JP2008199765A - 起動回路及びスイッチング制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電流を削減する。
【解決手段】起動回路は、負荷と接続されるとともに入力電極に入力電圧が印加され、負荷の導電を制御する第１トランジスタと、入力電極に入力電圧が印加される第２トランジスタと、入力電圧より低い制御電圧を入力電圧から生成し、第２トランジスタの制御電極に制御電圧を印加する制御電圧生成回路と、を備え、第２トランジスタの出力電極から出力される電流によって、第１トランジスタのオンオフを制御する制御回路が起動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、起動回路及びスイッチング制御回路に関する。

様々な電子機器に対する所望の駆動電圧を生成するために、スイッチング電源装置が用いられている。図４は、トランスを用いたスイッチング電源装置の一般的な構成例を示す図である。スイッチング電源装置は、トランス１００、パワーＭＯＳＦＥＴ１０１、制御回路１０２、電圧検出回路１０３、フォトカプラ１０４、ダイオード１０５，１０６、抵抗Ｒ１、及びキャパシタＣ１，Ｃ２を含んで構成されている。

端子ＤＣ_INには、例えば交流電圧を整流して生成された直流電圧が印加される。この直流電圧は、トランス１００の一次コイルＬ１の一端に印加されるとともに、抵抗Ｒ１の一端に印加されている。抵抗Ｒ１の他端は、制御回路１０２の端子ＶＣＣに接続されるとともに、キャパシタＣ１の一端に接続されている。スイッチング電源装置の起動時には、端子ＤＣ_INに印加された直流電圧によって抵抗Ｒ１を介して端子ＶＣＣ及びキャパシタＣ１に例えば１ｍＡ程度の起動電流が流れ込む。そして、制御回路１０２は、起動電流によってキャパシタＣ１に充電された電圧を駆動源として、パワーＭＯＳＦＥＴ１０１のスイッチング制御を開始する。

パワーＭＯＳＦＥＴ１０１のスイッチング制御により、トランス１００の一次コイルＬ１に電流が発生し、この電流の変化に伴ってトランス１００の二次コイルＬ２に発生する電流がダイオード１０５で整流されてキャパシタＣ２が充電される。同様に、トランス１００の三次コイルＬ３に発生する電流がダイオード１０６で整流されてキャパシタＣ１が充電され、制御回路１０２を駆動するための電圧が安定的に確保される。

キャパシタＣ２が充電されて生成される電圧は、端子ＤＣ_OUTから出力電圧として出力される。電圧検出回路１０３は、この出力電圧を検出し、検出した出力電圧が所望レベルより高くなるとフォトカプラ１０４のフォトダイオード１０４ａに電流を流して発光させる。そして、フォトダイオード１０４ａが発光することにより、フォトカプラ１０４のフォトトランジスタ１０４ｂが導通し、制御回路１０２の端子ＦＢには接地電圧が印加される。制御回路１０２は、端子ＦＢの電位が接地レベルになったことを検出するとパワーＭＯＳＦＥＴ１０１をオフとする。つまり、端子ＤＣ_OUTから出力される出力電圧の電圧レベルに応じてパワーＭＯＳＦＥＴ１０１のスイッチングデューティーが制御されることにより、所望レベルの出力電圧が出力されることとなる。
特開２００５−２０４３９３号公報

前述したように、スイッチング電源装置の起動時には、制御回路１０２の駆動電圧を生成するための起動電流が抵抗Ｒ１を介して制御回路１０２の端子ＶＣＣに流れ込む。そして、パワーＭＯＳＦＥＴ１０１のスイッチング制御が開始された後には、三次コイルＬ３及びダイオード１０６を介してキャパシタＣ１に充電された電圧によって制御回路１０２が駆動される。

ところで、制御回路１０２の端子ＶＣＣに印加される電圧は、制御回路１０２が備えるツェナーダイオード等の働きにより例えば１０Ｖを超えないようになっている。したがって、三次コイルＬ３及びダイオード１０６を介してキャパシタＣ１に充電された電圧によって制御回路１０２が駆動を開始した後も、抵抗Ｒ１を１ｍＡ程度の起動電流が流れ続けることとなり、電流が無駄に消費されてしまう。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、消費電流を削減可能な起動回路及びスイッチング制御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、本発明の起動回路は、負荷と接続されるとともに入力電極に入力電圧が印加され、前記負荷の導電を制御する第１トランジスタと、入力電極に前記入力電圧が印加される第２トランジスタと、前記入力電圧より低電圧の制御電圧を前記入力電圧から生成し、前記第２トランジスタの制御電極に前記制御電圧を印加する制御電圧生成回路と、を備え、前記第２トランジスタの出力電極から出力される電流によって、前記第１トランジスタのオンオフを制御する制御回路が起動されることとする。

そして、前記制御電圧生成回路は、一端が前記第２トランジスタの前記入力電極側と接続され、他端が前記第２トランジスタの前記制御電極側と接続される抵抗と、カソードが前記第２トランジスタの前記制御電極側と接続され、アノードが接地側と接続される定電圧ダイオードと、を含んで構成されることとすることもできる。

また、前記抵抗は、入力電極が前記第２トランジスタの前記入力電極側と接続され、制御電極及び出力電極が前記第２トランジスタの前記制御電極側と接続される第３トランジスタであることとすることもできる。

さらに、前記第１及び第２トランジスタは、それぞれ、同一のシリコン基板上に形成された複数のＭＯＳＦＥＴセルの一部分のセルにより構成され、前記制御電圧生成回路は、前記第１及び第２トランジスタとともに集積化されてなることとすることもできる。

また、前記第１〜第３トランジスタは、それぞれ、同一のシリコン基板上に形成された複数のＭＯＳＦＥＴセルの一部分のセルにより構成され、前記制御電圧生成回路は、前記第１〜第３トランジスタとともに集積化されてなることとすることもできる。

また、本発明のスイッチング制御回路は、負荷と接続されるとともに入力電極に入力電圧が印加され、前記負荷の導電を制御する第１トランジスタと、入力電極に前記入力電圧が印加される第２トランジスタと、前記入力電圧より低い制御電圧を前記入力電圧から生成し、前記第２トランジスタの制御電極に前記制御電圧を印加する制御電圧生成回路と、前記第１トランジスタのオンオフを制御する制御回路と、を備え、前記第２トランジスタの出力電極から出力される電流によって、前記制御回路が起動されることとする。

消費電流を削減可能な起動回路及びスイッチング制御回路を提供することができる。

＝＝回路構成＝＝
図１は、本発明の一実施形態であるスイッチング電源装置の構成例を示す図である。スイッチング電源装置は、トランス１０、起動回路１１、制御回路１２、電圧検出回路１３、フォトカプラ１４、ダイオード１５〜１７、及びキャパシタＣ１，Ｃ２を含んで構成されている。

トランス１０は、一次コイルＬ１、二次コイルＬ２及び三次コイルＬ３を備えており、一次コイルＬ１及び三次コイルＬ３と、二次コイルＬ２との間は絶縁されている。トランス１０においては、一次コイルＬ１に流れる電流の変化に応じて、二次コイルＬ２及び三次コイルＬ３に電流が発生する。一次コイルＬ１は、一端に端子ＤＣ_INを介して直流の入力電圧が印加され、他端が起動回路１１の端子Ｄと接続されている。この入力電圧は、例えば商用の交流電圧を整流して得られた電圧である。二次コイルＬ２は、一端がダイオード１５を介してキャパシタＣ２の一端と接続され、他端がキャパシタＣ２の他端と接続されている。三次コイルＬ３は、一端がダイオード１６を介してキャパシタＣ１の一端と接続され、他端が接地されている。

起動回路１１は、スイッチング電源装置の起動時に制御回路１２に対して起動電流を生成するとともに、一次コイルＬ１の導電を制御する集積回路であり、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０，２１、抵抗Ｒ１、及びゲート保護ダイオード２３を含んで構成されている。なお、抵抗Ｒ１及びゲート保護ダイオード２３が、本発明の制御電圧生成回路に相当する。また、起動回路１１を集積回路ではなくディスクリートにより構成することも可能である。

ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０（第１トランジスタ）は、ドレインが端子Ｄを介して一次コイルＬ１の他端と接続され、ソースが端子Ｓを介して接地され、ゲートには制御回路１２から出力される信号が端子Ｇを介して入力されている。

ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１（第２トランジスタ）は、ドレインが端子Ｄを介して一次コイルＬ１の他端と接続され、ソースが端子Ｏと接続されている。

抵抗Ｒ１は、一端がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のドレインと接続され、他端がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートと接続されている。

ゲート保護ダイオード２３は、互いに逆向きに接続されたツェナーダイオード２３ａ及びツェナーダイオード２３ｂ（定電圧ダイオード）により構成されている。ツェナーダイオード２３ａは、アノードがＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートと接続され、カソードがツェナーダイオード２３ｂのカソードと接続されている。そして、ツェナーダイオード２３ｂは、アノードが端子ＴＤを介して接地されている。ゲート保護ダイオード２３は、静電気等によってＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートに高電圧が印加されてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１が破壊されることを防止する。また、一次コイルＬ１を介して端子Ｄに入力電圧が印加される場合においては、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートに印加される電圧（制御電圧）が、ツェナーダイオード２３ａの順方向電圧及びツェナーダイオード２３ｂの降伏電圧に応じた所定電圧となる。

図２は、起動回路１１を構成するＮチャネルＭＯＳＦＥＴのセル構造の一例を示す図である。図２に示すように、ドレイン電極となるＮ＋基板３０の上に形成されたＮエピタキシャル層３１の表面側に、絶縁層３２を介してゲート電極３３が形成されている。また、Ｎエピタキシャル層３１の表面側には、ゲート電極３３をマスクとしてＰ型領域３４及びＮ型領域３５が形成されている。そして、Ｐ型領域３４及びＮ型領域３５は金属電極であるソース電極３６と接続されている。起動回路１１は、このようなＮチャネルＭＯＳＦＥＴのセルが１つのチップ上に例えば数千から数万程度並列に形成されて構成されているものである。そして、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０は、起動電流１ｍＡ程度の大電流を流す必要があり、多数のセルによって構成される。一方、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１は、０．１ｍＡ程度の小電流を流せば十分であり、その他の少量のセルを用いて構成されればよい。

制御回路１２は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０のオンオフを制御することにより、端子ＤＣ_OUTから出力される電圧を所望レベルとする集積回路である。制御回路１２の端子ＶＣＣは、ダイオード１７を介してＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のソースと接続されている。また、端子ＶＣＣは、キャパシタＣ１の一端と接続されている。また、端子ＯＵＴは、起動回路１１の端子Ｇを介してＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０のゲートと接続され、端子ＦＢは、フォトカプラ１４のフォトトランジスタ１４ｂのコレクタと接続され、端子ＧＮＤは接地されている。制御回路１２は、端子ＶＣＣに印加される電圧を駆動電圧としてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０のスイッチングを行う。また、制御回路１２は、端子ＦＢの電圧レベルに基づいてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０のスイッチングデューティーを調整することにより、出力電圧が所望レベルとなるように制御する。

電圧検出回路１３は、キャパシタＣ２の両端間の電圧、すなわち出力電圧の電圧レベルを検出し、出力電圧の電圧レベルが所望レベルを超えるとフォトカプラ１４のフォトダイオード１４ａに電流を流して発光させる。

フォトカプラ１４は、フォトダイオード１４ａ及びフォトトランジスタ１４ｂにより構成されており、フォトダイオード１４ａが発光することによりフォトトランジスタ１４ｂが導通する。フォトトランジスタ１４ｂは、コレクタが制御回路１２の端子ＦＢと接続され、エミッタが接地されている。したがって、フォトダイオード１４ａが発光してフォトトランジスタ１４ｂが導通すると、制御回路１２の端子ＦＢに接地電圧が印加されることとなる。

ダイオード１５は、アノードが二次コイルＬ２の一端と接続され、カソードがキャパシタＣ２の一端と接続されている。つまり、二次コイルＬ２において発生する電流はダイオード１５により整流されてキャパシタＣ２に蓄積されることとなる。

ダイオード１６は、アノードが三次コイルＬ３の一端と接続され、カソードがキャパシタＣ１の一端と接続されている。つまり、三次コイルＬ３において発生する電流はダイオード１６により整流されてキャパシタＣ１に蓄積されることとなる。

ダイオード１７は、アノードが起動回路１１の端子Ｏと接続され、カソードがキャパシタＣ１の一端と接続されている。このダイオード１７は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１がオンの際にＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１に電流が逆流することを防止する。つまり、このダイオード１７は、三次コイルＬ３からの電圧供給が始まると、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１からの電圧供給を止めるために設けられている。

＝＝動作＝＝
図１に例示したスイッチング電源装置の動作について説明する。スイッチング電源装置が起動されると、一次コイルＬ１を介して起動回路１１の端子Ｄに入力電圧が印加される。これにより、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートに印加される電圧（制御電圧）は、ゲート保護ダイオード２３に応じた電圧となる。そして、スイッチング電源装置の起動時にはキャパシタＣ１が充電されておらず、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のソースに印加される電圧が低いため、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１がオンとなり、例えば１ｍＡ程度の電流が端子Ｏを介して制御回路１２の端子ＶＣＣ及びキャパシタＣ１に向かって流れることとなる。ここで、例えば、端子Ｄに印加される入力電圧を１３０Ｖ、ゲート保護ダイオード２３の働きによりＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートに印加される電圧を１０Ｖ、抵抗Ｒ１の抵抗値を１．２ＭΩとすると、抵抗Ｒ１を流れる電流は０．１ｍＡとなる。

制御回路１２は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１から出力される起動電流によって起動され、例えばＨレベルの割合（デューティー）が５０％の所定周波数のスイッチングパルスを出力端子ＯＵＴから出力する。制御回路１２からスイッチングパルスが出力されることにより、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０がオンオフされ、一次コイルＬ１を流れる電流に変化が生じる。そして、一次コイルＬ１の電流変化に応じて二次コイルＬ２に発生する電流がダイオード１５で整流され、キャパシタＣ２が充電されて出力電圧が上昇する。また、一次コイルＬ１の電流変化に応じて三次コイルＬ３に発生する電流がダイオード１７で整流され、キャパシタＣ１が充電され、制御回路１２の駆動電圧となる。

キャパシタＣ２が充電されて出力電圧が所望レベル（例えば５．０Ｖ）を超えると、電圧検出回路１３は、フォトダイオード１４ａに電流を流して発光させる。そして、フォトダイオード１４ａから発せれられた光によってフォトトランジスタ１４ｂがオンとなり、制御回路１２の端子ＦＢに接地電圧が印加される。制御回路１２は、端子ＦＢに印加される電圧が接地レベルになると、端子ＯＵＴから出力するスイッチングパルスをＬレベルに変化させる。スイッチングパルスがＬレベルに変化すると、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０がオフとなり、出力電圧が下降することとなる。そして、制御回路１２はスイッチングパルスの周波数に応じた所定のタイミングでスイッチングパルスをＨレベルに変化させる。つまり、フォトカプラ１４を用いた帰還制御によりスイッチングパルスのデューティーが調整され、出力電圧が所望レベルとなるように制御される。

また、キャパシタＣ１が三次コイルＬ３からの電流により充電されて制御回路１２の端子ＶＣＣに印加される電圧が上昇するにしたがって、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のソースの電圧も上昇していく。そして、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲート・ソース間電圧がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１の閾値電圧より低くなると、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１はオフとなり、制御回路１２への起動電流は停止する。

＝＝他の形態＝＝
図３は、起動回路の他の構成例を示す図である。起動回路４０は、図１に示した起動回路１１における抵抗Ｒ１の代わりに、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１を有している。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１は、ドレインがＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のドレインと接続され、ゲート及びソースがＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートと接続されている。つまり、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１は、ゲート・ソース間電圧がゼロであるため電流を通しにくい状態であり、抵抗値の高い抵抗とみなすことができる。また、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１についても、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０，２１と同一チップ上に形成された複数のセルによって構成されている。起動回路４０内のその他の構成については、起動回路１１と同様である。なお、起動回路４０を集積回路ではなくディスクリートにより構成することも可能である。

以上、本発明の一実施形態について説明した。前述したように、起動回路１１，４０を用いることにより、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１を介して制御回路１２に対して出力される１ｍＡ程度の起動電流は、スイッチング動作が開始されてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のソースの電圧が上昇することに伴って停止する。つまり、抵抗Ｒ１またはＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１を介して微量の電流は流れ続けるものの、起動電流が停止されることにより、消費電流を削減することが可能となる。

また、ツェナーダイオード２３ｂ（定電圧ダイオード）を用いることにより、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートに印加される電圧（制御電圧）をツェナーダイオード２３ｂの降伏電圧に応じた所定電圧とすることが可能となる。なお、本実施形態ではＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートに印加される電圧を生成するためにゲート保護ダイオード２３（ツェナーダイオード２３ｂ）を用いたが、ゲート保護ダイオード２３の代わりに抵抗を用いることとしてもよい。この場合、抵抗Ｒ１の抵抗値と、ゲート保護ダイオード２３の代わりに設けられる抵抗の抵抗値との比に応じた電圧がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートに印加されることとなる。ただし、ゲート保護ダイオード２３を用いることにより、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１のゲートに印加される電圧を入力電圧によらず所定電圧とすることが可能となり、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２１の動作を安定させることができる。また、ゲート保護ダイオード２３を用いることにより静電破壊を防止することも可能となる。

さらに、起動回路４０に示したように、抵抗Ｒ１の代わりにＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１を用いることもできる。

また、起動回路１１は、一次コイルＬ１の導電を制御するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０を構成する基板上に集積化して形成することができる。これにより、例えば図４に示した従来のスイッチング電源装置における外付け抵抗Ｒ１が不要となる。したがって、スイッチング電源装置を構成する際の部品点数の削減や設計の容易化が実現される。なお、従来の制御回路１０２に外付け抵抗Ｒ１を内蔵させることも可能であるが、この場合、制御回路１０２を高耐圧とする必要が生じ、コストの増加を招くこととなる。一方、一次コイルＬ１の導電を制御するＭＯＳＦＥＴを含むチップは元々高耐圧に設計されているため、起動回路１１を集積化することによって新たに高耐圧プロセスが必要になるわけではなく、コストの増加を抑制することが可能である。

また、起動回路４０についても、集積回路とすることができる。これにより、起動回路１１の場合と同様に、スイッチング電源装置を構成する際の部品点数の削減や設計の容易化を実現することが可能となる。

なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

本発明の一実施形態であるスイッチング電源装置の構成例を示す図である。 起動回路を構成するＮチャネルＭＯＳＦＥＴのセル構造の一例を示す図である。 起動回路の他の構成例を示す図である。 トランスを用いたスイッチング電源装置の一般的な構成例を示す図である。

符号の説明

１０ トランス
１１，４０ 起動回路
１２ 制御回路
１３ 電圧検出回路
１４ フォトカプラ
１４ａ フォトダイオード
１４ｂ フォトトランジスタ
１５〜１７ ダイオード
２０，２１，４１ ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ
２３ ゲート保護ダイオード
２３ａ，２３ｂ ツェナーダイオード
３０ Ｎ＋基板
３１ Ｎエピタキシャル層
３２ 絶縁層
３３ ゲート電極
３４ Ｐ型領域
３５ Ｎ型領域
３６ ソース電極
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｌ３ 三次コイル
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ
Ｒ１ 抵抗

Claims (6)

1. 負荷と接続されるとともに入力電極に入力電圧が印加され、前記負荷の導電を制御する第１トランジスタと、
   入力電極に前記入力電圧が印加される第２トランジスタと、
   前記入力電圧より低電圧の制御電圧を前記入力電圧から生成し、前記第２トランジスタの制御電極に前記制御電圧を印加する制御電圧生成回路と、
   を備え、
   前記第２トランジスタの出力電極から出力される電流によって、前記第１トランジスタのオンオフを制御する制御回路が起動されること、
   を特徴とする起動回路。
2. 請求項１に記載の起動回路であって、
   前記制御電圧生成回路は、
   一端が前記第２トランジスタの前記入力電極側と接続され、他端が前記第２トランジスタの前記制御電極側と接続される抵抗と、
   カソードが前記第２トランジスタの前記制御電極側と接続され、アノードが接地側と接続される定電圧ダイオードと、
   を含んで構成されることを特徴とする起動回路。
3. 請求項２に記載の起動回路であって、
   前記抵抗は、入力電極が前記第２トランジスタの前記入力電極側と接続され、制御電極及び出力電極が前記第２トランジスタの前記制御電極側と接続される第３トランジスタであること、
   を特徴とする起動回路。
4. 請求項１又は２に記載の起動回路であって、
   前記第１及び第２トランジスタは、それぞれ、同一のシリコン基板上に形成された複数のＭＯＳＦＥＴセルの一部分のセルにより構成され、
   前記制御電圧生成回路は、前記第１及び第２トランジスタとともに集積化されてなること、
   を特徴とする起動回路。
5. 請求項３に記載の起動回路であって、
   前記第１〜第３トランジスタは、それぞれ、同一のシリコン基板上に形成された複数のＭＯＳＦＥＴセルの一部分のセルにより構成され、
   前記制御電圧生成回路は、前記第１〜第３トランジスタとともに集積化されてなること、
   を特徴とする起動回路。
6. 負荷と接続されるとともに入力電極に入力電圧が印加され、前記負荷の導電を制御する第１トランジスタと、
   入力電極に前記入力電圧が印加される第２トランジスタと、
   前記入力電圧より低い制御電圧を前記入力電圧から生成し、前記第２トランジスタの制御電極に前記制御電圧を印加する制御電圧生成回路と、
   前記第１トランジスタのオンオフを制御する制御回路と、
   を備え、
   前記第２トランジスタの出力電極から出力される電流によって、前記制御回路が起動されること、
   を特徴とするスイッチング制御回路。

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