JP2017224924A - スイッチング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電圧の生じる出力端子が接地電位と短絡される地絡状態が継続した場合でも、定格値よりも高い電流が継続して流れることを抑制し、スイッチング電源装置の劣化等を抑制することのできるスイッチング制御装置を提供する。
【解決手段】スイッチング素子をオフとさせることによりコイルに流れるコイル電流を制限して過電流保護を行う電流制限部と、スイッチング電源装置の出力電圧が生じる出力端が接地電位と短絡する短絡状態を検知すると、前記スイッチング素子をオフに維持して出力をシャットダウンさせるモードへ移行させ、その後、前記スイッチング素子のスイッチングを再開させる自己復帰モードへ移行させることを繰り返す短絡保護部と、を備え、前記短絡保護部は、前記短絡状態が所定回数検知されると、前記電流制限部により前記コイル電流を制限する過電流保護レベルを低く変更するスイッチング制御装置としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング制御装置に関する。

従来、ＤＣ／ＤＣコンバータ等のスイッチング電源装置において、出力電圧が生じる出力端子が接地電位と短絡される所謂地絡が生じた場合、過電流保護や短絡保護を行うものが様々に開発されている（過電流保護については例えば特許文献１参照）。

このような従来のスイッチング電源装置の中には、出力端子の接地電位との短絡を検出するとスイッチングを停止して出力をシャットダウンさせるモードに移行し、その後、再起動してスイッチングを再開させる自己復帰型と呼ばれる装置が存在する。再起動した際は、過電流保護によって電流は制限される。

特開２０１０−１１０１３３号公報

しかしながら、上記のような従来の自己復帰型のスイッチング電源装置では、過電流保護を行う電流レベルは定格値（推奨動作値）より高い値としており、地絡状態が継続した場合、出力をシャットダウンさせるモードと再起動とが繰り返され、再起動のたびに定格値より高い電流が流れる状態となる。この場合、スイッチング電源装置の劣化または破壊を招く虞があった。

上記状況に鑑み、本発明は、出力電圧の生じる出力端子が接地電位と短絡される地絡状態が継続した場合でも、定格値よりも高い電流が継続して流れることを抑制し、スイッチング電源装置の劣化等を抑制することのできるスイッチング制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係るスイッチング制御装置は、スイッチング素子と、コイルと、を有するスイッチング電源装置に用いられるスイッチング制御装置であって、
前記スイッチング素子をオフとさせることにより前記コイルに流れるコイル電流を制限して過電流保護を行う電流制限部と、
前記スイッチング電源装置の出力電圧が生じる出力端が接地電位と短絡する短絡状態を検知すると、前記スイッチング素子をオフに維持して出力をシャットダウンさせるモードへ移行させ、その後、前記スイッチング素子のスイッチングを再開させる自己復帰モードへ移行させることを繰り返す短絡保護部と、を備え、
前記短絡保護部は、前記短絡状態が所定回数検知されると、前記電流制限部により前記コイル電流を制限する過電流保護レベルを低く変更する構成としている（第１の構成）。

また、上記第１の構成において、前記短絡保護部は、前記短絡状態が生じると起動して第１クロック信号をカウントし、カウント結果に基づく第１カウント信号を出力することにより前記短絡状態を検知する第１カウンタと、
前記短絡状態が生じると起動して前記第１カウント信号をカウントし、前記第１カウント信号を所定数カウントすると、その旨を示す検出信号を出力することで前記過電流保護レベルを変更する第２カウンタと、を有することとしてもよい（第２の構成）。

また、上記第２の構成において、前記第２カウンタは、複数の順次接続されるＤフリップフロップを有し、１段目の前記Ｄフリップフロップのクロック端子には、前記第１カウント信号が入力されることとしてもよい（第３の構成）。

また、上記第３の構成において、前記短絡保護部は、前記出力電圧に基づく電圧と基準電圧とが入力されるコンパレータを更に有し、前記各Ｄフリップフロップのリセット端子は、前記コンパレータの出力端に接続されることとしてもよい（第４の構成）。

また、上記第２〜第４のいずれかの構成において、前記電流制限部は、前記検出信号に応じてオンオフを切替えられるスイッチと、
定電流が流される経路に配置され、前記スイッチにより両端間を接続される抵抗素子を含んだ抵抗部と、
前記抵抗部の一端に生じる電圧と、前記コイル電流の検出信号に基づく電圧とが入力されるコンパレータと、を有することとしてもよい（第５の構成）。

また、上記第５の構成において、前記第２カウンタは、複数の前記検出信号を出力し、
前記電流制限部は、複数の前記スイッチおよび複数の前記抵抗素子を含んだ前記抵抗部を有することとしてもよい（第６の構成）。

また、上記第６の構成において、前記第２カウンタは、複数の順次接続されるＤフリップフロップを有し、
１段目の前記Ｄフリップフロップのクロック端子には、前記第１カウント信号が入力され、
少なくとも一部の前記Ｄフリップフロップの各Ｑ出力端子の出力に一対一に対応して前記検出信号は出力されることとしてもよい（第７の構成）。

また、上記第２〜第７のいずれかの構成において、前記短絡保護部は、前記第１カウント信号に基づいて起動して第２クロック信号をカウントし、カウント結果に基づく第２カウント信号を出力することにより前記自己復帰モードへ移行させる第３カウンタを更に有することとしてもよい（第８の構成）。

また、上記第８の構成において、前記短絡保護部は、前記出力電圧に基づく電圧と基準電圧とが入力されるコンパレータと、インバータと、前記コンパレータの出力と前記インバータの出力とが入力されるＡＮＤ回路と、を更に有し、
前記第１カウンタは、複数の順次接続される第１Ｄフリップフロップを有し、
前記第３カウンタは、複数の順次接続される第２Ｄフリップフロップを有し、
１段目の前記第１Ｄフリップフロップのクロック端子には、前記第１クロック信号が入力され、
前記ＡＮＤ回路の出力端は、前記各第１Ｄフリップフロップのリセット端子に接続され、
最終段の前記第１ＤフリップフロップのＱ出力端子から前記第１カウント信号が出力され、
１段目の前記第２Ｄフリップフロップのクロック端子には、前記第２クロック信号が入力され、
前記各第２Ｄフリップフロップのリセット端子には、前記第１カウント信号が入力され、
最終段の前記第２ＤフリップフロップのＱ出力端子から前記第２カウント信号が出力され、
前記インバータの入力端には、前記第２カウント信号が入力される、こととしてもよい（第９の構成）。

また、上記第１〜第９のいずれかの構成において、前記短絡保護部は、前記短絡状態が前記所定回数検知されると、異常を示すエラー信号を装置外部へ出力することとしてもよい（第１０の構成）。

また、本発明の別態様に係るスイッチング電源装置は、上記いずれかの構成としたスイッチング制御装置を備えることとしている。

また、本発明の別態様に係る車載用電子機器は、上記構成のスイッチング電源装置を備えることとしている。

本発明によると、出力電圧の生じる出力端子が接地電位と短絡される地絡状態が継続した場合でも、定格値よりも高い電流が継続して流れることを抑制し、スイッチング電源装置の劣化等を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の構成を示す図である。 電流制限部の一構成例を示す図である。 電流制限動作を説明するためのタイミングチャートである。 短絡保護部の一構成例を示す図である。 短絡保護部の動作例を示すタイミングチャートである。 短絡保護部の動作例に関するフローチャートである。 カウンタの動作を説明するためのタイミングチャートである。 短絡回数カウンタの変形例を示す構成図である。 電流制限部の変形例を示す構成図である。 各種表示装置が車両に搭載される様子の一例を示す外観図である。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

＜スイッチング電源装置の全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の構成を示す図である。図１に示すスイッチング電源装置２０は、入力電圧Ｖｉｎを降圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成して出力する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータである。スイッチング電源装置２０は、スイッチング制御装置１と、出力段１５と、を備えている。

スイッチング制御装置１は、上側スイッチング素子２と、下側スイッチング素子３と、駆動制御部４と、オシレータ５と、スロープ電圧生成部６と、エラーアンプ７と、電流制限部８と、ソフトスタート部９と、短絡保護部１０と、を有し、これらの各構成要素を１チップに集積化した半導体装置（ＩＣ）である。また、スイッチング制御装置１は、外部との電気的接続を確立するための外部端子Ｔ１〜Ｔ５も有している。

出力段１５は、各々ディスクリートな素子であるコイルＬ１、出力コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、および抵抗Ｒ２を含んでいる。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴで構成される上側スイッチング素子２のソースには、外部端子Ｔ１を介して入力電圧Ｖｉｎが印加される。上側スイッチング素子２のドレインは、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴで構成される下側スイッチング素子３のドレインに接続される。下側スイッチング素子３のソースは、接地電位の印加端に接続される。なお、上側スイッチング素子をｎチャネルＭＯＳＦＥＴで構成する場合は、別途、ブートストラップ用のコンデンサ等が必要となる。

上側スイッチング素子２と、下側スイッチング素子３との接続点は、外部端子Ｔ２を介してコイルＬ１の一端に接続される。コイルＬ１の他端は、出力コンデンサＣ１の一端に接続される。出力コンデンサＣ１の他端は、接地電位の印加端に接続される。コイルＬ１と出力コンデンサＣ１との接続点は出力端子Ｔｏに接続され、出力端子Ｔｏに出力電圧Ｖｏｕｔが生じる。

出力端子Ｔｏと接地電位の印加端との間には、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２が直列に接続される。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点は、外部端子Ｔ３を介してエラーアンプ７の反転入力端（−）に接続される。外部端子Ｔ３には、出力電圧Ｖｏｕｔを抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分圧して生成される帰還電圧Ｖｆｂが生じる。従って、エラーアンプ７の反転入力端には、帰還電圧Ｖｆｂが印加される。

エラーアンプ７の一方の非反転入力端（＋）には、基準電圧Ｖｒｅｆ１が印加される。エラーアンプ７の他方の非反転入力端（＋）には、ソフトスタート部９によって生成されるソフトスタート電圧Ｖｓｓが印加される。

ソフトスタート部９は、外部端子Ｔ４を介して外付けの設定用コンデンサＣ２が接続される。ソフトスタート部９は、例えば、起動時にコンデンサＣ２に定電流を流す制御を行うことで設定用コンデンサＣ２を充電し、充電によってコンデンサＣ２に生じる電圧をソフトスタート電圧Ｖｓｓとして生成する。設定用コンデンサＣ２の容量値を設定することで充電時のソフトスタート電圧Ｖｓｓの上昇速度を設定し、ソフトスタート時間を設定できる。ソフトスタート電圧Ｖｓｓは、上昇によって基準電圧Ｖｒｅｆ１を上回った後に一定となる。

エラーアンプ７は、基準電圧Ｖｒｅｆ１とソフトスタート電圧Ｖｓｓのうち低い方の電圧と帰還電圧Ｖｆｂとの差分を増幅し、誤差電圧ＥＲＲとして電流制限部８に出力する。スロープ電圧生成部６は、オシレータ５が出力するクロック信号ＣＫに同期して生成する鋸歯状の電圧に、コイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬの検出信号を加算することでスロープ電圧ＳＬＰを生成し、電流制限部８に出力する。

電流制限部８は、誤差信号ＥＲＲとスロープ電圧ＳＬＰに基づいて駆動制御部４に制御信号Ｓｃｒを出力することでコイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬを制限し、出力電圧Ｖｏｕｔを一定となるよう制御する。また、電流制限部８は、過電流を検出して電流制限を行う過電流保護機能も有している。電流制限部８の詳細については後述する。

駆動制御部４は、オシレータ５が所定周期で出力するクロック信号ＣＫと電流制限部８からの制御信号Ｓｃｒに基づいて上側スイッチング素子２および下側スイッチング素子３のゲートを駆動することで、各スイッチング素子をオンオフ制御する。上側スイッチング素子２および下側スイッチング素子３は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によってスイッチングされる。

短絡保護部１０は、帰還電圧Ｖｆｂに基づいて出力端子Ｔｏの接地電位との短絡（地絡）を検出し、出力をシャットダウンしたり、その後、再起動を行なったりする回路である。また、短絡保護部１０は、地絡状態が継続したことを検出すると、異常を示すエラー信号Ｓｅを外部端子Ｔ５を介して外部へ出力する機能も有する。短絡保護部１０の詳細については後述する。

＜電流制限部の構成＞
図２は、電流制限部８の具体的な構成を示す図である。電流制限部８は、電圧・電流変換回路８１と、定電流回路８２と、電圧・電流変換回路８３と、コンパレータ８４と、スイッチ８５と、抵抗Ｒ８１〜Ｒ８４と、を有している。

抵抗Ｒ８１の一端には、電源電圧Ｖ８１が印加される。抵抗Ｒ８１の他端は、電圧・電流変換回路８１の一端に接続される。電圧・電流変換回路８１の他端は、接地電位の印加端に接続される。電圧・電流変換回路８１は、エラーアンプ７から出力される誤差電圧ＥＲＲを、当該電圧に応じた大きさの電流Ｉｔｈに変換する。抵抗Ｒ８１と電圧・電流変換回路８１との接続点Ｐ１は、コンパレータ８４の一方の非反転入力端（＋）に接続される。従って、電流Ｉｔｈが流れることによる抵抗Ｒ８１における電圧降下によって接続点Ｐ１に生じる電圧Ｖｔｈがコンパレータ８４の非反転入力端に印加される。

抵抗Ｒ８２の一端には、電源電圧Ｖ８２が印加される。抵抗Ｒ８２と抵抗Ｒ８３は直列に接続され、抵抗Ｒ８３の一端は定電流回路８２の一端に接続される。定電流回路８２の他端は、接地電位の印加端に接続される。定電流回路８２は、過電流検出用に所定の一定電流Ｉｏｃｐを流す回路である。抵抗Ｒ８３と定電流回路８２との接続点Ｐ２は、コンパレータ８４の他方の非反転入力端（＋）に接続される。抵抗Ｒ８３の両端間に接続されるトランジスタであるスイッチ８５は、短絡保護部１０に含まれる後述する検出出力部１０６Ｂによってオンオフを切替えられる。従って、通常時にスイッチ８５はオフであり、電流Ｉｏｃｐが流れることによる抵抗Ｒ８２および抵抗Ｒ８３における電圧降下によって接続点Ｐ２に生じる電圧Ｖｏｃｐがコンパレータ８４の非反転入力端に印加される。

抵抗Ｒ８４の一端には、電源電圧Ｖ８３が印加される。抵抗Ｒ８４の他端は、電圧・電流変換回路８３の一端に接続される。電圧・電流変換回路８３の他端は、接地電位の印加端に接続される。電圧・電流変換回路８３は、スロープ電圧生成部６から出力されるスロープ電圧ＳＬＰを、当該電圧に応じた大きさの電流Ｉｓｌｐに変換する。抵抗Ｒ８４と電圧・電流変換回路８３との接続点Ｐ３は、コンパレータ８４の反転入力端（−）に接続される。従って、電流Ｉｓｌｐが流れることによる抵抗Ｒ８４における電圧降下によって接続点Ｐ３に生じる電圧Ｖｓｌｐがコンパレータ８４の反転入力端に印加される。

コンパレータ８４は、電圧Ｖｔｈと電圧Ｖｏｃｐのうち高い方の電圧を電圧Ｖｓｌｐと比較し、比較結果としての制御信号Ｓｃｒを駆動制御部４に出力する。

図３は、電流制限部８の動作の一例を示すタイミングチャートである。図３に示すように、まずクロック信号ＣＫが立ち上がると（タイミングｔ１）、駆動制御部４はセットされて上側スイッチング素子２をオン、下側スイッチング素子３をオフとする。これにより、上側スイッチング素子２と下側スイッチング素子３との接続点のスイッチング電圧ＳＷ（図１）はＨｉｇｈレベルとなる。それと共に、コイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬは上昇を開始する。

クロック信号ＣＫの立ち上がりをトリガとしてスロープ電圧生成部６は鋸歯状の電圧の生成を開始し、コイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬの検出信号を加算するので、スロープ電圧ＳＬＰは上昇し、これに応じて電圧Ｖｓｌｐは低下する。通常時は、誤差信号ＥＲＲに応じた電圧Ｖｔｈは、電圧Ｖｏｃｐよりも高い。電圧Ｖｓｌｐが低下によって電圧Ｖｔｈに達すると（タイミングｔ２）、制御信号ＳｃｒはＨｉｇｈレベルに立ち上がる。

駆動制御部４は、制御信号Ｓｃｒの立ち上がりによってリセットされ、上側スイッチング素子２をオフ、下側スイッチング素子３をオンとする。これにより、スイッチング電圧ＳＷは立ち下がり、コイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬは低下する。制御信号Ｓｃｒの立ち上がりをトリガとしてスロープ電圧生成部６は、鋸歯状の電圧をリセットするので、スロープ電圧ＳＬＰは急に減少してから緩やかに減少する。これに応じて、電圧Ｖｓｌｐは、急に上昇してから緩やかに上昇する。従って、制御信号Ｓｃｒは立ち上がり後、すぐにＬｏｗレベルに立ち下がる。その後、クロック信号ＣＫが立ち上がると（タイミングｔ３）、再び上側スイッチング素子２がオンとされてコイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬが上昇し、以降上記の動作と同様となる。

このように、帰還電圧Ｖｆｂに基づいて生成された誤差信号ＥＲＲに応じた電圧ＶｔｈによってコイルＬ１に流れる電流が制限され、上側スイッチング素子２のオンデューティが調整されることで出力電圧Ｖｏｕｔが一定となるよう制御される。ソフトスタート電圧Ｖｓｓが基準電圧Ｖｒｅｆ１以下となる起動時は、帰還電圧Ｖｆｂがソフトスタート電圧Ｖｓｓと一致するように制御され、ソフトスタート電圧Ｖｓｓが基準電圧Ｖｒｅｆ１を上回った定常時は、帰還電圧Ｖｆｂが基準電圧Ｖｒｅｆ１と一致するように制御される。

＜短絡保護部について＞
図４は、短絡保護部１０の具体的な構成を示す図である。図４に示すように短絡保護部１０は、コンパレータ１０１と、ＡＮＤ回路１０２と、インバータ１０３と、ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ１０４と、自己復帰モード移行カウンタ１０５と、短絡回数カウンタ１０６と、を有している。

コンパレータ１０１の反転入力端（−）には、帰還電圧Ｖｆｂが印加され、非反転入力端（＋）には、基準電圧Ｖｒｅｆ２が印加される。

ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ１０４は、出力端子Ｔｏが地絡した状態の場合に出力をシャットダウンさせるＨＩＣＣＵＰモードへ移行するためのカウンタであり、オシレータ１０４Ａと、順次接続される複数のＤフリップフロップ１０４Ｂと、を含んでいる。

１段目のＤフリップフロップ１０４Ｂのクロック端子にはオシレータ１０４Ａが出力するクロック信号が入力される。最終段を除くＤフリップフロップ１０４Ｂは、それぞれ自己のＱバー出力端子とＤ端子とが短絡されると共に、自己のＱバー出力端子が次段のＤフリップフロップ１０４Ｂのクロック端子に接続される。最終段のＤフリップフロップ１０４Ｂは、Ｑバー出力端子とＤ端子とが短絡されると共に、Ｑ出力端子からの出力がカウント信号ＣＴ１となる。

自己復帰モード移行カウンタ１０５は、ＨＩＣＣＵＰモードの後に再起動させる自己復帰モードへ移行するためのカウンタであり、オシレータ１０５Ａと、順次接続される複数のＤフリップフロップ１０５Ｂと、を含んでいる。

１段目のＤフリップフロップ１０５Ｂのクロック端子にはオシレータ１０５Ａが出力するクロック信号が入力される。最終段を除くＤフリップフロップ１０５Ｂは、それぞれ自己のＱバー出力端子とＤ端子とが短絡されると共に、自己のＱバー出力端子が次段のＤフリップフロップ１０５Ｂのクロック端子に接続される。最終段のＤフリップフロップ１０５Ｂは、Ｑバー出力端子とＤ端子とが短絡されると共に、Ｑ出力端子からの出力がカウント信号ＣＴ２となる。

カウント信号ＣＴ１は、自己復帰モード移行カウンタ１０５に含まれる各Ｄフリップフロップ１０５Ｂのリセット端子に入力される。カウント信号ＣＴ２はインバータ１０３に入力される。ＡＮＤ回路１０２の一方の入力端にはコンパレータ１０１の出力が入力され、他方の入力端にはインバータ１０３の出力が入力される。

短絡回数カウンタ１０６は、カウント信号ＣＴ１をカウントすることで短絡回数をカウントするカウンタであり、順次接続される複数のＤフリップフロップ１０６Ａと、検出出力部１０６Ｂと、を含んでいる。

１段目のＤフリップフロップ１０６Ａのクロック端子にはカウント信号ＣＴ１が入力される。最終段を除くＤフリップフロップ１０６Ａは、それぞれ自己のＱバー出力端子とＤ端子とが短絡されると共に、自己のＱバー出力端子が次段のＤフリップフロップ１０６Ａのクロック端子に接続される。最終段のＤフリップフロップ１０６Ａでは、Ｑバー出力端子がＤ端子に短絡されており、Ｑ出力端子からの出力であるカウント信号ＣＴ３がセット信号として検出出力部１０６Ｂに入力される。コンパレータ１０１の出力は、リセット信号として検出出力部１０６Ｂに入力される。コンパレータ１０１の出力は、各Ｄフリップフロップ１０６Ａのリセット端子に入力される。

検出出力部１０６Ｂは、カウント信号ＣＴ１（即ち短絡回数）を所定回数カウントしたことを検出した検出信号ＤＥＴ１を出力する。検出信号ＤＥＴ１は、図２に示すように電流制限部８に含まれるスイッチ８５をオンオフさせる信号として出力される。また、検出出力部１０６Ｂは、検出信号ＤＥＴ１と同等の信号であるエラー信号Ｓｅを外部端子Ｔ５（図１）を介して外部へ出力もする。

ここで、Ｄフリップフロップを複数順次接続して構成されるカウンタの動作について、便宜上、３つのＤフリップフロップが接続された例を挙げて図７を用いて説明する。図７に示すタイミングチャートは、上段から順に、１段目のＤフリップフロップのクロック端子に入力されるクロック信号ＣＬＫ、１段目のＤフリップフロップのＱ出力端子の出力信号Ｑｏｕｔ１、２段目のＤフリップフロップのＱ出力端子の出力信号Ｑｏｕｔ２、および３段目のＤフリップフロップのＱ出力端子の出力信号Ｑｏｕｔ３の各波形例を示す。最終段である３段目のＤフリップフロップのＱ出力端子からの出力信号Ｑｏｕｔ３はクロック信号ＣＬＫを４つカウントしたところでＨｉｇｈレベルへ立ち上がっており、出力信号Ｑｏｕｔ３をカウント信号とすることができる。Ｄフリップフロップを接続する個数によってカウント数を調整することができる。

同様の原理により、ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ１０４および自己復帰モード移行カウンタ１０５については、カウント信号ＣＴ１およびＣＴ２をクロック信号のカウント結果として用いることができ、短絡回数カウンタ１０６については、カウント信号ＣＴ３をカウント信号ＣＴ１のカウント結果として用いることができる。

次に、短絡保護部１０の動作について図５のタイミングチャート、および図６のフローチャートを参照して説明する。図５のタイミングチャートは、上段から順に、出力電流Ｉｏｕｔ、コイルＬ１に流れるコイル電流ＩＬ、出力電圧Ｖｏｕｔ、カウント信号ＣＴ１、カウント信号ＣＴ２、および検出信号ＤＥＴ１（エラー信号Ｓｅ）の各波形例を示す。

出力端子Ｔｏが接地電位と短絡する地絡が生じたときに図６に示すフローチャートが開始される。このとき、図５に示すように出力電圧Ｖｏｕｔがほぼ０Ｖまで低下する。出力電圧Ｖｏｕｔの低下によって出力電圧Ｖｏｕｔが所定の短絡保護電圧閾値を下回ると（図５のタイミングｔ１１、図６のステップＳ１のＹ）、帰還電圧Ｖｆｂが基準電圧Ｖｒｅｆ２を下回るので、コンパレータ１０１の出力がＨｉｇｈレベルに立ち上がる。すると、ＡＮＤ回路１０２の出力がＨｉｇｈレベルに立ち上がるので、各Ｄフリップフロップ１０４Ｂのリセットが解除され、ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ１０４においてオシレータ１０４Ａの出力するクロック信号のカウントが開始される（ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ１０４の起動）。このとき、各Ｄフリップフロップ１０６Ａのリセットが解除され、短絡回数カウンタ１０６においてカウント信号ＣＴ１のカウントが開始される（短絡回数カウンタ１０６の起動）。検出信号ＤＥＴ１はＬｏｗレベルであるので、電流制限部８におけるスイッチ８５はオフであり、抵抗Ｒ８３は有効となっている。

このとき、地絡状態によってコイル電流ＩＬには過電流が生じるが、電流制限部８において電圧Ｖｔｈが電圧Ｖｏｃｐよりも低くなるので（図３でＶｏｃｐとＶｔｈが上下逆の関係）、電圧Ｖｓｌｐが電圧Ｖｏｃｐに達したタイミングにて上側スイッチング素子２がオフとされ、コイル電流ＩＬが過電流保護レベル（ＯＣＰレベル）Ｔｈｏｃｐ１で制限される（図５）。

ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ１０４がクロック信号を所定数カウントすると、カウント信号ＣＴ１がＨｉｇｈレベルに立ち上がる（図５のタイミングｔ１２）。これにより、地絡状態が検知される。これを受けて、駆動制御部４は、上側スイッチング素子２および下側スイッチング素子３ともにスイッチングを停止させ、オフを維持させる。これにより、出力がシャットダウンされるＨＩＣＣＵＰモードへ移行される（図６のステップＳ２）。このとき、コイル電流ＩＬはゼロまで低下する。

カウント信号ＣＴ１はＨｉｇｈレベルとなるが、短絡回数カウンタ１０６はカウント信号ＣＴ１を所定数Ｎだけ未だカウントはしていない（図６のステップＳ３のＮ）。

また、カウント信号ＣＴ１がＨｉｇｈレベルとなることにより、各Ｄフリップフロップ１０５Ｂのリセットが解除され、自己復帰モード移行カウンタ１０５はオシレータ１０５Ａの出力するクロック信号のカウントを開始する（自己復帰モード移行カウンタ１０５の起動）。そして、自己復帰モード移行カウンタ１０５がクロック信号を所定数カウントするとカウント信号ＣＴ２がＨｉｇｈレベルに立ち上がる（図５のタイミングｔ１３）。これを受けて、駆動制御部４は上側スイッチング素子２および下側スイッチング素子３のスイッチングを再開させ、ソフトスタート部９は動作を開始する。これにより、再起動が行われる自己復帰モードへ移行される（図６のステップＳ５）。このとき、図５に示すように、コイル電流ＩＬは、ソフトスタートにより制限されつつ、定常状態に至ると過電流保護レベルＴｈｏｃｐ１によって制限される。

カウント信号ＣＴ２がＨｉｇｈレベルとなると、インバータ１０３の出力がＬｏｗレベルとなるので、ＡＮＤ回路１０２の出力がＬｏｗレベルとなり、各Ｄフリップフロップ１０４Ｂはリセットされる。これにより、カウント信号ＣＴ１はＬｏｗレベルとなる。すると、各Ｄフリップフロップ１０５Ｂはリセットされ、カウント信号ＣＴ２はＬｏｗレベルとなる。即ち、カウント信号ＣＴ２はＨｉｇｈレベルに立ち上がった後、すぐにＬｏｗレベルに立ち下がる。

すると、インバータ１０３の出力がＨｉｇｈレベルとなるので、コンパレータ１０１の出力がＨｉｇｈレベルであれば、ＡＮＤ回路１０２の出力がＨｉｇｈレベルとなり、ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ１０４はクロック信号のカウントを開始する（ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ１０４の起動）。そして、所定数のカウントが行われるとカウント信号ＣＴ１はＨｉｇｈレベルに立ち上がる（図５のタイミングｔ１４）。すると、先述と同様に、出力がシャットダウンされるＨＩＣＣＵＰモードへ移行される。以降、ＨＩＣＣＵＰモードと自己復帰モードが繰り返される。

即ち、図６のステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ５が繰り返され、短絡回数カウンタ１０６がカウント信号ＣＴ１を所定数Ｎだけカウントすると（ステップＳ３のＹ）、カウント信号ＣＴ３がＨｉｇｈレベルに立ち上がる。これにより、検出出力部１０６Ｂはセットされ、Ｈｉｇｈレベルに立ち上げた検出信号ＤＥＴ１を出力する（図５のタイミングｔ１５）。以降、検出出力部１０６Ｂはリセットされるまで検出信号ＤＥＴ１をＨｉｇｈレベルに保持させる。

検出信号ＤＥＴ１がＨｉｇｈレベルとなるので、電流制限部８におけるスイッチ８５がオンとされ、抵抗Ｒ８３はバイパスされて無効となる。これにより、抵抗Ｒ８２とＲ８３との合成抵抗値から抵抗Ｒ８２のみの抵抗値へ減少するので、抵抗における電圧降下が小さくなり、電圧Ｖｏｃｐは上昇する。従って、以降、自己復帰モードへ移行するたびに、コイル電流ＩＬは、過電流保護レベルＴｈｏｃｐ１よりも低く変更された過電流保護レベルＴｈｏｃｐ２によって制限される（図５のタイミングｔ１６〜ｔ１７、ｔ１８〜ｔ１９、図６のステップＳ４）。

また、検出信号ＤＥＴ１がＨｉｇｈレベルとなると、エラー信号Ｓｅも同様にＨｉｇｈレベルとなって外部へ出力される。これにより、短絡状態が継続している異常状態を外部へ報知することができる。なお、スイッチング制御装置１に例えばＴＳＤ（Thermal Shut Down）部と、上記エラー信号ＳｅとＴＳＤ部の異常出力信号が入力されるＯＲ回路とを設け、ＯＲ回路の出力信号をエラー出力信号として外部へ出力してもよい。これにより、短絡が継続した状態と過熱状態の少なくともいずれかの異常が生じれば、ＯＲ回路のエラー出力信号がＨｉｇｈレベルとなり、外部へ異常状態を報知できる。

その後、地絡状態が解除されると（ステップＳ１のＮ）、コンパレータ１０１の出力がＬｏｗレベルとなる。これにより、駆動制御部４は、スイッチングを行う通常動作へ移行する（図６のステップＳ６）。このとき、短絡回数カウンタ１０６の各Ｄフリップフロップ１０６Ａはリセットされ、検出出力部１０６Ｂもリセットされて検出信号ＤＥＴ１（エラー信号Ｓｅ）をＬｏｗレベルとする。これにより、電流制限部８におけるスイッチ８５がオフとなり、抵抗Ｒ８３は有効となる。従って、過電流保護レベルがＴｈｏｃｐ１へリセットされる（過電流保護レベルが高く戻される）。

また、ＡＮＤ回路１０２の出力がＬｏｗレベルとなるので、ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ１０４の各Ｄフリップフロップ１０４Ｂがリセットされてカウンタ信号ＣＴ１がＬｏｗレベルとなり、自己復帰モード移行カウンタ１０５の各Ｄフリップフロップ１０５Ｂもリセットされる。

このように本実施形態によれば、出力端子Ｔｏが接地電位と短絡する地絡状態が生じた場合にＨＩＣＣＵＰモードと自己復帰モードが繰り返され、初めは自己復帰モードのときに定格値よりも高い過電流保護レベルＴｈｏｃｐ１によってコイル電流ＩＬは制限される。しかしながら、地絡状態が継続すると、過電流保護レベルがＴｈｏｃｐ１から定格値以下のＴｈｏｃｐ２へ低く変更されるので、定格値より高い電流が流れ続けることは抑制される。従って、スイッチング制御装置１（半導体装置）の劣化や破壊を抑制することができる。

＜変形例について＞
次に、上述した実施形態の一変形例について説明する。図８は、上述した図４に示す短絡保護部１０における短絡回数カウンタ１０６の変形例を示す構成図である。また、図９は、上述した図２に示す電流制限部８の変形例を示す構成図である。

図８に示す変形例に係る短絡回数カウンタ１０６１は、複数順次接続されるＤフリップフロップ１０６１Ａと、検出出力部１０６１Ｂと、を有している。１段目のＤフリップフロップ１０６１Ａのクロック端子には、カウント信号ＣＴ１が入力される。そして、１段目より後で最終段よりも前の段の少なくとも１つのＤフリップフロップ１０６１ＡのＱ出力端子からの出力が検出出力部１０６１Ｂへ入力される。また、最終段のＤフリップフロップ１０６１ＡのＱ出力端子からの出力も検出出力部１０６１Ｂへ入力される。検出出力部１０６１Ｂは、各Ｑ出力端子からの各出力に一対一に対応して検出信号ＤＥＴ１〜ＤＥＴｎを出力する。

また、図９に示す変形例に係る電流制限部８０１は、電圧・電流変換回路８１と、定電流回路８２と、電圧・電流変換回路８３と、コンパレータ８４と、スイッチ８５１〜８５ｎと、抵抗Ｒ８１、Ｒ８２と、抵抗Ｒ８３１〜Ｒ８３ｎと、抵抗Ｒ８４と、を有している。

抵抗Ｒ８３１〜Ｒ８３ｎは、抵抗Ｒ８２と定電流回路８２との間に直列接続される。抵抗Ｒ８３１〜Ｒ８３ｎのそれぞれの両端間には、トランジスタであるスイッチ８５１〜８５ｎが接続される。検出出力部１０６１Ｂからの各検出信号ＤＥＴ１〜ＤＥＴｎは、それぞれスイッチ８５１〜８５ｎをオンオフさせる。

このような構成によれば、出力端子Ｔｏが接地電位と短絡する地絡が生じた場合、カウント信号ＣＴ１のカウント数が増えるごとに、順次、前段側のＤフリップフロップ１０６１ＡのＱ出力端子からＨｉｇｈレベルに立ち上がった出力が検出出力部１０６１Ｂに入力される。これにより、検出出力部１０６１Ｂは、順次、検出信号ＤＥＴ１〜ＤＥＴｎをＨｉｇｈレベルに立ち上げて保持しつつ出力する。

従って、電流制限部８０１において、スイッチ８５１〜８５ｎが順次オフからオンへ切替わってゆく。これにより、抵抗Ｒ８３１〜Ｒ８３ｎが順次バイパスされて無効とされ、抵抗値は徐々に低下する。よって、電圧Ｖｏｃｐは徐々に上昇する。従って、自己復帰モードへ移行するときのコイル電流ＩＬが制限される過電流保護レベルが徐々に低くなる。

即ち、このような実施形態によれば、地絡状態が継続すると、徐々に過電流保護レベルが低く変更され、なるべく電流を流しながらも、定格値より高い電流が流れ続けることを抑制できる。

なお、この場合、検出信号ＤＥＴ１〜ＤＥＴｎの少なくともいずれかをエラー信号Ｓｅとして外部へ出力するようにしてもよい。

＜車両への適用＞
上述した実施形態に係るスイッチング制御装置を含めたスイッチング電源装置は、特には車両に搭載される各種電子機器へ適用することが好適である。スイッチング電源装置の劣化や破壊を抑制できる上記の技術は、自動車の電気／電子に関する機能安全についての国際規格であるＩＳＯ２６２６２なども策定されている状況では重要となる。

地絡状態が生じた場合に完全に出力を停止させるのではなく、自己復帰モードによって動作を継続する本実施形態に係るスイッチング電源装置は、例えば、動作を継続させる必要性の高い例えば図１０に示すような車載用の各種表示装置Ｘ（液晶ディスプレイ等）に適用することが好適である。例えば、表示装置Ｘに含まれるマイコンやＬＥＤへの電源供給に用いることができる。表示装置Ｘは、車両の運転席前方のダッシュボードに設けられ、例えば、カーナビゲーション情報、車両後方の撮像画像、スピードメータ、タコメータ、燃料計、燃費計、シフトポジション等の各種画像を表示し、ユーザに様々な情報を伝えることが可能である。

＜その他＞
なお、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

例えば、本発明のスイッチング電源装置は、上述したような降圧型に限らず、昇圧型や昇降圧型などにも適用可能である。

本発明は、例えば車載用のスイッチング電源装置に利用することができる。

１ スイッチング制御装置
２ 上側スイッチング素子
３ 下側スイッチング素子
４ 駆動制御部
５ オシレータ
６ スロープ電圧生成部
７ エラーアンプ
８ 電流制限部
９ ソフトスタート部
１０ 短絡保護部
１５ 出力段
２０ スイッチング電源装置
８１ 電圧・電流変換回路
８２ 定電流回路
８３ 電圧・電流変換回路
８４ コンパレータ
８５ スイッチ
Ｒ８１〜Ｒ８４ 抵抗
１０１ コンパレータ
１０２ ＡＮＤ回路
１０３ インバータ
１０４ ＨＩＣＣＵＰモード移行カウンタ
１０４Ａ オシレータ
１０４Ｂ Ｄフリップフロップ
１０５ 自己復帰モード移行カウンタ
１０５Ａ オシレータ
１０５Ｂ Ｄフリップフロップ
１０６ 短絡回数カウンタ
１０６Ａ Ｄフリップフロップ
１０６Ｂ 検出出力部
８０１ 電流制限部
８５１〜８５ｎ スイッチ
Ｒ８３１〜Ｒ８３ｎ 抵抗
１０６１ 短絡回数カウンタ
１０６１Ａ Ｄフリップフロップ
１０６１Ｂ 検出出力部
Ｔ１〜Ｔ５ 外部端子
Ｌ１ コイル
Ｃ１ 出力コンデンサ
Ｃ２ 設定用コンデンサ
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
Ｔｏ 出力端子
Ｘ 表示装置

Claims (12)

1. スイッチング素子と、コイルと、を有するスイッチング電源装置に用いられるスイッチング制御装置であって、
   前記スイッチング素子をオフとさせることにより前記コイルに流れるコイル電流を制限して過電流保護を行う電流制限部と、
   前記スイッチング電源装置の出力電圧が生じる出力端が接地電位と短絡する短絡状態を検知すると、前記スイッチング素子をオフに維持して出力をシャットダウンさせるモードへ移行させ、その後、前記スイッチング素子のスイッチングを再開させる自己復帰モードへ移行させることを繰り返す短絡保護部と、を備え、
   前記短絡保護部は、前記短絡状態が所定回数検知されると、前記電流制限部により前記コイル電流を制限する過電流保護レベルを低く変更することを特徴とするスイッチング制御装置。
2. 前記短絡保護部は、
   前記短絡状態が生じると起動して第１クロック信号をカウントし、カウント結果に基づく第１カウント信号を出力することにより前記短絡状態を検知する第１カウンタと、
   前記短絡状態が生じると起動して前記第１カウント信号をカウントし、前記第１カウント信号を所定数カウントすると、その旨を示す検出信号を出力することで前記過電流保護レベルを変更する第２カウンタと、を有することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング制御装置。
3. 前記第２カウンタは、複数の順次接続されるＤフリップフロップを有し、
   １段目の前記Ｄフリップフロップのクロック端子には、前記第１カウント信号が入力されることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング制御装置。
4. 前記短絡保護部は、前記出力電圧に基づく電圧と基準電圧とが入力されるコンパレータを更に有し、
   前記各Ｄフリップフロップのリセット端子は、前記コンパレータの出力端に接続されることを特徴とする請求項３に記載のスイッチング制御装置。
5. 前記電流制限部は、
   前記検出信号に応じてオンオフを切替えられるスイッチと、
   定電流が流される経路に配置され、前記スイッチにより両端間を接続される抵抗素子を含んだ抵抗部と、
   前記抵抗部の一端に生じる電圧と、前記コイル電流の検出信号に基づく電圧とが入力されるコンパレータと、を有することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載のスイッチング制御装置。
6. 前記第２カウンタは、複数の前記検出信号を出力し、
   前記電流制限部は、複数の前記スイッチおよび複数の前記抵抗素子を含んだ前記抵抗部を有することを特徴とする請求項５に記載のスイッチング制御装置。
7. 前記第２カウンタは、複数の順次接続されるＤフリップフロップを有し、
   １段目の前記Ｄフリップフロップのクロック端子には、前記第１カウント信号が入力され、
   少なくとも一部の前記Ｄフリップフロップの各Ｑ出力端子の出力に一対一に対応して前記検出信号は出力されることを特徴とする請求項６に記載のスイッチング制御装置。
8. 前記短絡保護部は、前記第１カウント信号に基づいて起動して第２クロック信号をカウントし、カウント結果に基づく第２カウント信号を出力することにより前記自己復帰モードへ移行させる第３カウンタを更に有することを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか１項に記載のスイッチング制御装置。
9. 前記短絡保護部は、前記出力電圧に基づく電圧と基準電圧とが入力されるコンパレータと、インバータと、前記コンパレータの出力と前記インバータの出力とが入力されるＡＮＤ回路と、を更に有し、
   前記第１カウンタは、複数の順次接続される第１Ｄフリップフロップを有し、
   前記第３カウンタは、複数の順次接続される第２Ｄフリップフロップを有し、
   １段目の前記第１Ｄフリップフロップのクロック端子には、前記第１クロック信号が入力され、
   前記ＡＮＤ回路の出力端は、前記各第１Ｄフリップフロップのリセット端子に接続され、
   最終段の前記第１ＤフリップフロップのＱ出力端子から前記第１カウント信号が出力され、
   １段目の前記第２Ｄフリップフロップのクロック端子には、前記第２クロック信号が入力され、
   前記各第２Ｄフリップフロップのリセット端子には、前記第１カウント信号が入力され、
   最終段の前記第２ＤフリップフロップのＱ出力端子から前記第２カウント信号が出力され、
   前記インバータの入力端には、前記第２カウント信号が入力される、ことを特徴とする請求項８に記載のスイッチング制御装置。
10. 前記短絡保護部は、前記短絡状態が前記所定回数検知されると、異常を示すエラー信号を装置外部へ出力することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のスイッチング制御装置。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のスイッチング制御装置を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
12. 請求項１１に記載のスイッチング電源装置を備えることを特徴とする車載用電子機器。

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