JP2009290937A - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】外付けのダイオードがショートした場合におけるシステムの破壊・熱暴走を防止し、信頼性の向上をはかる。
【解決手段】電源と接地端との間にコイル１１とスイッチ素子２１を直列接続し、これらの接続点ＳＷに現れる電圧を整流用ダイオード１２及び平滑用コンデンサ１３により整流平滑して出力端に出力する昇圧型のスイッチング電源であって、出力端の電圧に基づいて検出される検出電圧Ｖｄと第１の基準電圧Ｖｃとの差を出力する誤差増幅器２３と、誤差増幅器２３の出力に基づいて、検出電圧Ｖｄが第１の基準電圧Ｖｃと同じになるようにスイッチ素子２１を制御する制御回路２４，２５と、誤差増幅器２３の出力電圧と第２の基準電圧Ｖｓとを比較し、出力電圧が第２の基準電圧Ｖｓを上回るとスイッチ素子２１の駆動を停止する保護回路２６，２７，２８とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、昇圧型のスイッチング電源に係わり、特に外付けのダイオードのショート等による過電圧や過電流を保護する機能を備えたスイッチング電源に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）の駆動回路として、コイルとスイッチ素子を用いて昇圧電位を発生する昇圧型のスイッチング電源が用いられている。このスイッチング電源では、電源入力端と接地端との間にコイルとスイッチ素子が直列接続され、スイッチ素子により電源入力電圧をオン／オフし、発生する電圧をダイオードとコンデンサによって整流平滑し、昇圧された出力電圧を発生する。そして、出力電圧を一定に保つため、帰還電圧が基準電圧に等しくなるようにフィードバック制御（スイッチング信号のデューティ比や周波数などを制御）して、定電圧に制御を行っている（例えば、特許文献１，２参照）。

ところで、この種のスイッチング電源において、外付けのダイオードがショートした場合、スイッチング動作は継続し、コイル電流を流す動作が停止しない。このため、過電圧や過電流が発生し、スイッチ素子の破壊・熱暴走に至る可能性がある。特に、出力電圧をフィードバックする方式においては、外付けのダイオードのショートにより出力電圧が低下するため、スイッチング動作は出力を上げようとする方向になり、熱暴走に至るのが必至である。
特公平７−５０９８３号公報 特開２００５−１１７８１０号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、外付けのダイオードがショートした場合におけるシステムの破壊・熱暴走を防止することができ、信頼性向上をはかり得るスイッチング電源を提供することにある。

本発明の一態様に係わるスイッチング電源は、一端が電源に接続されたコイルと、前記コイルの他端と接地端との間に接続され、スイッチング信号によってスイッチングされるスイッチ素子と、前記コイルとスイッチ素子との接続点と出力端との間に接続された整流用ダイオードと、前記出力端と接地端との間に接続された平滑用コンデンサと、前記出力端の電圧に基づいて検出される検出電圧と第１の基準電圧との差を出力する誤差増幅器と、前記誤差増幅器の出力に基づいて、前記検出電圧が前記第１の基準電圧と同じになるように前記スイッチ素子を制御する制御回路と、前記誤差増幅器の出力電圧と第２の基準電圧とを比較し、出力電圧が第２の基準電圧を上回ると前記スイッチ素子の駆動を停止する保護回路と、を具備してなることを特徴とする。

本発明によれば、外付けのダイオードがショートしたことを保護回路により検出し、スイッチング動作を停止すると共にコイル電流を停止することができるため、システムの破壊・熱暴走を防止することができる。これにより、スイッチング電源の信頼性向上をはかることができる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わるスイッチング電源を示す回路構成図である。

電源入力端（電源電圧入力Ｖin）と接地端との間に、コイル１１とスイッチ素子２１とが直列に接続されている。スイッチ素子２１としては、ＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタが好適である。この例では、スイッチ素子２１として、ｎ型ＭＯＳトランジスタが使用されている。

コイル１１とスイッチ素子２１との直列接続点ＳＷと出力端子（出力電圧Ｖout）との間に整流用ダイオード１２が接続されている。整流用ダイオード１２としては、電圧降下の小さいショットキ・バリヤ・ダイオードが好適である。出力端子と接地端との間に平滑用コンデンサ１３が接続されている。これにより、直列接続点ＳＷの電圧が、整流用ダイオード１２と平滑用コンデンサ１３からなる整流平滑回路で整流平滑され、出力端子から出力電圧Ｖout として負荷１４に供給されるようになっている。なお、ダイオード１２と並列に接続されているスイッチ（図中に破線で示す）は実際のデバイスではなく、ダイオード１２のショートをイメージしたものである。

これらコイル１１、ダイオード１２、コンデンサ１３、及び負荷１４は外付け部品で構成されることが多く、スイッチ素子２１を含む制御手段（スイッチング電源用ＩＣ）と共に、スイッチング型の昇圧回路が構成される。この昇圧回路では、スイッチ素子２１のゲートに印加されるスイッチング信号のデューティ比に応じて、スイッチ素子２１のオン期間とオフ期間が変更されて、電源入力電圧Ｖinが昇圧された出力電圧Ｖout が出力される。

また、この昇圧回路では、スイッチング信号が供給されないとき、即ちスイッチ素子２１がオフ状態のときには、コイル１１、ダイオード１２を介して、コンデンサ１３は略電源入力電圧Ｖinに近くまで充電される。具体的には、電源入力電圧Ｖinからダイオード１２の降下電圧Ｖｆを引いた電圧に充電される。ダイオード１２の降下電圧Ｖｆは、ショットキーダイオードの場合には比較的小さく、例えば０．２〜０．４Ｖ程度である。

出力端と接地端との間に、負荷１４としての複数のＬＥＤの直列接続部と、定電流源２２が接続される。定電流源２２としては、図２（ａ）に示すように、２つのＭＯＳトランジスタをカレントミラー接続し、基準電流側のトランジスタの面積ｍに対してＬＥＤ側のトランジスタの面積ｎを大きくし、基準電流のｎ／ｍ倍の電流を流すカレントミラー方式を用いることができる。また、図２（ｂ）に示すように、基準電流側にｎの抵抗を、ＬＥＤ側にｎよりも小さなｍの抵抗を出力ＭＯＳトランジスタと直列に接続し、各々の抵抗の両端の電圧が等しくなるように差動増幅器でＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御することにより、基準電流のｎ／ｍ倍の電流を流す定電流方式を用いることも可能である。

負荷１４と定電流源２２との接続点ＶＤの電位Ｖｄは、誤差増幅器２３の一方の入力端に入力され、誤差増幅器２３の他方の入力端には制御電圧Ｖｃ（第１の基準電圧）が入力される。誤差増幅器２３の出力はＰＷＭコンパレータ２４に入力され、ＰＷＭコンパレータ２４では誤差増幅器２３の出力に応じて発振器２５からのクロックのデューティ比を制御するようになっている。ＰＷＭコンパレータ２４で制御されたクロックはＡＮＤゲート２６の一方の入力端に供給され、スイッチ素子２１のスイッチング信号として用いられる。なお、誤差増幅器２３の出力端と接地端との間には位相補償用に外付けのコンデンサ２９が接続されている。

また、誤差増幅器２３の出力はコンパレータ２７に入力され、第２の基準電圧Ｖｓと比較される。コンパレータ２７は誤差増幅器２３の出力が基準電圧Ｖｓを上回ると“Ｈ”レベルを出力する。コンパレータ２７の出力はフリップ・フロップ等からなるラッチ回路２８によりラッチされる。ラッチ回路２８の出力は、ＡＮＤゲート２６の他方の入力端に供給されると共に、システムストップ信号として出力される。

正常時は、誤差増幅器２３によりＶｄの電位とＶｃの電位を比較し、Ｖｄの電位とＶｃの電位が等しくなるように、スイッチ素子２１が駆動される。即ち、ＶｄがＶｃよりも低いと、ＰＷＭコンパレータ２４によりクロックのデューティ比が大きくなり、スイッチ素子２１のオン時間が長くなり、出力電圧が上がる方向に制御される。これとは逆にＶｄがＶｃよりも高いと、ＰＷＭコンパレータ２４によりクロックのデューティ比が小さくなり、スイッチ素子２１のオン時間が短くなり、出力電圧が下がる方向に制御される。つまり、出力電圧のフィードバック制御により出力電圧が一定に制御される。

このような構成において、システム起動時又はスイッチング動作時に、外付けのダイオード１２がショートしていると、本来（Ｖin＜Ｖout）になる制御を行うはずが、Ｖin＝Ｖoutになる。定電流出力ドライバー端子ＶＤの電圧Ｖｄは、通常動作ではある一定の電圧に保持されているが、Ｖin＝ＶoutになることよりＶｄ＝０Ｖになり、誤差増幅器２３の制御電圧Ｖｃに対して低い電圧になる。

誤差増幅器２３の動作は、この状態になるとパワーを上げようとして出力のソース側の電流がコンデンサ２９に流れ続け、コンデンサ接続端ＶＣＯＭＰの電圧は上昇していく。ＶＣＯＭＰの電圧が上昇していくと、これとの比較を行う基準電圧（Ｖｓ）よりも高い電圧になり、コンパレータ２７の出力の極性が“Ｌ”から“Ｈ”に反転する。反転した信号は、ラッチ回路２８でラッチされ、ラッチ回路２８の出力の極性が反転する。

ラッチ回路２８に“Ｈ”レベルがラッチされると、ＡＮＤゲート２６の出力はコンパレータ２４の出力に拘わらず常に“Ｌ”となり、スイッチ素子２１の駆動が停止される。即ち、ラッチ回路２８のラッチ信号は、スイッチ素子２１の動作をストップさせると共に、システム全体をオフさせる信号として出力される。これにより、ダイオード１２のショートによるシステムの熱暴走から回避することが可能となる。また、ラッチ回路２８の“Ｌ”レベル出力をシステムストップ信号として他のシステムにも供給することにより、システム全体のより安全性の向上をはかることができる。

なお、ノイズによる誤検出を防止するために、コンパレータ２７の出力とラッチ回路２８の入力との間にノイズフィルターを設けるようにしてもよい。

このように本実施形態によれば、外付けのダイオード１２がショートすると、ドライバー端子ＶＤの電圧ＶｄがＧＮＤレベルまで低下し、誤差増幅器２３の出力電圧が急激に増大し、コンパレータ２７によりこれを検出し、ラッチ回路２８によりスイッチ素子２１の駆動を停止することになる。従って、外付けのダイオード１２がショートした場合におけるシステムの破壊・熱暴走を未然に防止することができ、信頼性向上をはかることができる。また、既存の昇圧型のスイッチング装置に対して、コンパレータ２７及びラッチ回路２８を付加するのみで構成できる利点もある。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態では、スイッチ素子としてｎ型ＭＯＳトランジスタを用いたが、必ずしもこれに限るものではなく、バイポーラトランジスタを用いることも可能である。さらに、負荷に直列接続する定電流源は前記図２（ａ）（ｂ）に示す構成に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。

また、保護回路はコンパレータとラッチ回路に限定されるものではなく、誤差増幅器の出力電圧と基準電圧Ｖｓとを比較し、出力電圧が基準電圧Ｖｓを上回るとスイッチ素子の駆動を停止するものであれば良い。さらに、実施形態では、定電流出力ドライバー端子ＶＤの電位を検出したが、この代わりに出力端の電位Ｖout を検出するようにしても良い。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係わるスイッチング電源の回路構成を示す図。 図１の実施形態に用いた定電流源の回路構成例を示す図。

符号の説明

１１…コイル
１２…整流用ダイオード
１３…平滑用コンデンサ
１４…負荷
２１…スイッチ素子
２２…定電流源
２３…誤差増幅器
２４…ＰＷＭコンパレータ
２５…発振器
２６…ＡＮＤゲート
２７…コンパレータ
２８…ラッチ回路

Claims (5)

1. 一端が電源に接続されたコイルと、
   前記コイルの他端と接地端との間に接続され、スイッチング信号によってスイッチングされるスイッチ素子と、
   前記コイルとスイッチ素子との接続点と出力端との間に接続された整流用ダイオードと、
   前記出力端と接地端との間に接続された平滑用コンデンサと、
   前記出力端の電圧に基づいて検出される検出電圧と第１の基準電圧との差を出力する誤差増幅器と、
   前記誤差増幅器の出力に基づいて、前記検出電圧が前記第１の基準電圧と同じになるように前記スイッチ素子を制御する制御回路と、
   前記誤差増幅器の出力電圧と第２の基準電圧とを比較し、出力電圧が第２の基準電圧を上回ると前記スイッチ素子の駆動を停止する保護回路と、
   を具備してなることを特徴とするスイッチング電源。
2. 前記コイル、整流用ダイオード、及び平滑用コンデンサは、外付けの素子であることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。
3. 前記出力端と接地端との間に、負荷としての発光ダイオードと定電流源が直列接続され、前記検出電圧として、前記発光ダイオードと定電流源との接続点の電位を検出することを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチング電源。
4. 前記保護回路は、前記誤差増幅器の出力電圧と第２の基準電圧とを比較し出力電圧が第２の基準電圧を上回ると出力が反転する比較器と、この比較器の出力をラッチするラッチ回路とからなり、前記ラッチ回路のラッチ出力で前記スイッチ素子の駆動を強制的に停止するものであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のスイッチング電源。
5. 前記ラッチ回路のラッチ出力により、システム全体を停止させることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のスイッチング電源。

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