパレータ21のそれぞれの出力に入力が接続される。AND回路252は、PWM信号Vpwmとラッチ回路251の出力信号のいずれもハイレベルの場合、ハイレベルの信号を出力する。
第1駆動回路23は、直列に接続された2つのインバータ231,232を備える。2つのインバータ231,232は、PWM信号Vpwmを波形整形するためのバッファ回路として機能する。
第2駆動回路24は、直列に接続された遅延回路241及び2つのインバータ242,243を備える。遅延回路241は、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2に貫通電流が流れるのを防止するために設けられている。2つのインバータ242,243は、PWM信号Vpwmを波形整形するためのバッファ回路として機能する。
次に、図3に示すタイミングチャートを参照して、図1に示すソフトスタート回路の動作について説明する。ただし、図3の時刻t1で起動動作が開始するものとする。時刻t1の時点では放電用トランジスタQ1はオフ状態であり、時刻t3において放電用トランジスタQ1がオンする場合について説明する。
時刻t1において、電源電圧Vccが立ち上がり、定電流源13からの定電流IによりコンデンサC1が充電される。この結果、図3(a)に示すように、時刻t1からソフトスタート電圧Vsofが徐々に上昇する。誤差増幅器11は、ソフトスタート電圧Vsofと帰還電圧Vinvとの差分電圧に応じた誤差信号Verrを出力する。
時刻t2において、帰還電圧Vinvが、基準電圧Vrefに達すると、誤差増幅器11は、帰還電圧Vinvの比較対象をソフトスタート電圧Vsofから基準電圧Vrefへ切り替える。したがって、誤差増幅器11は、時刻t2〜t3の期間において、帰還電圧Vinvを基準電圧Vrefに維持する。
時刻t3において、制御信号CSによって、放電用トランジスタQ1がオン状態となる。放電用トランジスタQ1がオン状態となると、コンデンサC1の電荷が放電され、図3(a)に示すように、ソフトスタート電圧Vsofが急峻に立ち下がる。この結果、ソフトスタート電圧Vsofが基準電圧Vref以下となる。したがって、図3(b)に示すように、出力電圧Voが徐々に立ち下がってオフ状態となる。
次に、図4に示すタイミングチャートを参照して、ソフトスタート動作時のコンパレータ21の動作例について説明する。
時刻t1までの期間においては、発振信号Voscが誤差信号Verr以上であり、PWM信号Vpwmはローレベルである。
時刻t1〜t2の期間においては、誤差信号Verrが発振信号Voscを超え、PWM信号Vpwmはハイレベルとなる。
その後同様にして、PWM信号Vpwmはローレベルとハイレベルを繰り返す。誤差信号Verrが増加するにつれて、PWM信号Vpwmのデューティ比が増加している。このように、発振信号Voscよりも誤差電圧Verrの方が高い時間を徐々に長くしていくことにより、オン時間比を徐々に広げ、ソフトスタート機能を実現している。
次に、図5に示すタイミングチャートを参照して、制御回路25の動作について説明する。
時刻t1までの期間においては、図5(a)に示す起動信号STBはハイレベルであり、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2は、図5(b)及び(c)に示すように、スイッチング動作を行っている。よって、図5(d)に示すように、出力電圧Voは一定電圧値に維持されている。
時刻t1において、起動信号STBがハイレベルからローレベルに立ち下がる。起動信号STBがハイレベルからローレベルに立ち下がると、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2はスイッチング動作を停止し、オフ状態に保たれる。
時刻t1〜t2の期間においては、コンデンサC2が放電することによって出力電圧Voが徐々に低下する。
時刻t2において、起動信号STBがローレベルからハイレベルに立ち上がる。起動信号STBがローレベルからハイレベルに立ち上がると、上述したソフトスタート動作が開始され、図4に示したようなPWM信号Vpwmが出力される。
時刻t3において、PWM信号Vpwmがローレベルからハイレベルに立ち上がり、第1スイッチングトランジスタTr1がオンする。よって、コンデンサC2からの大電流は電源側に吸収される。なお、この時点では第2スイッチングトランジスタTr2はオフ状態に保たれている。
時刻t4において、第2スイッチングトランジスタTr2がオンする。その後、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2が相補のタイミングでオンし、出力電圧Voが徐々に増加する。
以上詳細に述べたように、本発明の実施形態によれば、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2のスイッチング動作を開始する際、第1スイッチングトランジスタTr1が第2スイッチングトランジスタTr2よりも先にオンするので、第2スイッチングトランジスタTr2に大電流が流れずに破壊を回避できる。また、出力電圧Voが落ち込んで負電位となり、負荷401の入力耐圧より低い電圧が発生することによって負荷401の内部部品の誤動作、劣化、及び破壊が発生することを回避できる。
(変形例)
本発明の実施形態の変形例においては、図6に示すように、上述した定電流源13、誤差増幅器11、基準電圧生成回路12、コンパレータ21、発振回路22、第1駆動回路23、第2駆動回路24、及び制御回路25が、半導体チップ(図示省略)上にモノリシックに集積化され、モールド樹脂(図示省略)により被覆され、半導体集積回路50として構成されている。
半導体集積回路50は、帰還電圧Vinvが入力される帰還入力端子51と、ソフトスタート電圧Vsofが入力されるソフトスタート端子52と、起動信号STBが入力される起動信号入力端子53と、第1駆動回路23からの駆動パルスが出力される駆動パルス出力端子54と、第2駆動回路24からの駆動パルスが出力される駆動パルス出力端子55とを備えている。
本発明の実施形態の変形例によれば、コンデンサC1を半導体集積回路50の外付けとすることで、静電容量を任意に選択可能となり、ソフトスタート電圧Vsofの立ち上がりの時定数を設定可能となる。また、帰還電圧Vinvを発生させる抵抗R1,R2を外付けとすることで、上記式(1)より、出力電圧Voを任意に設定可能となる。
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなる。
上述した実施形態においては、第1スイッチングトランジスタTr1としてpMOSトランジスタを使用し、第2スイッチングトランジスタTr2としてnMOSトランジスタを使用する一例を説明した。しかしながら、第1スイッチングトランジスタTr1としてpnpトランジスタを使用し、第2スイッチングトランジスタTr2としてnpnトランジスタを使用してもかまわない。
既に述べた実施形態の変形例においては、ソフトスタート回路1の定電流源13を半導体集積回路50に搭載する一例を説明したが、定電流源13を半導体集積回路50の外付けとする構成でも良い。また、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2を半導体集積回路50に搭載しない一例を説明したが、第1及び第2スイッチングトランジスタTr1,Tr2を半導体集積回路50に搭載する構成でも良い。
このように本発明は、ここでは記載していない様々な実施形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
本発明の実施形態に係る電源装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るスイッチング制御回路の構成例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係るソフトスタート回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施形態に係るコンパレータの動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施形態に係る制御回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施形態の変形例に係る電源装置の構成例を示すブロック図である。 背景技術に係る電源装置の構成例を示すブロック図である。
符号の説明
1…ソフトスタート回路
2…スイッチング制御回路
3…検出回路
11…誤差増幅器
12…基準電圧生成回路
13…定電流源
21…コンパレータ
22…発振回路
23,230…第1駆動回路
24,240…第2駆動回路
25…制御回路
50…半導体集積回路
51…帰還入力端子
52…ソフトスタート端子
53…起動信号入力端子
54,55…駆動パルス出力端子
231,232,242,243,253…インバータ
241…遅延回路
251…ラッチ回路
252…AND回路
401…負荷
C1,C2…コンデンサ
L1…コイル
Q1…放電用トランジスタ
R1,R2…抵抗

Claims (2)

  1. 電源に接続された第1スイッチングトランジスタと、前記第1スイッチングトランジスタとグラウンドとの間に接続された第2スイッチングトランジスタとを制御するスイッチング制御回路であって、
    前記第1スイッチングトランジスタを駆動する第1駆動回路と、
    前記第2スイッチングトランジスタを駆動する第2駆動回路と、
    起動を指示する信号が外部から入力された場合、前記第1駆動回路が前記第1スイッチングトランジスタを少なくとも1回オンした後に、前記第2駆動回路に対して前記第2スイッチングトランジスタのオンを許可する制御回路
    とを備えることを特徴とするスイッチング制御回路。
  2. 電源に接続された第1スイッチングトランジスタと、前記第1スイッチングトランジスタとグラウンドとの間に接続された第2スイッチングトランジスタとを制御するスイッチング制御回路を搭載した半導体集積回路であって、
    前記スイッチング制御回路は、
    前記第1スイッチングトランジスタを駆動する第1駆動回路と、
    前記第2スイッチングトランジスタを駆動する第2駆動回路と、
    起動を指示する信号が外部から入力された場合、前記第1駆動回路が前記第1スイッチングトランジスタを少なくとも1回オンした後に、前記第2駆動回路に対して前記第2スイッチングトランジスタのオンを許可する制御回路
    とを備えることを特徴とする半導体集積回路。
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JP2011030390A (ja) * 2009-07-29 2011-02-10 Rohm Co Ltd スイッチング電源装置
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