JP2017051054A - レギュレータ - Google Patents

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考生 齋藤
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Abstract

【課題】ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させる。
【解決手段】レギュレータは、出力先に生じた過電流を検知する過電流検知部を備える。また、過電流検知部が過電流を検知した場合、レギュレータの動作の停止と起動とを繰り返すヒカップモードに移行させる制御部と、ヒカップモードにおいて、出力電圧を緩やかに立ち上げるためのソフトスタート電圧の発生源の放電と充電とを繰り返すソフトスタート部と、出力電圧に基づいてフィードバックされたフィードバック電圧と、ソフトスタート電圧との差分に応じた電圧を出力するエラーアンプと、ソフトスタート電圧がフィードバック電圧よりも高い場合、異常状態であると判断する異常検知部とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、レギュレータに関する。
従来、エラーアンプに入力される基準電圧を、0Vから基準電圧まで徐々に立ち上げるソフトスタート回路と、エラーアンプの入力を監視し、出力端子の出力ショート時、ソフトスタート回路を再度、ソフトスタートさせるソフトスタートリセット回路とを備えるレギュレータが提案されている(例えば、特許文献1)。このソフトスタートリセット回路は、エラーアンプの入力に平行して設置されるコンパレータと、コンパレータの入力にオフセットを与えるオフセット電圧と、コンパレータの比較結果に従ってオンオフし、出力ショート時にオンしてコンデンサをディスチャージするNPNトランジスタとを備える。そのほかにも、レギュレータにおいてオーバーシュートを防ぐための様々な技術が提案されている(特許文献2、3等)。
また、スイッチング電源回路を並列運転する場合において、ヒカップモードにおける過電流保護動作の再起動を行うタイミングを揃える技術が提案されている(例えば、特許文献4)。
特開2012−59050号公報 特開2014−3850号公報 特開2011−152023号公報 特開2003−169471号公報
過電流保護のためのヒカップ方式と、ソフトスタート機能とを採用したレギュレータが存在する。具体的には、(1)過電流が検知されると、(2)レギュレータの動作を停止させるとともにソフトスタートのためのキャパシタを放電させ、(3)その後レギュレータの動作を再起動させるとともにキャパシタの充電を開始する。このようにすれば、レギュレータが動作を停止している期間の損失を低減することができる。また、レギュレータの起動時に、キャパシタの電圧の上昇に伴い電圧がなだらかに上昇するようになるため、過大な突入電流やオーバーシュートを防止することができる。
しかしながら、レギュレータを再起動させ、キャパシタの充電が進んだ状態(すなわち、ソフトスタートの基準となる電圧が上昇し始めた状態)においてショートが解除された場合、ソフトスタートの制御が機能せず、オーバーシュートが発生してしまうという問題があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることを目的とする。
本発明に係るレギュレータは、出力先に生じた過電流を検知する過電流検知部を備える。また、過電流検知部が過電流を検知した場合、レギュレータの動作の停止と起動とを繰り返すヒカップモードに移行させる制御部と、ヒカップモードにおいて、出力電圧を緩や
かに立ち上げるためのソフトスタート電圧の発生源の放電と充電とを繰り返すソフトスタート部と、出力電圧に基づいてフィードバックされたフィードバック電圧と、ソフトスタート電圧との差分に応じた電圧を出力するエラーアンプと、ソフトスタート電圧がフィードバック電圧よりも高い場合、異常状態であると判断する異常検知部とを備える。
ヒカップモードにおいては、レギュレータの停止と起動を周期的に繰り返すことによって損失を低減させることができる。また、レギュレータの停止と起動に合わせて、ソフトスタート電圧も放電と充電とを繰り返すところ、ソフトスタート電圧の充電が進行した状態で例えば出力先のショートが解除されると、ソフトスタートが機能しないおそれがある。そこで、本発明に係るレギュレータは、ソフトスタート電圧がフィードバック電圧よりも高い場合に異常状態であると判断する。このようにすれば、ソフトスタートが機能しないおそれのある異常状態を特定することができるため、様々な対処をすることができ、ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることができるようになる。
また、レギュレータは、ソフトスタート部は、ヒカップモードにおいて放電と充電とが繰り返されるキャパシタを含み、異常検知部が異常状態であると判断した場合、ソフトスタート部は、キャパシタの充電電流を増大させるようにしてもよい。このようにすれば、速やかにキャパシタの充電を行い、その後、放電する状態に遷移することができる。異常状態が続く期間を短縮することができるため、ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることができるようになる。
また、レギュレータは、異常検知部が異常状態であると判断した場合、エラーアンプは、レギュレータの動作を停止させるための所定値を出力するようにしてもよい。このようにすれば、レギュレータの動作中に出力先のショートが解除されることを防ぐことができ、ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることができるようになる。
また、レギュレータは、異常検知部が異常状態であると判断した場合、過電流検知部は、過電流を検知するための閾値を、ソフトスタート電圧とフィードバック電圧との差に応じて変更するようにしてもよい。なお、過電流と検知するための閾値を小さくすることで、急激に再起動電圧が立ち上がることが抑制される。また、ソフトスタート電圧とフィードバック電圧との差が大きいほど、過電流を検知するための閾値が小さくなるように変更してもよい。
また、異常検知部は、ソフトスタート電圧が所定電圧より大きく、且つフィードバック電圧が所定電圧より小さい場合に、異常状態と判断するようにしてもよい。このようにすれば、ソフトスタート電圧とフィードバック電圧の大小関係だけでなく、ソフトスタート電圧の下限及びフィードバック電圧の上限を基準として、より正確な異常状態の判断ができるようになる。
なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。また、課題を解決するための手段の内容は、回路が実行する方法として提供するようにしてもよい。
ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることができる。
本実施形態にかかるレギュレータの一例を示す回路図である。 ソフトスタート時の電圧波形を示す模式的なグラフである。 比較例に係るレギュレータの一例を示す回路図である。 比較例に係るレギュレータのヒカップ動作を説明するための模式的なグラフである。 比較例に係るレギュレータのヒカップ動作を説明するための模式的なグラフである。 本実施形態に係るレギュレータの動作を説明するための模式的なグラフである。 異常状態を検知した際の処理の変形例1に係る回路図である。 変形例1に係るレギュレータの動作を説明するための模式的なグラフである。 異常状態を検知した際の処理の変形例2に係る回路図である。 異常状態を検知した際の処理の変形例3に係る回路図である。 変形例3に係るレギュレータの動作を説明するための模式的なグラフである。 異常状態を検知した際の処理の変形例4に係る回路図である。
以下、添付図面を参照して説明する。図面に本発明の好ましい実施形態を示すが、本発明は多くの異なる形態で実施することが可能であり、本明細書に記載する実施形態には限定されない。
<レギュレータの構成>
図1は、本実施形態にかかるレギュレータ(スイッチングレギュレータ)の一例を示す回路図である。レギュレータは、入力端子に入力された電圧(Vin)を昇圧又は降圧させて所定の電圧を生成し、出力端子から出力する。なお、出力電圧をVoutとする。入力端
子から出力端子への経路上には、抵抗器R1、スイッチSW1、コイルL1が直列に接続されている。抵抗器R1は、電流値測定用の抵抗であり、その両端には過電流検知回路(Over Current Protection)OCPが並列に接続されている。過電流検知回路OCPは、
抵抗器R1の両端にかかる電圧が所定の閾値以上である場合に、過電流が流れていると判断する。抵抗器R1及び過電流検知回路OCPを、本発明に係る過電流検知部(図1:破線の角丸長方形11)とも呼ぶものとする。
スイッチSW1は、トランジスタ等のスイッチング素子であり、例えば汎用ICで形成されるロジックドライバLDとも接続されている。また、スイッチSW1は、ロジックドライバLDによって開閉が制御され、レギュレータの出力のデューティ比を変更することができる。なお、ロジックドライバLDは、過電流検知回路OCPとも接続され、過電流が検知された場合、レギュレータの動作の停止と起動とを周期的に繰り返すヒカップ制御を行う。コイルL1は、スイッチSW1が閉じられる(オンになる)と自己誘導を起こしつつエネルギーが蓄積される。また、スイッチSW1が開かれる(オフになる)と自己誘導起電力が発生し、エネルギーが放出される。ロジックドライバLDを、本発明に係る制御部(図1:破線の角丸長方形12)とも呼ぶ。
また、スイッチSW1とコイルL1との間には、ダイオードD1のカソードが接続されている。一方、ダイオードD1のアノードは、接地されている。また、コイルL1の出力端子側の一端には、キャパシタC1の一端が接続されている。一方、キャパシタC1の他端は、接地されている。同様に、コイルL1の出力端子側には、抵抗器R2及び抵抗器R3が直列に接続されている。なお、抵抗器R3の他端は接地されている。そして、レギュレータの出力電圧Voutは、抵抗器R2及び抵抗器R3によって抵抗分割され、オペアン
プOP1の反転入力端子にフィードバックされる。オペアンプOP1は、エラーアンプとも呼ぶものとする。また、オペアンプOP1の反転入力端子に入力される電圧を、フィードバック電圧FBと呼ぶものとする。
オペアンプOP1は、その出力端子がロジックドライバLDと接続されている。また、オペアンプOP1の非反転入力端子には、所定の大きさの基準電圧Vrefと、ソフトスタ
ート制御の基準となるソフトスタート電圧SSとのうち低い方の電圧が利用されるものとする。なお、オペアンプOP1の基準電圧Vrefは、入力端子の電圧からツェナーダイオ
ード等を用いて生成する。ソフトスタート電圧SSは、オペアンプOP1の非反転入力端子に接続されたキャパシタC2の電圧になっている。また、キャパシタC2は、所定の電源とグラウンドの間に設けられた2つの定電流源I1及びI2の間に接続されている。よって、キャパシタC2は、定電流で充電され、その電圧は時間に比例して上昇する。なお、キャパシタC2と定電流源I1との間には、スイッチSW2が接続されている。また、キャパシタC2と定電流源I2との間には、スイッチSW3が接続されている。スイッチSW2及びSW3はロジックドライバLDと接続され、ロジックドライバLDによってスイッチSW2及びSW3の開閉が制御される。すなわち、ロジックドライバLDによって、キャパシタC2の充電及び放電が制御される。
図2は、ヒカップ動作における起動時にソフトスタートが実行された場合の電圧の波形を模式的に示すグラフである。図2に示すように、レギュレータの出力電圧Voutは、基
準電圧Vrefとソフトスタート電圧SSとのうち低い方を基準として生成される。すなわ
ち、レギュレータが時刻t1において起動すると、時刻t2までの立ち上がりの期間においては、出力電圧Voutは、低い方のソフトスタート電圧SSに追従した波形となってい
る。また、時刻t2以降は、出力電圧Voutは、低い方の基準電圧Vrefに追従した波形となっている。基準電圧Vrefは、上述のようにツェナーダイオード等を用いて生成され、
立ち上がりは急峻であるが、精度よく所定の電圧を生成することができる。一方、ソフトスタート電圧SSはなだらかに上昇するため、オーバーシュートや過大な突入電流の発生を防止するために利用することができる。
なお、ソフトスタート制御の基準となるソフトスタート電圧SSを生成するためのキャパシタC2は、過電流が検知されている間、図示していないスイッチを切り替えることで、ソフトスタート電圧SSが所定の閾値以上に上昇すると放電させられ、ソフトスタート電圧SSが他の閾値以下に降下すると充電をさせられるという処理を周期的に繰り返す。なお、2つの定電流源及びキャパシタC2を、本発明に係るソフトスタート部(図1:破線の角丸長方形13)とも呼ぶものとする。
そして、本実施の形態に係るレギュレータは、オペアンプOP1の反転入力端子に入力されるフィードバック電圧FBの大きさと、オペアンプOP1の非反転入力端子に入力されるソフトスタート電圧SSの大きさとを比較するコンパレータ(比較器)CMP1を備えている。すなわち、コンパレータCMP1の一方の入力端子は、オペアンプOP1の反転入力端子と接続されており、コンパレータCMP1の他方の入力端子は、キャパシタC2及びオペアンプOP1の非反転入力端子に接続されている。
そして、過電流が検知されている(すなわち、ヒカップ動作を行っている)場合であって、フィードバック電圧FBよりもソフトスタート電圧SSの方が大きいとき、出力電圧Voutが異常状態であると判断する。ここで、異常状態とは、出力先(すなわち、出力端
子の先)のショートが解除された場合にオーバーシュートの発生を防止できないおそれがある状態をいうものとする。コンパレータCMP1の出力端子は、例えば図1に示すようにロジックドライバLDと接続され、ロジックドライバLDが、異常状態であるという判断に基づく制御を行うようにしてもよい。なお、コンパレータCMP1を、本発明に係る
異常検知部(図1:破線の角丸長方形14)とも呼ぶものとする。
<比較例>
図3は、比較例に係るレギュレータの一例を示す回路図である。比較例については、上述した実施形態と対応する構成要素には同一の符号を付し、差異を中心に説明する。図3のレギュレータは、異常検知部(すなわち、コンパレータCMP1)を備えていない点で、上述の実施形態に係るレギュレータと異なる。なお、その他の構成は同様である。
図4は、比較例に係るレギュレータのヒカップ動作を説明するための模式的なグラフである。図4のグラフは、横軸が時間を表し、縦軸が電圧を表している。期間(1)において過電流検知回路OCPが過電流を検知すると、期間(2)に示すようにロジックドライバLDはレギュレータの動作を停止させる。このとき、キャパシタC2を放電させ、ソフトスタート電圧SSが低下する。その後、期間(3)に示すように、キャパシタC2を充電させる。期間(2)では、レギュレータの動作を制しているものとする。
また、図5は、期間(3)においてレギュレータを再起動させ、キャパシタの充電が進んだ状態において出力先のショート(たとえば、グラウンドショート)が解除された場合の波形を示す模式的なグラフである。図5に示すように、ソフトスタートの基準となる電圧がある程度上昇した状態においてショートが解除されると、ソフトスタートが機能せず、オーバーシュートが発生してしまう(図5:破線の円)。
<実施形態に係るレギュレータの作用・効果>
図6は、図1に示した実施形態に係るレギュレータの動作を説明するための模式的なグラフである。図6のグラフも、横軸が時間を表し、縦軸が電圧を表している。また、図1の回路図に示したように、フィードバック電圧FBは出力電圧Voutを抵抗分割して生成
されるものであり、フィードバック電圧FBは出力電圧Voutよりも所定の大きさだけ小
さい値になっている。なお、フィードバック電圧FBは、抵抗器R2及び抵抗器R3の抵抗値によって決まるが、オペアンプOP1に帰還させる都合上、0Vまでは降下しないようになっている。また、ソフトスタート電圧SSは、キャパシタC2を放電する期間(2)の最後には0V近くまで降下し、フィードバック電圧FBを下回る。また、期間(3)においては、フィードバック電圧FBよりもソフトスタート電圧SSの方が大きくなる時点(図6:破線の円)が存在する。上述の実施形態では、このような状態を異常状態と判断するため、異常状態の後の期間(3)においてショートが解除された場合に備えた処理をすることができるようになっている。実施形態に係るレギュレータによれば、ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることができるようになる。
<変形例1>
図7は、異常状態を検知した際の処理の変形例1に係る回路図である。変形例1についても、図1に示した回路図と対応する構成要素には同一の符号を付し、差異を中心に説明する。変形例1では、コンパレータCMP1の出力に基づいて、ソフトスタート制御部の定電流源を制御するように接続されている。具体的には、ロジックドライバLDと定電流源I1とがさらに接続され、コンパレータCMP1の出力に応じて、ロジックドライバLDは、定電流源I1が出力する充電電流を増大させるように制御する。
また、図8は、変形例1に係るレギュレータの動作を説明するための模式的なグラフである。変形例1においては、過電流が検知されている場合において、フィードバック電圧FBよりもソフトスタート電圧SSの方が大きくなったとき、ソフトスタート制御部のキャパシタC2の充電電流を増大させ、上述の実施形態よりも短時間でソフトスタート電圧SSを上昇させる。したがって、ヒカップモードにおいてレギュレータが動作している期
間(3)を短縮することができ、ひいては当該期間においてショートの解除が発生する可能性を低減させることができる。すなわち、レギュレータの動作期間(3)のうち、ショートの解除によってオーバーシュートが発生する可能性があるのは、ソフトスタート電圧SSがフィードバック電圧FBを上回っている期間であるが、本変形例によれば当該期間を事実上無視できるほど短くでき、この間にショートが解除される可能性もほぼないと見做してよい。よって、変形例1に係る構成によっても、ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることができるようになる。
<変形例2>
図9は、異常状態を検知した際の処理の変形例2に係る回路図である。変形例2についても、図1に示した回路図と対応する構成要素には同一の符号を付し、差異を中心に説明する。変形例2では、コンパレータCMP1の出力端子が、過電流検知回路OCPに接続されている。そして、変形例2においては、過電流が検知されている場合において、フィードバック電圧FBよりもソフトスタート電圧SSの方が大きくなったとき、過電流検知回路OCPの過電流検知に用いる閾値(過電流検知レベルとも呼ぶ)を絞る。具体的には、過電流検知後に過電流検知レベルを変更する。このとき、ソフトスタート電圧SSとフィードバック電圧FBとの差電圧に応じて、過電流検知レベルを決定する。なお、過電流と検知するための閾値を小さくすることで、急激に再起動電圧が立ち上がることが抑制される。また、ソフトスタート電圧とフィードバック電圧との差が大きいほど、過電流を検知するための閾値が小さくなるように変更してもよい。変形例2に係る構成によっても、ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることができるようになる。
<変形例3>
図10は、異常状態を検知した際の処理の変形例3に係る回路図である。変形例3についても、図1に示した回路図と対応する構成要素には同一の符号を付し、差異を中心に説明する。変形例3の場合、コンパレータCMP1の出力によっては、オペアンプOP1の出力を所定の電圧に変更する。具体的には、過電流が検知されている場合において、フィードバック電圧FBよりもソフトスタート電圧SSの方が大きくなったとき、オペアンプOP1の出力を例えば0V(Low)にする。なお、このような処理は、ロジックドライバLDが、オペアンプOP1の出力とコンパレータCMP1の出力とに基づいて行うようにしてもよい。
図11は、変形例3に係るレギュレータの動作を説明するための模式的なグラフである。図11に示すように、フィードバック電圧FBよりもソフトスタート電圧SSの方が大きくなると、オペアンプOP1の出力EAをLowにする。これにより、変形例3に係るレギュレータは動作を停止する。変形例3に係る構成によっても、ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることができるようになる。なお、オペアンプOP1の出力EAがHighのときにレギュレータの動作を停止させる構成にしてもよい。
<変形例4>
図12は、異常状態を検知した際の処理の変形例4に係る回路図である。変形例4についても、図1に示した回路図と対応する構成要素には同一の符号を付し、差異を中心に説明する。変形例4では、異常状態の判断の基準となる基準電圧V1が、2つのコンパレータに印加される。具体的には、コンパレータCMP1の一方の入力端子には基準電圧V1が印加される。また、コンパレータCMP1の他方の入力端子には、ソフトスタート電圧SSが印加される。そして、コンパレータCMP2の一方の入力端子には、基準電圧V1が印加される。また、コンパレータCMP2の他方の入力端子にはフィードバック電圧FBが印加される。一方、コンパレータCMP1及びコンパレータCMP2の出力は、AN
Dゲートと接続されており、ANDゲートの出力はロジックドライバLDと接続されている。そして、ソフトスタート電圧SSが基準電圧V1よりも大きく、且つフィードバック電圧FBが基準電圧V1よりも小さい場合に、本変形例では異常状態であると判断される。なお、コンパレータCMP1、コンパレータCMP2及びANDゲートは、本発明における異常判定部に相当する。
変形例4の構成であっても、異常判定部においては、フィードバック電圧FBよりもソフトスタート電圧SSの方が大きい場合に異常状態であると判断している。ただし、変形例4では、異常状態の判断の基準となる基準電圧V1を用いている。したがって、単にフィードバック電圧FBよりもソフトスタート電圧SSの方が大きいだけでは異常状態と判断されず、さらにフィードバック電圧FBが所定の上限値(基準電圧V1)よりも小さく、フィードバック電圧FBが所定の下限値(基準電圧V1)よりも大きい場合に異常状態であると判断される。このようにすれば、異常状態であると判断する際の精度が向上する。変形例4に係る構成によっても、ヒカップモードで動作するレギュレータにおいてソフトスタートの実行の確実性を向上させることができるようになる。
なお、変形例4の構成は、上述した変形例1〜3と組み合わせることもできる。例えば、変形例4に示したANDゲートの出力に基づいて、変形例1に示した充電電流を増大させる処理を行うようにしてもよい。同様に、変形例4に示したANDゲートの出力に基づいて、変形例2に示した過電流検知レベルの変更処理を行うようにしてもよい。また、変形例4に示したANDゲートの出力に基づいて、変形例3に示したエラーアンプの出力変更処理を行うようにしてもよい。
<その他の変形例>
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において変更することができる。例えば、上述した回路は集積回路に搭載するようにしてもよい。
11 過電流検知部
OCP 過電流検知回路
12 制御部
LD ロジックドライバ
13 ソフトスタート部
14 異常検知部
CMP1 コンパレータ
OP1 オペアンプ(エラーアンプ)

Claims (5)

  1. 出力先に生じた過電流を検知する過電流検知部を備えるレギュレータであって、
    前記過電流検知部が過電流を検知した場合、前記レギュレータの動作の停止と起動とを繰り返すヒカップモードに移行させる制御部と、
    前記ヒカップモードにおいて、出力電圧を緩やかに立ち上げるためのソフトスタート電圧の発生源の放電と充電とを繰り返すソフトスタート部と、
    出力電圧に基づいてフィードバックされたフィードバック電圧と、前記ソフトスタート電圧との差分に応じた電圧を出力するエラーアンプと、
    前記ソフトスタート電圧が前記フィードバック電圧よりも高い場合、異常状態であると判断する異常検知部と、
    を備えるレギュレータ。
  2. 前記ソフトスタート部は、前記ヒカップモードにおいて放電と充電とが繰り返されるキャパシタを含み、
    前記異常検知部が異常状態であると判断した場合、前記ソフトスタート部は、前記キャパシタの充電電流を増大させる
    請求項1に記載のレギュレータ。
  3. 前記異常検知部が異常状態であると判断した場合、前記エラーアンプは、前記レギュレータの動作を停止させるための所定値を出力する
    請求項1に記載のレギュレータ。
  4. 前記異常検知部が異常状態であると判断した場合、前記過電流検知部は、過電流を検知するための閾値を、前記ソフトスタート電圧と前記フィードバック電圧との差に応じて変更する
    請求項1に記載のレギュレータ。
  5. 前記異常検知部は、前記ソフトスタート電圧が所定電圧より大きく、且つ前記フィードバック電圧が前記所定電圧より小さい場合に、異常状態と判断する
    請求項1から4のいずれか一項に記載のレギュレータ。
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