JP2016063723A - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】出力端子電圧が標準電圧から瞬間的に低下した後に電圧復帰するときにオーバーシュートを抑制できるようにしたスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】ソフトスタート制御部14は、出力電圧検出回路17の出力電圧V1に応じて、誤差増幅回路11に与えられる電圧V2を主回路16の目標出力電圧Voに対応した制御標準電圧Vtyと主回路16の制御開始電圧Vcsとの間の再開始電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3に制御する。このため、出力電圧Voutが低下した後にソフトスタートを実行することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。
この種のスイッチング電源装置はソフトスタート回路が設けられる場合がある。このソフトスタート回路はスイッチング素子に大きな突入電流が流れることを防止するために設けられる回路である(例えば、特許文献1参照)。特許文献1記載の技術によれば、入力端子電圧に応じてソフトスタートを実施している。これにより突入電流によるスイッチング素子破壊を防止できる。
特開2006−325339号公報 特開平06−225523号公報
しかしながら、特許文献1記載の技術では入力端子電圧のみを参照しているため、入力端子電圧を起動するときには有効に働くものの、起動後に出力端子電圧が何らかの事象に応じて瞬間的に低下し、入力端子電圧がこの事象に関連しないときには出力端子電圧のみが低下し、特許文献1記載の技術では対応が不十分となる。
また、特許文献2記載の技術では、出力電圧を参照してソフトスタート回路を起動し、起動時の電源電圧に基づいてオーバーシュートを抑制している。しかしながら、この特許文献2記載の技術は、電源起動時のオーバーシュートを抑制する技術を開示しているものであり、出力端子電圧が標準電圧から瞬間的に低下した復帰後にこのソフトスタート回路を適用したとしても例えばソフトスタート回路内のコンデンサの電圧の放電特性を考慮すれば十分な特性を得られるものとはならない。
本発明の目的は、出力端子電圧が標準電圧から瞬間的に低下した後に電圧復帰するときにオーバーシュートを抑制できるようにしたスイッチング電源装置を提供することにある。
請求項1記載の発明によれば、主回路はスイッチング素子とコイルとを有し駆動信号の変化に応じてコイルに流れる電流を調整する。出力電圧検出回路は主回路の出力電圧に対応した第1電圧を出力する。誤差増幅回路は、出力電圧検出回路の第1電圧と主回路の目標出力電圧に対応した第2電圧との差に応じた誤差信号を出力する。発振回路は発振信号を出力するが、駆動回路は発振回路の発振信号と誤差増幅回路の誤差信号とが比較された比較結果に応じてスイッチング素子に駆動信号を出力する。
このとき、ソフトスタート制御部は、出力電圧検出回路による第1電圧が標準検出電圧と開始電圧との間のソフトスタート閾値電圧に達したことを条件として、出力電圧検出回路の第1電圧に応じて誤差増幅回路に与えられる第2電圧を制御する。
このとき、ソフトスタート制御部は、出力電圧検出回路の第1電圧に応じて、誤差増幅回路に与えられる第2電圧を主回路の目標出力電圧に対応した制御標準電圧と主回路の制御開始電圧との間の再開始電圧に制御するため、ソフトスタートを実行することができ、出力端子電圧が目標出力電圧となる標準的な電圧から瞬間的に低下した後に電圧復帰するときにオーバーシュートを抑制できるようになる。
請求項2記載の発明によれば、ソフトスタート制御部が段階的に再開始電圧を制御することにより、段階的に再開始電圧を制御しない場合に比較して復帰までの時間を調整することができる。
第1実施形態において、スイッチング電源装置を概略的に示す電気的構成図 誤差増幅回路の出力信号と発振回路の発振信号とコンパレータの出力との関係を示す波形図 誤差増幅回路の入力段の構成例を概略的に示す電気的構成図 ソフトスタート制御部を概略的に示す電気的構成図 主制御部を概略的に示す電気的構成図 入力電圧と出力電圧との波形の関係を概略的に示すタイミングチャート 論理回路の入力信号と出力信号との関係を概略的に示す特性図 (a)〜(c)は出力電圧が変動したときのソフトスタート制御処理の流れを概略的に示すタイミングチャート 出力電圧が閾値に達しない程度に変動したときの制御処理の流れを概略的に示すタイミングチャート ソフトスタート制御するときにステップ時間を制御する場合の流れを概略的に示すタイミングチャート 発振部の概略的な構成の変形例を概略的に示す電気的構成図 第2実施形態において、ソフトスタート制御部を概略的に示す電気的構成図 出力電圧が変動したときのソフトスタート制御処理の流れを概略的に示すタイミングチャート
以下、スイッチング電源回路の幾つかの実施形態について図面を参照しながら説明する。各実施形態において同一又は類似の動作を行う構成については、同一又は類似の符号を付して必要に応じて説明を省略する。なお、以下、詳細に説明するスイッチング電源装置1の実施形態では、出力電圧Voutを起動前の0Vから起動後に正の所定電圧に上昇制御する正電源回路の形態を示すが、出力電圧Voutを起動前の0Vから起動後に負の所定電圧に下降制御する負電源回路に適用することもできる。
(第1実施形態)
図1はスイッチング電源装置1の構成例を示す。スイッチング電源装置1は、降圧型の構成であり、駆動回路としてのプリドライブ回路2、スイッチング素子としての出力用のMOSトランジスタ3、ブートストラップコンデンサ4、還流ダイオード5、コイル6、コンデンサ7、抵抗8、9、基準電圧生成回路10、誤差増幅回路11、発振回路12、コンパレータ13、及び、ソフトスタート制御部14を図示形態に接続して構成されている。
このスイッチング電源装置1の出力端子OUTには負荷15が接続されている。ここで、基準電圧生成回路10、誤差増幅回路11、発振回路12、コンパレータ13及びソフトスタート制御部14は、スイッチング電源装置1の制御部100を構成する。
MOSトランジスタ3は、例えばNチャネル型MOSFETによりメイン駆動用のスイッチ回路として構成されている。このスイッチ回路はPチャネル型MOSFETにより構成しても良いし、他種類のトランジスタ(例えばバイポーラトランジスタ等)などにより構成しても良い。このMOSトランジスタ3のドレインにはバッテリ電圧VB1などが入力電圧Vinとして与えられており、MOSトランジスタ3のソースとグランドとの間には還流ダイオード5が接続されている。また、MOSトランジスタ3のゲートにはプリドライブ回路2が接続されている。プリドライブ回路2は、その前段回路(コンパレータ13)から与えられる制御信号に応じてMOSトランジスタ3のゲートソース間に駆動信号を印加する。
MOSトランジスタ3のソースとプリドライブ回路2との間にはブートストラップコンデンサ4が接続されており、急速充電を可能にするが、この詳細は本願とは関係しないため説明を省略する。MOSトランジスタ3のソースと出力端子OUTとの間にはコイル6が接続されている。また出力端子OUTとグランドとの間にはコンデンサ7が接続されている。プリドライブ回路2がMOSトランジスタ3をオンさせると、MOSトランジスタ3のソースを通じてコイル6に電流が流れコンデンサ7を充電し、出力電圧Voutが上昇する。そして、プリドライブ回路2がMOSトランジスタ3をオフさせると、コイル6に流れていた通電電流を維持しようとするため、コイル6、還流ダイオード5及び負荷15による還流ループに電流が流れると共に、コンデンサ7の保持電力が放電されることで出力端子OUTの出力電圧Voutが低下する。
出力端子OUTとグランドとの間には分圧抵抗8、9が接続されている。この分圧抵抗8、9は、出力電圧Voutを分圧し、この電圧V1をオペアンプ11aの反転入力端子に出力する。この誤差増幅回路11は、オペアンプ11a、及び、このオペアンプ11aの反転入力端子と出力端子との間を接続した帰還抵抗11bを備えた構成である。
オペアンプ11aの非反転入力端子には、基準電圧生成回路10及びソフトスタート制御部14が接続されている。基準電圧生成回路10は、例えばバンドギャップリファレンス回路により構成され、高精度の基準電圧Vrefを生成し、誤差増幅回路11のオペアンプ11aの非反転入力端子に基準電圧Vrefを出力する。
ソフトスタート制御部14は、後述の図4に示すようにD/Aコンバータ21(図4参照)を用いてD/A出力制御電圧Vdacを出力する。誤差増幅回路11は、出力電圧Voutの抵抗8、9の分圧電圧V1と、基準電圧生成回路10の出力基準電圧Vref、又は、ソフトスタート制御部14のD/A出力制御電圧Vdacとの誤差を増幅して出力する。
図3は誤差増幅回路11のオペアンプ11aの特に入力段の構成例を示している。尚、オペアンプ11aは通常一般に増幅段、出力段なども構成されるが、この構成は図示を省略している。オペアンプ11aは、電流源18、PNP形トランジスタTr1〜Tr3、及び、NPN形トランジスタTr4及びTr5を備える。PNP形トランジスタTr1〜Tr3は互いに並列接続されており差動対を構成する。NPN形トランジスタTr4及びTr5はこれらの差動対に対する能動負荷となるようにカレントミラー接続されている。PNP形トランジスタTr1のベースには、基準電圧生成回路10から基準電圧Vrefが印加され、PNP形トランジスタTr2のベースにはソフトスタート制御部14のD/A出力制御電圧Vdacが印加される。またPNP形トランジスタTr3のベースには出力電圧Voutの分圧電圧V1が印加される。
PNP形トランジスタTr1〜Tr3は並列接続されているため、制御電圧Vdacが基準電圧Vrefより低いときには、PNP形トランジスタTr2を通じて電流源18の電流が大きく流れ込み、逆に制御電圧Vdacが基準電圧Vrefより高いときにはPNP形トランジスタTr1を通じて電流源18の電流は少なくなる。
制御電圧Vdacが基準電圧Vrefより低くなっているときに、電圧V1(PNP形トランジスタTr3のベース電圧)がΔVだけ減少すると、PNP形トランジスタTr3のコレクタ電流がΔVに応じて増加し、能動負荷Tr5の出力電圧はこの増加電流分に応じて増加する。この場合、オペアンプ11aの入力段は制御電圧Vdacと、電圧V1との誤差を増幅した電圧をVzとして出力する。逆に、制御電圧Vdacが基準電圧Vrefより高くなっているときには、オペアンプ11aの入力段は基準電圧Vrefと電圧V1との誤差を増幅した電圧をVzとして出力する。誤差増幅回路11は、このオペアンプ11aの入力段の出力電圧Vzを増幅段、出力段を通じて増幅し、電圧V3としてコンパレータ13に出力する。なお、このオペアンプ11aは、PNPトランジスタTr1〜Tr3及びNPNトランジスタTr4及びTr5を用いて構成されているが、これに替えて、Pチャネル型のMOSトランジスタ、Nチャネル型のMOSトランジスタを用いて構成しても良い。
コンパレータ13の非反転入力端子には誤差増幅回路11の出力電圧V3が与えられている。このコンパレータ13の反転入力端子には発振回路12が接続されている。発振回路12は、例えば三角波又は鋸波などの所定周期で変化する発振信号を出力する回路である。コンパレータ13は、誤差増幅回路11の出力信号と、発振回路12の発振信号との比較結果を出力する。なお、MOSトランジスタ3、還流ダイオード5、コイル6、コンデンサ7は主回路16を構成し、抵抗8、9は出力電圧検出回路17を構成する。
図2は誤差増幅回路11の出力信号と発振回路12の発振信号との比較結果を概略的に示している。この図2に示すように、誤差増幅回路11の出力信号が発振回路12の発振信号より高いときに、コンパレータ13は「H」レベルを出力し、低いときにコンパレータ13は「L」レベルを出力する。したがって、誤差増幅回路11の出力電圧V3が低いときには、コンパレータ13は例えば「L」の割合を高くしたPWM信号を出力する。逆に、誤差増幅回路11の出力電圧V3が高いときには、コンパレータ13は、例えば「H」の割合を高くしたPWM信号を出力する。このPWM信号はプリドライブ回路2に与えられる。
プリドライブ回路2は、コンパレータ13から与えられるPWM信号が「H」のときにはMOSトランジスタ3のゲートソース間に閾値電圧以上の電圧を印加し、PWM信号が「L」のときにはMOSトランジスタ3のゲートソース間に閾値電圧未満の電圧(例えば0V)を印加する。これにより、プリドライブ回路2は、PWM信号に応じてMOSトランジスタ3をオンオフする。このPWM信号のデューティ比は誤差増幅回路11の出力電圧V3の大小に応じて変化することになり、出力電圧Voutを目標出力電圧に一致するように制御できる。
本実施形態の主な特徴部分となるソフトスタート制御部14の構成例を説明する。図4にソフトスタート制御部14の構成例を示すように、ソフトスタート制御部14は、主制御部20と、D/Aコンバータ21と、発振部22とを備える。D/Aコンバータ21は、カウンタ部23と、DACコア24と、ORゲート25、26とを備え、DACコア24の出力電圧を出力制御電圧Vdacとし、誤差増幅回路11に出力する。
発振部22は、インバータ27の入出力に抵抗28、29を接続して構成されると共に、インバータ27の入力とグランドとの間にコンデンサ30を接続した自励発振器により構成される。
なお、インバータ27の入出力端子間に接続された抵抗28、29は並列接続されている。これらの抵抗28、29の抵抗値は互いに異なる値に設定されており、これらの抵抗28、29を選択するためのスイッチ31、32がこれらの抵抗28、29とそれぞれ直列に接続されている。これらのスイッチ31、32は主制御部20がオンオフ制御可能となる。したがって、この発振部22の発振周波数は主制御部20から制御可能になっており、電源投入された後、発振部22は主制御部20により周波数制御された発振信号をクロック信号CKとしてD/Aコンバータ21のカウンタ部23に出力する。
カウンタ部23はDFF33〜38を複数(n段)縦続接続して構成される。DFF33〜38は、それぞれ、その入力Dと反転出力QBとを接続して構成され、各DFF33〜38は前段回路のQB出力をクロック入力し、このQB出力タイミングで出力Q、反転出力QBを保持する。
1段目のDFF33はクロック信号CKの出力タイミングで反転し、k(但しn≧k≧2)段目のDFF34〜38はk−1段目のDFF33〜37の出力タイミングで反転する。カウンタ部23はクロック信号CKが1入力される度に1カウントする。DACコア24は、クロック信号CKを入力するとこのクロック信号CKの入力タイミングにおいて、カウンタ部23のkビットのデジタルデータをアナログ変換しD/A出力制御電圧Vdacとして出力する。
主制御部20は、例えば図5に示す制御ロジックにより構成され、入力電圧Vin、出力電圧Vout、クロック信号CKを入力し、この入力信号に基づいて、スイッチ31、32の制御信号SW1、SW2、再開始信号RSTA1、RSTA2、リセット信号RSTを出力する。
本実施形態のソフトスタート制御部14内において、DACコア24のMSB側の上位2ビットのデジタル入力端子DINn-1、DINn-2にそれぞれORゲート26、25が接続されて構成される。ORゲート26は、MSBに対応するDFF38のQ出力と、主制御部20から入力される再開始信号RSTA2とを入力し、DACコア24のMSBのデジタル入力端子DINn-1に論理和演算結果を出力する。
ORゲート25は、MSB−1ビットに対応するDFF37のQ出力と、主制御部20から入力される再開始信号RSTA1とを入力し、DACコア24のMSB−1ビットに対応するデジタル入力端子DINn-2に論理和演算結果を出力する。
ORゲート26は、再開始信号RSTA2のアクティブレベル「1」(本形態では「H」)を入力すると、DACコア24のデジタル入力端子DINn-1にアクティブレベル「1」(本形態では「H」)を強制的に出力する。
ORゲート25は、再開始信号RSTA1のアクティブレベル「1」を入力すると、DACコア24のデジタル入力端子DINn-2にアクティブレベル「1」を強制的に出力する。これにより、主制御部20が、再開始信号RSTA1,RSTA2を制御することにより、DACコア24の出力電圧Vdacを瞬時に段階的に制御できる。
また、主制御部20は、リセット信号RSTをカウント部23の各DFF33〜38のリセット端子に出力する。リセット信号RSTがアクティブレベルになると、カウント部23はリセットし、0からカウントアップを再スタートする。
本実施形態では、主制御部20は、再開始信号RSTA1,RSTA2をアクティブレベル「1」又はノンアクティブレベル「0」として切換えると共に、カウンタ部23にリセット信号RSTのアクティブレベル「1」を出力することで、DACコア24に入力されるカウント部23のカウント値を制御し、D/A出力制御電圧Vdacを、当該電圧Vdacの最大限界電圧の0倍、1/4倍、1/2倍、3/4倍に段階的且つ瞬時に制御することができる。
図5は主制御部20の回路構成例を概略的に示している。主制御部20は、例えばヒステリシス型のコンパレータ40〜43、論理回路44、抵抗45〜52、NANDゲート53等を用いて構成され、入力電圧Vin、出力電圧Vout及びクロック信号CKを入力し、これらの入力信号に基づいて、カウンタ部23にリセット信号RSTを出力してカウンタ部23をリセットしたり、発振部22内のスイッチ31、32をオンオフ制御し発振部22の発振周波数を制御したりするブロックとなっている。
入力電圧検出回路17bは、抵抗45、46により入力電圧Vinを分圧した分圧電圧Vin1を検出する。出力電圧検出回路17は、抵抗47〜52により出力電圧Voutを分圧した分圧電圧Vo1〜Vo3を検出する。主制御部20内のコンパレータ40〜43は、それぞれヒステリシス入出力特性を備えている。このため、入力電圧Vin又は出力電圧Voutの上昇時と下降時とで、その出力結果を互いに異ならせることができる。したがって、入力電圧Vin又は出力電圧Voutの上昇時と下降時とで、後述の図7に示すように論理回路44の出力レベル(SW1、SW2、RSTA1、RSTA2)を変更することができる。
ヒステリシス型のコンパレータ40は、入力電圧検出回路17bの検出電圧と基準電圧Vref1とを比較し、その比較結果を論理回路44に出力する。ヒステリシス型のコンパレータ41〜43は、出力電圧検出回路17の検出電圧と基準電圧Vref2〜Vref4とをそれぞれ比較し、その比較結果を論理回路44に出力する。ここで、電圧Vref2〜Vref4は、Vref2>Vref3>Vref4の関係に設定されている。
図6は、入力電圧Vinと出力電圧Voutの変化の態様を示している。図6に示すように、入力電圧Vinが低電位から上昇すると、この上昇変化に遅れて出力電圧Voutが上昇する。逆に入力電圧Vinが所定電位から下降すると、この下降変化に遅れて出力電圧Voutが下降する。
主制御部20内の論理回路44は、入力電圧Vinと電圧V1(出力電圧Vout)との関係に応じて、図7に示すように、リセット信号RST、再開始信号RSTA1、RSTA2を出力する。例えば、図7(a)には入力電圧Vin又は出力電圧Voutの上昇時における論理回路44の出力論理レベルの一例を示し、図7(b)には入力電圧Vin又は出力電圧Voutの下降時における論理回路44の出力論理レベルの一例を示す。この図7において、リセット信号RSTは、「1」がアクティブレベルを表し、「0」がノンアクティブレベルを表す。再開始信号RSTA1、RSTA2は「H」アクティブである。
論理回路44は、出力電圧検出回路17の出力電圧V1が段階的に分割された複数範囲のいずれに存在するか判定し、この論理判定結果に応じて、リセット信号RST、再開始信号RSTA1、RSTA2のアクティブレベルを変化させて、制御信号としてカウント部23又はORゲート25、26に出力する。後述するが、主制御部20は、論理回路44の論理判定結果に応じて、DACコア24に入力されるカウント部23の再カウントスタート値を変更制御することで、DACコア24を通じて出力制御電圧Vdacの再開始電圧Vrs1、Vrs2、Vrs3を生成出力することになる。
電源起動時及び瞬断時におけるソフトスタート制御部14の処理について、図8を参照しながら説明する。図8は、出力電圧Voutが、電圧入力開始されるときの開始電圧(∝開始検出電圧Vs0)から、出力電圧Voutが標準的に制御されているときの標準制御電圧(∝標準検出電圧Vt0)まで上昇したとき、及び、出力電圧Voutが標準制御電圧(∝標準検出電圧Vt0)から瞬時に低下したときの態様を3タイプ示しており、入力電圧Vinと、出力電圧検出回路17の出力電圧V1(=抵抗8、9の分圧電圧V1∝出力電圧Vout)と、誤差増幅回路11のオペアンプ11aの非反転入力端子への入力電圧V2との関係を概略的に示している。
まず、例えばエンジン始動に応じてバッテリ電圧VB1が回路内に入力されると、このバッテリ電圧VB1に基づいて入力電圧Vinが上昇する(図8の時刻t1以降のT1期間)。このとき、各回路には動作用電源電圧Vccが与えられる。この起動時には、主制御部20は、発振部から所定周波数のクロック信号CKを出力制御させる。このタイミングでは、出力電圧Voutが0V出力されているので、出力電圧検出回路17は、出力電圧Voutを抵抗により分圧した電圧V1として開始検出電圧VS0(≒0V)を検出する。
時刻t1においては、入力電圧Vinがスタート閾値電圧Vsinより低い。この後においても、入力電圧Vinがスタート閾値電圧Vsinに達せず、電圧範囲VH2の範囲にあるときには、ソフトスタート制御部14の主制御部20は、図7(a)に示すように、論理回路44によりリセット信号RSTとしてアクティブレベル「1」を出力し続けることで、カウント部23の出力をリセットし続ける。すなわち出力電圧Voutを上昇制御しない。
カウンタ部23は、そのカウント値を0に保持したまま待機する(図8のT1期間)。ソフトスタート制御部14は、その主制御部20がリセット信号RSTをカウント部23に出力することで、カウント部23のカウント値を初期値(=0)とし、DACコア24から制御開始電圧Vcs(=0V)をD/A出力制御電圧Vdacとして出力させる。
入力電圧Vinが所定のスタート閾値電圧Vsinに達すると、論理回路44はノンアクティブレベル「0」としてリセットを解除し、主制御部20は本来のソフトスタート制御を開始する(図8の時刻t2)。このとき、ソフトスタート制御部14は、発振部22によるクロック信号CKをカウント部23に入力させることで、電圧Vdac(=V2)が制御開始電圧Vcsから制御標準電圧Vtyとなるように、カウンタ部23のカウント値を初期値(=0)から徐々に上昇させる(図8のT2期間)。
当初は、ソフトスタート制御部14の出力電圧V2(=Vdac)が初期値(=0)であり、誤差増幅回路11の出力(コンパレータ13の非反転入力)は発振回路12の出力(コンパレータ13の反転入力)よりも低い電圧となる。すると、MOSトランジスタ3はフルオフ駆動される(PWM信号のデューティ比0%)。
時間経過に伴い、ソフトスタート制御部14の出力電圧V2(=Vdac)が上昇すると、誤差増幅回路11の出力(コンパレータ13の非反転入力)が発振回路12の出力(コンパレータ13の反転入力)信号を上回る期間が現れる(図2参照)。すると、コンパレータ13の出力は「H」になる。発振回路12はコンパレータ13に対し図2に示す三角波などの発振信号を出力するため、誤差増幅回路11の出力が高くなると、これに応じてコンパレータ13の出力として「H」となる期間が多くなり、MOSトランジスタ3がオンする期間が長くなる。逆に、誤差増幅回路11の出力が低くなると、これに応じてコンパレータ13の出力として「L」となる期間が長くなり、MOSトランジスタ3がオフする期間が長くなる。
他方、カウント部23は、クロック信号CKのクロック入力に応じて周期的にカウント値を上昇させるため、DACコア24の出力電圧Vdacとなる制御目標電圧V2が周期的、段階的に上昇する。このため、この制御目標電圧V2に追従するように出力電圧Vout、電圧V1も徐々に上昇する。この間、抵抗8、9の分圧電圧V1は開始検出電圧Vs0から標準検出電圧Vt0まで徐々に上昇する(図8のT2期間)。
なお、電圧Vdacが基準電圧生成回路10の出力基準電圧Vrefより低くなっているときには、誤差増幅回路11は、この電圧Vdacと電圧V1との差に応じた誤差増幅分の電圧を出力するが、逆に、電圧Vdacが基準電圧生成回路10の出力基準電圧Vrefより高くなるときには、誤差増幅回路11は、基準電圧生成回路10の出力基準電圧Vrefと電圧V1との差に応じた誤差増幅分の電圧を出力する(前述の図3の説明参照)。このため、基準電圧生成回路10の出力基準電圧Vrefが、例えば電圧V1の上限の限界電圧又はこの電圧に近い電圧に予め設定されている場合、制御目標電圧V2は制御標準電圧Vtyの上限となる基準電圧Vrefに制御される。このように、スイッチング電源装置1は、起動直後の時刻t2から時刻t3までの間、時間経過に伴い、制御目標電圧V2が徐々に上昇することになり、出力電圧Voutのオーバーシュートを極力防止できる。
ここで出力端子OUTの出力電圧Voutが、何らかの事象に応じて瞬間的に低下した場合について考慮する。例えば、出力端子OUTに接続される負荷15のインピーダンス値が急激に変動したり、出力端子OUTに異物が接触し、グランドなどに短絡したりする場合について考慮する。
例えば、図8に示す時刻t4において、出力端子OUTの出力電圧Voutが低下した場合を考慮する(図8(a)〜図8(c)の電圧V1参照)。ソフトスタート制御部14の主制御部20は、図5に示すように、入力電圧検出回路17bの分圧電圧Vin1と、電圧Vref1とをコンパレータ40により比較し、出力電圧検出回路17の分圧電圧Vo1〜Vo3と電圧Vref1〜Vref3とをそれぞれコンパレータ41〜43により比較している。
この主制御部20がコンパレータ40〜43を用いて行う比較内容を、入力電圧Vin、及び、出力電圧Voutに比例する電圧V1をベースとして記載した図8に照らし合わせて説明する。コンパレータ40による比較内容は、入力電圧Vinが入力電圧範囲VH1、VH2の何れの範囲に存在するか否かを判定することに相当する。また、コンパレータ41〜43による比較処理は、出力電圧Voutに対応する電圧V1をソフトスタート閾値電圧Vt1〜Vt3とそれぞれ比較することに相当する。閾値電圧Vt1〜Vt3は、図5に示す電圧Vref2〜Vref4に対応して予め設定される電圧であり、出力電圧Voutが図6に示す何れの出力電圧範囲VA、VB、VC、VDに存在しているか否かの判断閾値となるソフトスタート閾値電圧として用いられる。電圧V1は出力電圧Voutに比例する電圧であるため、以下では、電圧V1とソフトスタート閾値電圧Vt1〜Vt3との関係を使用して説明する。
定常状態においては、基準電圧生成回路10の出力基準電圧Vref(=制御標準電圧Vty)が制御目標電圧V2となる(図8のT3期間)。または、このとき制御目標電圧V2>基準電圧生成回路10の出力基準電圧Vref、となっていても良い。このとき、入力電圧Vinは電圧範囲VH1内にあり、電圧V1は標準検出電圧Vt0にほぼ安定化されることになり、出力電圧Voutは図6に示す電圧範囲VA内にある。この間、図7(a)、図7(b)に示すように、論理回路44は、リセット信号RSTとしてノンアクティブレベル「0」を出力し、信号RSTA1、RSTA2としてORゲート26、25に「L」を出力する。このとき、DACコア24は、カウント部23の出力に応じた制御目標電圧V2を出力することになる。
その後、何らかの異常を生じたときに、出力電圧Voutが低下すると電圧V1も低下する。このとき、電圧V1がソフトスタート閾値電圧Vt1以下又は未満(出力電圧Voutが電圧範囲VAとVBの境界以下又は未満)となると、ソフトスタート制御部14は、DACコア24に入力されるカウント部23の出力を変更制御し出力電圧Vdacを低下させることで、電圧V2を再開始電圧Vrs1、Vrs2、Vrs3に段階的に設定する(図8(a)〜図8(c)の時刻t4参照)。再開始電圧Vrs1〜Vrs3は、本実施形態ではVrs1>Vrs2>Vrs3の関係にある。
例えば、図8(a)に示すように、出力電圧Voutが範囲VAから範囲VB以下に低下したときであっても入力電圧Vinが電圧範囲VH1内にあり、電圧V1がソフトスタート閾値電圧Vt1〜Vt2の範囲となるときには、コンパレータ41〜43のうちコンパレータ41のみが「L」を出力し、コンパレータ42、43が共に「H」を出力する。このとき、論理回路44は、図7(b)に示すように、リセット信号RSTとしてアクティブレベル「1」をパルス状に出力し、信号RSTA1、RSTA2としてORゲート26、25に「H」を出力する。
この結果、カウント部23のカウント結果は一旦リセットされるが、DACコア24の上位2ビット入力にはORゲート26、25の出力「H」が入力される。このため、DACコア24は、その出力電圧Vdacとして、基準電圧Vref(≒制御標準電圧Vty)のほぼ3/4の電圧を再開始電圧Vrs1として出力する。そして、その後、カウント部23が再度カウントアップし始めたとしても、DACコア24の上位2ビット入力が「H」で固定されているため、カウント部23の上位2ビットに対応したDFF37、38のQ出力は無効化され、その下位ビットのみが有効化してカウント開始されることになる。したがって、DACコア24は、再開始電圧Vrs1を基準として徐々に出力電圧Vdacを上昇させることになる(図8(a)のT5期間参照)。そして、DACコア24は、その出力電圧Vdacを制御標準電圧Vtyに至るまで上昇させると、制御目標電圧V2は基準電圧Vrefに安定化される(図8(a)のT6期間参照)。
また、例えば、図8(b)に示すように、出力電圧Voutが低下したときであっても入力電圧Vinが電圧範囲VH1内にあり、電圧V1が閾値電圧Vt2〜Vt3の範囲(出力電圧Voutは範囲VC)となるときには、コンパレータ41〜43のうちコンパレータ41及び42が「L」を出力し、コンパレータ43が「H」を出力する。このとき、論理回路44は、図7に示すように、リセット信号RSTとしてアクティブレベル「1」をパルス状に出力し、信号RSTA1としてORゲート25に「L」を出力し、信号RSTA2としてORゲート26に「H」を出力する。
この結果、カウント部23のカウント結果は一旦リセットされるが、DACコア24の上位1ビット入力にはORゲート26の出力「H」が入力される。このため、DACコア24は、その出力電圧Vdacとして、基準電圧Vref(≒制御標準電圧Vty)のほぼ1/2の電圧を再開始電圧Vrs2として出力する。そして、その後、カウント部23が再度カウントアップし始めたとしても、DACコア24の上位1ビット入力が「H」で固定されているため、カウント部23の上位1ビットに対応したDFF38のQ出力は無効化され、その下位ビットのみが有効化してカウントされることになる。したがって、DACコア24は、再開始電圧Vrs2を基準として徐々に出力電圧Vdacを上昇させることになる(図8(b)のT5期間参照)。そして、DACコア24は、その出力電圧Vdacを制御標準電圧Vtyに至るまで上昇させると、制御目標電圧V2は基準電圧Vrefに安定化される(図8(b)のT6期間参照)。
また、例えば、図8(c)に示すように、出力電圧Voutが低下したときであっても入力電圧Vinが電圧範囲VH1内にあり、電圧V1が閾値電圧Vt3〜Vt4の範囲(出力電圧Voutは範囲VD)となるときには、コンパレータ41〜43が共に「L」を出力する。このとき、論理回路44は、図7に示すように、リセット信号RSTとしてアクティブレベル「1」をパルス状に出力し、信号RSTA1、RSTA2としてORゲート26、25に共に「L」を出力する。
この結果、カウント部23のカウント結果は一旦リセットされると共に、ORゲート26、25の入力も共に「L」となるため、DACコア24の全入力ビットにはカウント部23のカウント結果が入力される。このため、DACコア24は、その出力電圧Vdacとして制御開始電圧Vcs(例えば≒0V)を再開始電圧Vrs3として出力する。そして、その後、カウント部23が再度カウントアップし始めたとしても、カウント部23のDFF33〜38による全ビットが有効化されDACコア24に入力される。
したがって、DACコア24は、再開始電圧Vrs3となる制御開始電圧Vcsを基準として徐々に出力電圧Vdacを上昇させることになる(図8(c)のT5期間参照)。そして、DACコア24は、その出力電圧Vdacを制御標準電圧Vtyに至るまで上昇させると、制御目標電圧V2は基準電圧Vrefに安定化される(図8(c)のT6期間参照)。
また、図9に示すように、時刻t3aのタイミングにおいて入力電圧Vinが低下したとしても当該入力電圧Vinの範囲が電圧範囲VH1内にある場合、且つ、電圧V1がソフトスタート閾値電圧Vt1に達せず又は当該Vt1を下回らなければ、図9に示すように、主制御部20はDACコア24の出力電圧Vdacを最大値(基準電圧Vref≒制御標準電圧Vty)として一定のまま保持する(図9の期間T3)。これにより、制御目標電圧V2を変更しない。このような制御が行われることになる。
以上説明したように、本実施形態によれば、ソフトスタート制御部14は、出力電圧検出回路17の出力電圧V1が標準検出電圧Vt0と開始検出電圧Vs0との間のソフトスタート閾値電圧Vt1,Vt2,Vt3に達したことを条件として、出力電圧検出回路17の出力電圧V1に応じてDACコア24の出力電圧Vdac(=V2)を制御する。
このとき、ソフトスタート制御部14は、出力電圧検出回路17の出力電圧V1に応じて、誤差増幅回路11に与えられる電圧V2を主回路16の目標出力電圧に対応した制御標準電圧Vtyと主回路16の制御開始電圧Vcsとの間の再開始電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3に制御する。このため出力電圧Voutが低下した後でもソフトスタートを実行することができる。これにより突入電流を抑制できる。これにより、突入電流に伴うオーバーシュートを防止できる。この結果、素子破壊などの不具合を防止できる。
ソフトスタート制御部14は、段階的に再開始電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3を制御しているため、段階的に再開始電圧を制御しない場合に比較して、出力電圧Voutの復帰までの時間を調整することができる。
ソフトスタート制御部14は、その主制御部20内に論理回路44を備え、この論理回路44は、出力電圧Voutの分圧電圧Vo1〜Vo3が段階的に分割された複数電圧範囲VA,VB,VC,VDの何れに存在するか判定し、主制御部20は、この論理判定結果に応じて、DACコア24に入力される再カウントスタート値を例えばORゲート26,25を用いて変更制御することで、DACコア24を通じて制御目標電圧V2(=Vdac)の再開始電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3を制御できる。このため、出力電圧Voutが瞬時的に低下した後においてもソフトスタートを実行できる。これにより、突入電流の上昇を抑制でき、突入電流の上昇に伴うオーバーシュートを防止できる。
また、主制御部20は、例えばORゲート26,25を用いて、DACコア24の再カウントスタート値を複数の異なる値に設定可能になっているので、再開始電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3を複数異な値に設定でき、アナログ回路を用いることなく再開始電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3を設定できる。
(変形例)
図10(a)〜図10(c)及び図11は変形例を概略的に示している。例えば図4に示す主制御部20は発振部22内のスイッチ31及び32をオンオフ制御することでクロック信号CKの出力周波数(周期)を変更することができる。すなわち、主制御部20は、発振部22内のインバータ27の入出力端子に接続される並列抵抗28及び29の合成抵抗値を調整することで発振周波数を制御できるため、クロック信号CKの出力周期を調整することができる。これにより、カウント部23のカウント周期を調整できる。図10(a)に示すカウント部23のカウントアップ周期を標準カウント周期Tc1としたときに、制御目標電圧V2を制御開始電圧Vcsから制御標準電圧Vtyまで上昇させるために時間Td1だけかかる。
主制御部20が、カウント部23のカウントアップ周期を調整し、カウント周期Tc1よりカウント周期Tc2を短くしたとき、制御目標電圧V2を制御開始電圧Vcsから制御標準電圧Vtyまで上昇させるためには時間Td1よりも短い時間Td2だけしかかからない。これにより、出力電圧Voutの上昇度を上げることができる。
逆に、主制御部20が、カウント部23のカウントアップ周期を調整し、カウント周期Tc1よりカウント周期Tc3を長くしたとき、制御目標電圧V2を制御開始電圧Vcsから制御標準電圧Vtyまで上昇させるためには時間Td1より長い時間Td3だけかかる。これにより、出力電圧Voutの上昇度を下げることができる。
本変形例によれば、主制御部20は、発振部22の生成クロック信号CKの周波数(周期)を、制御信号SW1〜SW2を用いてスイッチ31、32をオンオフ切換えすることで変更設定できるため、再開始電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3から制御標準電圧Vtyまで電圧V2を上昇させるステップ時間を制御できる。これにより、電圧V2の上昇度を調整できる。
図11は発振部の別の形態を示す。図11に示すように、発振部22に替わる発振部122は、主発振器122aと、DFF133〜137のQB端子を次段のDFF134〜138のクロック信号CKに縦続接続すると共にそれぞれのDFF133〜138のQB端子をD入力にフィードバック接続して構成された分周回路131と、この分周回路131の各DFF133〜138の何れかのQ出力を前述実施形態のカウント部23にクロック信号CKとして選択出力するマルチプレクサ132と、を備える。
主発振器122aは、所定周波数に固定された発振信号を分周回路131にクロック信号CKaとして出力する。分周回路131は、このクロック信号CKaを分周して出力し、クロック信号CKaを2倍、4倍、8倍、…、2n−1倍に周期を大きくし、マルチプレクサ132に出力する。マルチプレクサ132は、主制御部20の制御信号に応じてこれらの分周クロック信号のうち何れかをクロック信号CKとして選択出力する。これにより、クロック信号CKの周期を大小調整することができる。この結果、出力電圧Voutの上昇度を調整することができる。この場合における各ノードの信号波形は図10(a)〜図10(c)と同様である。
このような変形例によれば、マルチプレクサ132は、分周回路131により分周された後の信号をクロック信号CKとして選択出力するため、カウンタ部23はこの選択出力されたクロック信号CKを入力することになる。これにより、主制御部20は、再開始電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3から制御標準電圧Vtyまで電圧V2を上昇させるステップ時間を制御できる。これにより、制御目標電圧V2の上昇度を調整できる。
(第2実施形態)
図12及び図13は第2実施形態を示す。図12に示すソフトスタート制御部114は第1実施形態で説明した図4のソフトスタート制御部14に対応して示している。この図12に示すソフトスタート制御部114が図4に示すソフトスタート制御部14の構成と異なるところは、D/Aコンバータ21に替えて、ORゲート26及び25の構成を省いたD/Aコンバータ21aを用いているところにある。また、図12に示す主制御部20は、再開始信号RSTA1,RSTA2をD/Aコンバータ21aに出力せず、リセット信号RSTのみをカウント部23に出力している。
この場合、前述実施形態では、出力電圧Voutが標準電圧(標準目標電圧)から低下したときに、主制御部20は、DACコア24の出力電圧Vdac(=電圧V2)の再開始電圧を電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3の3段階に調整したが、本実施形態の場合、主制御部20は、図13に示すように、DACコア24の出力電圧Vdac(=電圧V2)の再開始電圧を一つの段階(例えば電圧Vrs1,Vrs2,Vrs3のうち最低電圧となる電圧Vrs3(=制御開始電圧Vcs))に調整する。このような場合であっても前述実施形態と同様の作用効果を奏する。
(他の実施形態)
前述実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形又は拡張が可能である。
昇圧型、降圧型、昇降圧型の何れのスイッチング制御装置に適用しても良い。主制御部20は、抵抗47〜52を用いた出力電圧検出回路17により分圧電圧Vo1〜Vo3を生成し、この分圧電圧Vo1〜Vo3を電圧Vref2〜Vref4とそれぞれ比較する形態を示したが、抵抗8、9による出力電圧検出回路17の出力電圧V1を入力し、対応する電圧Vref1〜Vref3とそれぞれ比較する形態に適用しても良い。出力電圧Voutの分圧電圧を第1電圧V1等として検出する形態を示したが、出力電圧Voutに対応した第1電圧V1としては出力電圧Voutそのものであっても良い。
D/Aコンバータ21内のORゲート26,25はDACコア24の上位2ビットのデジタル入力端子DINn-1、DINn-2に接続され、主制御部20がこれらのORゲート26,25に対し再開始信号RSTA1,RSTA2を出力する形態を示したが、ORゲート26,25の他の論理ゲートが、その他のデジタル入力端子DINn-3〜DIN0に接続され、主制御部20がこれらの論理ゲートに対し、前記の再開始信号RSTA1,RSTA2に相当する信号を出力する形態に適用することもできる。また、ORゲート25、26を用いた例を示したが、他の論理ゲートを用いて構成しても良い。
前述した電圧の上下関係は逆であっても良い。すなわち、前述実施形態では、スイッチング電源装置1は、その出力電圧Voutを第1レベルとなる例えば正電圧に上昇制御する形態に適用し、何らかの異常を生じた時に第2レベル(0V)方向に向けて下降する場合について説明したが、出力電圧Voutを第1レベルとなる例えば負電圧に下降制御する形態に適用し、何らかの異常を生じたときに例えば第2レベル(0V)方向に向けて上昇したときに再度下降させるときにソフトスタート制御する場合にも適用できる。これらのことは詳細に説明するまでもないことである。
前述実施形態では、「以下」、「以上」を用いて電圧の境界を説明した部分もあるが、これらに替えてそれぞれ「未満」、「超える」に相当する制御、処理を行うようにしても良い。
発振部22は、主制御部20の制御信号SW1、SW2に応じて発振周波数を制御可能に構成したが、発振部22に替えて、図11に示した発振周波数を制御不能な主発振器122aの構成を前述の「発振部」として用いて構成しても良い。
出力端子OUTが何らかの影響に応じてグランドに短絡した後、電圧復帰したときにも前述実施形態の構成を適用することにより、出力電圧Voutを安定的に復帰させることができる。
図面中、1はスイッチング電源装置、2はゲートドライバ(駆動回路)、11は誤差増幅回路、12は発振回路、14はソフトスタート制御部、16は主回路、17は出力電圧検出回路、20は主制御部、22、122は発振部、23はカウンタ部、24はDACコア、44は論理回路、122aは主発振器、131は分周回路、Vt0は標準検出電圧、Vs0は開始検出電圧、Vt1,Vt2,Vt3はソフトスタート閾値電圧、Vtyは制御標準電圧、Vrefは基準電圧(制御標準電圧)、Vrs1,Vrs2,Vrs3は再開始電圧、Vinは入力電圧、Voutは出力電圧、を示す。

Claims (7)

  1. スイッチング素子とコイルとを有し駆動信号の変化に応じて前記コイルに流れる電流を調整し電圧を出力する主回路(16)と、
    前記主回路の出力電圧(Vout)に対応した第1電圧(V1,Vo1,Vo2,Vo3,Vout)を出力する出力電圧検出回路(17)と、
    前記出力電圧検出回路の第1電圧と前記主回路の制御目標電圧に対応した第2電圧(V2)との差に応じた誤差信号を出力する誤差増幅回路(11)と、
    発振信号を出力する発振回路(12)と、
    前記発振回路の発振信号と前記誤差増幅回路の誤差信号とが比較された比較結果に応じて前記スイッチング素子に前記駆動信号を出力する駆動回路(2)と、
    前記出力電圧検出回路の第1電圧が標準検出電圧(Vt0)と開始検出電圧(Vs0)との間のソフトスタート閾値電圧(Vt1、Vt2、Vt3)に達したことを条件として、前記出力電圧検出回路の第1電圧に応じて、前記誤差増幅回路に与えられる第2電圧を前記主回路の目標出力電圧に対応した制御標準電圧(Vty,Vref)と前記主回路の制御開始電圧(Vcs)との間の再開始電圧(Vrs1、Vrs2、Vrs3)に制御するソフトスタート制御部(14、114)と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 請求項1記載のスイッチング電源装置において、
    前記ソフトスタート制御部(14)は、前記第2電圧の再開始電圧(Vrs1、Vrs2、Vrs3)を段階的に制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
  3. 請求項1または2記載のスイッチング電源装置において、
    通常制御時における前記主回路の目標出力電圧に対応した基準電圧(Vref)を前記制御標準電圧として生成する基準電圧生成回路(10)とを備え、
    前記ソフトスタート制御部(14、114)は、前記第2電圧が前記再開始電圧から前記基準電圧まで変化するステップ時間を制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
  4. 請求項1記載のスイッチング電源装置において、
    前記ソフトスタート制御部(14、114)は、
    前記出力電圧検出回路の第1電圧が段階的に分割された複数範囲のいずれに存在するか判定する論理回路(44)と、クロック信号(CK、CKa)を生成する発振部(22、122)と、前記発振部のクロック信号をカウントするカウンタ部(23)と、前記カウンタ部のカウント結果によるデジタル信号に応じてD/A変換するDACコア(24)と、主制御部(20)と、を備え、
    前記主制御部(20)は、前記論理回路(44)の論理判定結果に応じて、前記DACコア(24)に入力される前記カウンタ部(23)の再カウントスタート値を変更制御することで前記DACコア(24)を通じて前記第2電圧の再開始電圧(Vrs1、Vrs2、Vrs3)を生成して制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
  5. 請求項4記載のスイッチング電源装置において、
    前記ソフトスタート制御部(14)の主制御部(20)は、前記カウンタ部(23)の再カウントスタート値を複数の異なる値に設定可能であることを特徴とするスイッチング電源装置。
  6. 請求項4または5記載のスイッチング電源装置において、
    前記ソフトスタート制御部(14、114)の主制御部(20)は、前記発振部(22)により生成されるクロック信号(CK)の周波数を変更設定可能に構成されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
  7. 請求項4または5記載のスイッチング電源装置において、
    前記発振部(122)は、クロック信号(CKa)を生成する主発振器(122a)と、前記主発振器(122a)のクロック信号(CKa)を分周する分周回路(131)と、を備え、
    前記カウンタ部(23)は、前記分周回路により分周された後のクロック信号(CK)をカウントすることを特徴とするスイッチング電源装置。
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