JP2013165622A - スイッチングレギュレータ - Google Patents

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Abstract

【課題】トリミングなどの調整工程を必要とせず、簡易かつ確実に短絡状態を検出する回路を備えたスイッチングレギュレータを提供する。
【解決手段】スイッチングレギュレータのパワースイッチング素子駆動信号によって、放電回路を制御し、短絡状態となってパワースイッチング素子が常時ON状態となる時、放電回路の動作を停止し、容量への充電を連続的に行い、電圧検出回路によって容量の充電がある一定電位以上に達したことを検出することで短絡状態を検出する構成とした。
【選択図】図1

Description

本発明は、定電圧を出力するスイッチングレギュレータに関し、より詳しくは、短絡検出回路を備えたスイッチングレギュレータに関する。
スイッチングレギュレータは、様々な電子機器の回路の電圧供給源として用いられている。スイッチングレギュレータの機能は、入力端子の電圧変動によらず出力端子に一定の電圧を出力する事であるが、出力端子になんらかの異常が発生し、負荷に供給する電流が増加して最大電流を超えたことを検出する短絡保護回路を動作させることが重要である(例えば、特許文献1参照)。
図3に、短絡検出回路を備えた従来のスイッチングレギュレータの回路図を示す。従来のスイッチングレギュレータは、出力端子Outの電圧を分圧する出力電圧分圧回路20と、基準電圧を出力する基準電圧回路4と、分圧電圧FBと基準電圧Vrefを比較する誤差増幅器1と、三角波信号Vrampを出力する三角波発振回路3と、誤差増幅器1の出力電圧と三角波信号Vrampを比較してパルス状信号を出力するPWMコンパレータ回路2と、PWMコンパレータ2の出力信号を増幅するバッファー回路5と、出力端子Outに過大な電流が流れた事を検知する短絡検出回路100と、パワースイッチング素子200と、インダクタンス201と、ダイオード202と、平滑コンデンサー203と、からなる。短絡検出回路100は、第二の基準電圧回路102とコンパレータ回路101とから構成されている。
以下に、従来のスイッチングレギュレータの動作を説明する。従来のスイッチングレギュレータは、図に示すようにPWM制御で動作する。
三角波発振回路3が出力する三角波信号Vrampは、周波数が一定である。PWMコンパレータ2の出力する信号Vpwmは、負荷電流の増減に応じて、デューティーが変化する。パワースイッチング素子200は、信号Vpwmによって導通時間が制御される。そして、出力端子Outの出力電圧Voutは、一定値に保たれる。
図4は、従来のスイッチングレギュレータのタイミングチャートである。期間t1のように負荷電流が一定の条件であれば、信号Vpwmのデューティーは一定である。期間t2のように負荷電流が増加すると、誤差増幅器1が出力する電圧Verrが低下し、信号Vpwmのデューティーが増加する。さらに負荷電流が増加し、電圧Verrが三角波信号Vrampの振幅下限値を下回ると、信号Vpwmはパワースイッチング素子200を常に導通状態とする固定値を出力し続ける。
ここで、基準電圧Vref2は三角波信号Vrampの振幅下限よりも低電圧側に設定されているものとする。期間t3のように短絡状態にまで至ると、電圧Verrはさらに降下する。電圧Verrが基準電圧Vref2を下回ると、短絡検出回路100は短絡状態を検出しコンパレータ回路101の出力する電圧SDはLレベルに反転する。バッファー回路5は、Lレベルの電圧SDによりオフして、パワースイッチング素子200を非導通とする。このようにして、短絡検出回路100はスイッチングレギュレータが過電流を流し続けることを防止する。
特開平5−328711号公報
しかしながら、上述の誤差増幅器の出力電圧Verrを基準電圧Vref2と比較する回路を用いる場合、基準電圧Vref2を三角波信号Vrampの振幅範囲の外であり、且つ誤差増幅器の出力電圧振幅範囲内に収める必要がある。これは基準電圧Vref2に対してトリミング等の調整行為を必要とし、コスト増加をもたらすという欠点があった。
本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、検出精度のよい短絡検出回路を有するスイッチングレギュレータを、簡便な回路で実現する。
従来の課題を解決するために、本発明の短絡検出回路を有するスイッチングレギュレータは以下のような構成とした。
短絡検出回路を有し、PWMコンパレータの出力信号でパワースイッチング素子を制御するするスイッチングレギュレータであって、短絡検出回路は、容量と、容量を充電する充電回路と、容量を放電する放電回路と、容量の充電電圧を監視する電圧検出回路と、を備え、放電回路は、パワースイッチング素子を制御する信号によって制御され、パワースイッチング素子がスイッチングレギュレータの出力端子にエネルギーを供給する期間に於いて放電回路は放電動作を停止する、ことを特徴としたスイッチングレギュレータ。
電圧検知回路は、その検出レベルの精度は極めて低くても動作に支障をきたす事が無いので、インバーターなどの簡易な回路で構成可能である。
本発明の短絡検出回路を備えたスイッチングレギュレータによれば、精度の高い基準電圧を必要とせず簡便な回路で構成でき、トリミング等の調整手段を省略する事が出来る、という効果がある。
本実施形態の短絡検出回路を備えたスイッチングレギュレータの回路図である。 本実施形態のスイッチングレギュレータのタイミングチャートである。 従来の短絡検出回路を備えたスイッチングレギュレータの回路図である。 従来のスイッチングレギュレータのタイミングチャートである。
図1は、本実施形態のスイッチングレギュレータの回路図である。
本実施形態のスイッチングレギュレータは、出力電圧分圧回路20と、基準電圧回路4と、誤差増幅器1と、PWMコンパレータ2と、三角波発振回路3と、出力バッファー5と、パワースイッチング素子200と、インダクタンス201と、ダイオード202と、平滑コンデンサー203と、短絡検出回路300と、を備えている。
パワースイッチング素子200は、制御端子が出力バッファー5の出力端子に接続され、出力バッファー5の出力電圧によって制御される。インダクタンス201は、パワースイッチング素子200と出力端子Outの間に接続される。ダイオード202と平滑コンデンサー203は、夫々インダクタンス201の両端と接地端子の間に接続される。
出力電圧分圧回路20は、出力端子Outに接続され、出力電圧Voutを分圧し分圧電圧FBを出力する。誤差増幅器1は、分圧電圧FBと基準電圧回路4の出力する基準電圧Vrefとを入力し、それらの差電圧を増幅して電圧Verrとして出力する。三角波発振回路3は、一定の周波数で三角波信号Vrampを出力する。PWMコンパレータ2は、三角波信号Vrampと電圧Verrを入力し、パルス状の信号Vpwmを出力する。出力バッファー5は、信号Vpwmを増幅して、パワースイッチング素子200を駆動する信号を出力する。短絡検出回路300は、PWMコンパレータ2の信号Vpwmによって出力端子Outの短絡状態を検出し、短絡状態検出信号SDを出力バッファー5に出力する。出力バッファー5は、短絡状態検出信号SDを受けて、パワースイッチング素子200の駆動を制御する。短絡検出回路300は、容量10と、容量10を充電する充電回路9と、容量10を放電する放電回路8と、容量10の電圧CDを監視する電圧検出回路11と、から構成される。
以下に、本実施形態のスイッチングレギュレータの短絡検出回路の動作について、図を持いて説明する。図2は、本実施形態のスイッチングレギュレータのタイミングチャートである。
放電回路8は、スイッチングレギュレータのパワースイッチング素子200を制御する信号Vpwmによって制御されている。従って、放電回路8は、パワースイッチング素子200が出力端子Outにエネルギーを供給する期間は放電動作を停止し、パワースイッチング素子200が出力端子Outにエネルギーの供給しない期間に放電動作を行う。 従って、図2において、容量10の電圧CDは、信号Vpwmのパルス幅によって変化している。
期間t1のように負荷電流が一定の条件であれば、信号Vpwmのデューティーは一定である。期間t2のように負荷電流が増加すると、誤差増幅器1が出力する電圧Verrが低下し、信号Vpwmのデューティーが増加する。それに応じて、容量10の電圧CDは増加していく。
期間t3において、出力端子Outが短絡すると、出力電圧Voutが低下し、パワースイッチング素子200は出力端子Outへ常にエネルギーを供給し続ける。すなわち、信号VpwmはLレベルを維持する。従って、放電回路8は放電動作を停止し、容量10は充電回路9によって充電される。容量10のCD端子電圧が上昇し、電圧検出回路11のスレッショルド電圧Vthまで達すると、電圧検出回路11は短絡状態を検出し、短絡状態検出信号SDの出力を反転する。
ここで、電圧検出回路のスレッショルドレベルVthは、出力端子Outの短絡が検出できるように適宜設定されれば良い。すなわち、スレッショルドレベルVthは、容量10が信号Vpwmの2周期以上(例えば10周期程度)の時間に渡って充電されたときに達する電圧以上に設定されていれば良い。また、スレッショルド電圧Vthの上限値は、短絡時に大電流が流れる素子の熱耐性によって決まる。一般的に、大電流が流れる時間が数10m秒程度であれば、破壊に至ることは無いとされている。比較的動作周波数が遅い100KHzの場合、一周期は10u秒である。前述の素子の熱耐性時間を10m秒と仮定すると、周期換算では1000周期分に該当する。
従って、スレッショルド電圧Vthの設定値は、充電回路9による容量10の充電が、発振周波数の10周期以上であって、且つ1000周期以下の時間連続して継続した場合に達する、容量10の充電電圧に設定されていれば良いことになる。これはスレッショルド電圧Vthの設定精度が極めて低くても問題ない事を意味しており、電圧検出回路11の構成を単純化する事が可能となる。従って、電圧検出回路11を単なるCMOSインバーターで構成しても、動作上なんらの不都合は無い。
以上に説明したように、本実施形態のスイッチングレギュレータは、短絡検出回路300を信号Vpwmによって出力端子Outの短絡を検出する回路(例えばインバーター)で構成したので、トリミングなどの調整工程を必要とせず、極めて単純な回路構成によって短絡状態を検出し、スイッチングレギュレータの過電流を防止することができる。
さらに、回路を単純化した結果、極めて小さな面積で機能を実現することからも、コスト低減を実現出来るという効果がある。
1 誤差増幅器
2 PWMコンパレータ
3 三角波発振回路
4 基準電圧回路
5 バッファー回路
8 放電回路
9 充電回路
11 電圧検出回路
20 分圧回路
100 短絡検出回路
101 コンパレータ回路
102 第2の基準電圧回路
200 パワースイッチング素子

Claims (3)

  1. 短絡検出回路を有し、PWMコンパレータの出力信号でパワースイッチング素子を制御するするスイッチングレギュレータであって、
    前記短絡検出回路は、容量と、前記容量を充電する充電回路と、前記容量を放電する放電回路と、前記容量の充電電圧を監視する電圧検出回路と、を備え、
    前記放電回路は、前記パワースイッチング素子を制御する信号によって制御され、前記パワースイッチング素子が前記スイッチングレギュレータの出力端子にエネルギーを供給する期間に於いて前記放電回路は放電動作を停止する、
    ことを特徴としたスイッチングレギュレータ。
  2. 前記電圧検出回路の検出電圧は、前記容量に対する前記充電回路の充電が、前記スイッチングレギュレータの動作周期の少なくとも2周期分の時間継続した場合に、前記容量が達する電圧値以上に設定されていることを特徴とする、請求項1に記載のスイッチングレギュレータ。
  3. 前記電圧検出回路は、論理ロジックゲートで構成され、前記電圧検出回路の出力によって、前記パワースイッチング素子の出力を停止させる事を特徴とする、請求項1又は2に記載のスイッチングレギュレータ。
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