JP2020089095A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも制御部をＩＣ化する際に、外付け部品や端子数を増加させることなく天絡発生時の対策を行うことができるスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】スイッチング電源装置１は、入力電圧ＶｉｎをＭＯＳトランジスタ２および３、インダクタ４により出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。ＭＯＳトランジスタ２、３はパルス生成回路６からＰＷＭ信号でオンオフ制御される。出力電圧Ｖｏｕｔは誤差増幅回路７でフィードバックされる。出力端子Ｐが天絡したときに、出力高電圧検出回路８は高電圧を検出する。また、入力電圧Ｖｉｎが低い状態で高電圧を検出できなくても、ＭＯＳトランジスタ３のオン時間が長くなると、パルス時間超過検出回路９により検出する。パルス生成回路６はいずれの検出時にもＭＯＳトランジスタ３をオフさせて保護する。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。

直流電源から通電用スイッチング素子およびインダクタの直列回路を介して出力端子に給電する構成のスイッチング電源装置では、同期整流用スイッチング素子を設けてダイオード整流よりも損失を低減するようにしたものがある。

しかし、この構成においては、出力端子と直流電源との間が短絡するいわゆる天絡状態になると、出力端子の電圧を低下させるために同期整流用スイッチング素子をオンさせるように動作するので、同期整流用スイッチング素子やインダクタに過電流が流れるおそれがある。

そこで、これを防止するために、同期整流用スイッチング素子の電流を検出する構成を設け、過電流検出時に同期整流用スイッチング素子をオフさせることで保護するという構成が考えられるが、このような構成を設けることは、コストアップに繋がるという課題が残る。

特開２００９−１７１７４１号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、少なくとも制御部をＩＣ化する際に、外付け部品や端子数を増加させることなく天絡発生時の対策を行うことができるスイッチング電源装置を提供することにある。

請求項１に記載のスイッチング電源装置は、電源と出力端子との間に接続される通電用スイッチング素子（２、２１）およびインダクタ（４）の直列回路と、前記出力端子が天絡した際に、当該端子より電流が逆方向に流れる逆流経路中に配置され、少なくとも１つは同期整流を行うために用いられる１つ以上のスイッチング素子（３、２２）と、前記出力端子の電圧と目標電圧との偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅回路（７）と、前記誤差信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、前記通電用スイッチング素子に出力するパルス生成回路（６、６ａ）と、前記出力端子の電圧が閾値電圧よりも上昇すると、出力高電圧検出信号を出力する出力高電圧検出回路（８）と、前記逆流経路中に配置されているスイッチング素子に出力されるパルス生成信号の時間が閾値時間より超えると、パルス時間超過検出信号を出力するパルス時間超過検出回路（９、９ａ）と、前記出力高電圧検出信号あるいは前記パルス時間超過検出信号の少なくとも一方が出力されると、前記逆流経路中に配置されているスイッチング素子をオフさせて、電流の逆流を防止する逆流防止制御回路（６、６ａ）とを備えている。

上記構成を採用することにより、通常状態においては、パルス生成回路からのＰＷＭ信号により、通電用スイッチング素子および同期整流用スイッチング素子を交互にオンオフ駆動し、誤差増幅回路により出力電圧と目標電圧との誤差信号を生成してフィードバックすることで、出力端子に所定の出力電圧を生成させる。

そして、出力端子が入力電圧を与える電源とショートする天絡状態になると、入力電圧が高いときには、出力高電圧検出回路により閾値を超える高電圧が検出されて高電圧検出信号が出力される。これにより、逆流防止制御回路は同期整流用スイッチング素子をオフさせて大電流が流れるのを阻止する。

また、天絡状態において入力電圧が低いが、同期整流用スイッチング素子がオン状態である場合には、パルス時間超過検出回路によりオン時間が閾値時間を超えるときにパルス時間超過検出信号が出力される。これにより、逆流防止制御回路は同期整流用スイッチング素子をオフさせて大電流が流れるのを阻止する。

この結果、天絡が発生した場合には、入力電圧が高い場合も低い場合も同期整流用スイッチング素子がオン状態を継続する状態を阻止して破壊に至るのを防止することができ、外付け部品や端子数を増加させることなく天絡発生時の対策を行うことができる。

第１実施形態を示す電気的構成図 入力電圧と出力電圧の関係を示す動作説明図 天絡状態の説明図 通常入力電圧で正常時のタイムチャート 通常入力電圧で天絡時のタイムチャート 低入力電圧で正常時のタイムチャート 低入力電圧で天絡時のタイムチャート 第２実施形態を示す電気的構成図 天絡状態の説明図

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
電気的構成を示す図１において、スイッチング電源装置１は、車載バッテリなどの直流の入力電圧Ｖｉｎを所定の出力電圧Ｖｏｕｔに変換して出力端子Ｐに出力する。入力電圧Ｖｉｎを供給する電源端子はｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタ２および３を直列に介してグランドに接続される。

ＭＯＳトランジスタ２および３は、それぞれ寄生ダイオード２ａおよび３ａを備えている。ＭＯＳトランジスタ２は通電用スイッチング素子として機能し、ＭＯＳトランジスタ３は同期整流用スイッチング素子として機能する。ＭＯＳトランジスタ３の寄生ダイオード３ａは非同期整流時に順方向電流が流れる。

ＭＯＳトランジスタ２および３の共通接続点は、インダクタ４を介して出力端子Ｐに接続される。出力端子Ｐとグランドとの間にはコンデンサ５が接続される。出力端子Ｐにはスイッチング電源装置１により出力電圧Ｖｏｕｔが出力されるように制御される。

スイッチング電源装置１は、パルス生成回路６、誤差増幅回路７、出力高電圧検出回路８、パルス時間超過検出回路９が設けられると共に、２つのレギュレータ１０および１１を備えている。パルス生成回路６は、ＰＷＭ信号を生成してＭＯＳトランジスタ２および３のゲートにゲート信号を与える。

誤差増幅回路７は、出力端子Ｐの出力電圧Ｖｏｕｔを取り込み、所定電圧を出力するための参照電圧との差を演算して誤差信号をパルス生成回路６に出力する。パルス生成回路６は、誤差信号に基づいてＰＷＭ信号のパルス幅を設定する。出力電圧検出回路８は、出力電圧Ｖｏｕｔが入力され、この電圧レベルが天絡状態で発生する異常な高電圧レベルか否かを閾値電圧Ｖｔｈで判定するもので、異常が判定されると高電圧検出信号をパルス生成回路６に出力する。

パルス時間超過検出回路９は、パルス生成回路６からＭＯＳトランジスタ３のゲートに出力されるＰＷＭ信号のオン期間となるパルス幅が例えば２５μｓなどの閾値時間である所定のパルス幅Ｔｘを超える異常状態であるか否かを判定する。パルス時間超過検出回路９は、実際にはＭＯＳトランジスタ３のオン時間をカウンタにより計時しており、閾値時間に相当するパルス幅Ｔｘのカウンタ値が設定されている。パルス時間超過検出回路９は、ＭＯＳトランジスタ３のオン時間がパルス幅Ｔｘを超える異常状態を検出するとパルス時間超過検出信号をパルス生成回路６に出力する。

前述のパルス生成回路６は、逆流防止制御回路としての機能も兼ねており、出力高電圧検出信号およびパルス時間超過検出信号のうちの少なくとも一方が入力されると、ＭＯＳトランジスタ３をオフ固定する状態を保持する。そして、パルス生成回路６は、出力高電圧検出信号およびパルス時間超過検出信号のいずれも入力されない状態になると、ＭＯＳトランジスタ３のオフ固定を解除して通常のＰＷＭ制御を再開する。

２つのレギュレータ１０および１１は、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて安定した直流電圧を生成するもので、ここでは電圧精度が要求されるマイコン１４の２つの電源端子に出力される。マイコン１４の２つの電源端子は、例えばＡＤ電源あるいはＩＯ電源として要求される電圧５．０Ｖと、コア電源として要求される電圧１．０Ｖの供給を受ける。マイコン１４の２つの電源端子は、図示のようにそれぞれコンデンサ１２、１３を介してグランドに接続されている。

次に、上記構成の作用について、図２〜図７も参照して説明する。
図２は、以下に説明する各動作を概略的に示したタイムチャートで、入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔと制御モードを示している。図２（ａ）に示すように、入力電圧Ｖｉｎが通常状態では１４Ｖ程度あり、他の負荷などへの給電動作中あるいは放電による電圧低下などの低下状態では７Ｖ程度まで低下した場合を想定している。

通常状態では、スイッチング電源装置１は、ＭＯＳトランジスタ３をオンオフ制御する同期整流を実施しており、天絡が発生するとＭＯＳトランジスタ３をオフに固定した非同期整流状態に移行する。

まず、入力電圧Ｖｉｎが１４Ｖ程度の通常状態では、時刻ｔ０から実施している同期整流状態のモードに対して、時刻ｔａで天絡が発生して正常状態から異常状態に変わると、出力端子Ｐが入力電圧Ｖｉｎと同じ１４Ｖになるので、出力高電圧状態が検出され、ＭＯＳトランジスタ３がオフされる非同期整流状態のモードに移行する。

時刻ｔｂで天絡状態から正常状態に復帰すると、コンデンサ５の電荷の放電により出力電圧Ｖｏｕｔが徐々に低下してゆき、時刻ｔｃで出力電圧Ｖｏｕｔが所定電圧の６Ｖになると、出力高電圧検出回路８は出力高電圧検出信号を停止する。これにより、パルス生成回路６は、通常の制御状態に戻ってＭＯＳトランジスタ２および３にＰＷＭ信号を出力して同期整流状態のモードを再開する。

また、入力電圧Ｖｉｎが７Ｖまで下がった低下状態では、同期整流状態のモードを実施している状態で、時刻ｔｄで天絡が発生して正常状態から異常状態に変わると、出力端子Ｐが入力電圧Ｖｉｎと同じ７Ｖになる。しかし、この電圧レベルでは、出力高電圧検出回路８は出力高電圧状態を検出しないので、パルス生成回路６は同期整流状態のモードを継続する。

この状態では、パルス生成回路６は、ＭＯＳトランジスタ３をオンした後、出力電圧Ｖｏｕｔが７Ｖに固定されているので、出力電圧Ｖｏｕｔが所定レベルまで下がるまでＭＯＳトランジスタ３のオン状態を継続するように制御している。このとき、パルス時間超過検出回路９は、ＭＯＳトランジスタ３がオンした時点からの経過時間をカウントしていて、経過時間が所定時間Ｔｘを超えるか否かを判定している。

ここで、例えばＭＯＳトランジスタ３のオン状態の経過時間が所定時間Ｔｘに達する前の時刻ｔｅで天絡状態から復帰した場合には、コンデンサ５の電荷がＭＯＳトランジスタ３を通じて急速に放電されるので出力電圧ＶｏｕｔはＭＯＳトランジスタ３のオフレベルまで低下する。

これにより、パルス生成回路６は、ＭＯＳトランジスタ３をオフさせ、この後ＭＯＳトランジスタ２をオン駆動して同期整流状態のモードを継続する。このとき、ＭＯＳトランジスタ３のオン状態の経過時間が所定時間Ｔｘに達する前にオフ状態に移行するので、パルス時間超過検出回路９は、パルス時間超過検出信号を出力することはない。

一方、上記の場合と異なり、時刻ｔｆで天絡が発生し、ＭＯＳトランジスタ３のオン状態が所定時間Ｔｘを超えて継続する場合には、パルス時間超過検出回路９は、経過時間がＴｘに達した時刻ｔｇでパルス時間超過検出信号を出力する。これにより、パルス生成回路６はＭＯＳトランジスタ３をオフさせてオフ状態を保持する。

この後、時刻ｔｈで天絡状態から復帰すると、出力電圧Ｖｏｕｔが所定レベルまで低下する時刻ｔｉまで待ってから、パルス生成回路６によりＭＯＳトランジスタ２をオン駆動する。これにより同期整流状態のモードに戻り、この後は、パルス生成回路６によりＭＯＳトランジスタ２および３をＰＷＭ信号によりオンオフ制御する同期整流状態となる。

次に、スイッチング電源装置１の詳細な動作について説明する。
まず、入力電圧Ｖｉｎが車載バッテリの通常の端子電圧である１４Ｖ程度ある通常状態で、出力端子Ｐが天絡やオープン故障などが発生していない正常状態における動作について説明する。

この状態では、スイッチング電源装置１においては、パルス生成回路６は、誤差増幅回路７から与えられる誤差信号をゼロにして出力端子Ｐに所定の出力電圧として例えば６Ｖとなる出力電圧Ｖｏｕｔを出力するようにＰＷＭ信号によるゲート駆動信号を生成している。

これにより、ＭＯＳトランジスタ２および３はＰＷＭ信号に応じてオンオフ動作が開始され、入力電圧Ｖｉｎを、インダクタ４を通じて出力端子Ｐに通電する。これによって、出力端子Ｐに出力電圧Ｖｏｕｔが得られる。この出力電圧Ｖｏｕｔは誤差増幅回路７により検出され、設定すべき出力電圧６Ｖとの差分を演算して誤差信号としてパルス生成回路６に出力する。

パルス生成回路６は、さらに誤差信号のレベルがゼロとなるようにＰＷＭ信号を調整することでＭＯＳトランジスタ２および３を駆動制御する。このようにして、パルス生成回路６は、出力端子Ｐに接続されたコンデンサ５の端子電圧すなわち出力電圧Ｖｏｕｔが設定された電圧レベルの６Ｖとなるように制御している。

なお、上記の通常状態での同期整流では、ＭＯＳトランジスタ２のオフ後にＭＯＳトランジスタ３はオン駆動させることでグランド側からインダクタ４に電流を流している。これにより、寄生ダイオード３ａに通電する場合よりも電圧降下を小さくして効率を高めた降圧制御を実施することができる。

なお、出力電圧Ｖｏｕｔは、スイッチング電源装置１内の２つのレギュレータ１０および１１に取り込まれ、出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて安定した直流電圧に変換されてマイコン１４に供給される。

次に、上記の動作を図４のタイムチャートを参照して説明する。なお、図４（ａ）に示す天絡が発生していない通常状態では、図４（ｂ）に示すように、車載バッテリによる入力電圧Ｖｉｎは通常１４Ｖ程度で安定して供給されている。パルス生成回路６により生成されるＰＷＭ信号は、図４（ｄ）および（ｅ）に示すように、ＭＯＳトランジスタ２および３のゲートに対して時刻ｔ０から交互にオンオフを繰り返す信号として出力される。

これにより、図４（ｃ）に示すように、時刻ｔ０でＭＯＳトランジスタ２がオンされると、出力電圧Ｖｏｕｔは上昇し６Ｖを超えて上昇する。この後、時刻ｔ１でＭＯＳトランジスタ２がオフされ、代わってＭＯＳトランジスタ３がオンされることでインダクタ４の電流が継続的に流れながら出力電圧Ｖｏｕｔが低下していく。

そして、時刻ｔ２になるとＭＯＳトランジスタ３がオフされる、再びＭＯＳトランジスタ２がオンされる。これによって上記と同様に出力電圧Ｖｏｕｔは上昇し６Ｖを超えて上昇するようになる。以下、図示の時刻ｔ２−ｔ４間、ｔ４−ｔ６間、ｔ６−ｔ８間では、時刻ｔ０からｔ２の動作を繰り返し実施され、出力電圧Ｖｏｕｔが６Ｖを中心にして保持される状態となる。

また、上記のようにして正常に動作しているので、出力電圧Ｖｏｕｔが適正に制御されていて出力高電圧検出回路８による高電圧の検出は無く、図４（ｆ）に示すようにローレベルが保持されている。また、同じく正常に動作しているので、パルス生成回路６によるＭＯＳトランジスタ３のオン時間も適正に制御されているので、図４（ｇ）に示すように、パルス時間超過検出回路９によるパルス時間超過検出も無く、ローレベルが保持されている。

次に、上記の通常状態において、図３に示しているように、出力端子Ｐが何らかの事情で電源と短絡した状態つまり「天絡」状態になった場合の動作について説明する。天絡状態では、出力端子Ｐの出力電圧Ｖｏｕｔが所定の６Ｖではなく入力電圧Ｖｉｎの１４Ｖに吊り上げられた状態となる。このため、スイッチング電源装置１としては、次のような制御を実施しようとする。

まず、誤差増幅回路７においては、出力電圧Ｖｏｕｔが所定電圧６Ｖから１４Ｖに大幅に上昇したことで、大きい誤差信号をパルス生成回路６に出力するようになる。パルス生成回路６は、これを受けて、出力電圧Ｖｏｕｔを低下させるべく、ＭＯＳトランジスタ２をオフ、ＭＯＳトランジスタ３をオンにしてインダクタ４側からグランド側に逆流させることでコンデンサ５の電荷を放電させる制御動作に移行する。

この場合、上記のように制御動作を開始すると、ＭＯＳトランジスタ３をオンすることで出力端子Ｐの電圧を下げるように動作するため、電源電圧に引き上げられた出力端子Ｐからインダクタ４を介してＭＯＳトランジスタ３に過剰な電流が流れ続けて破壊に至るおそれがある。

そこで本実施形態のスイッチング電源装置１においては、このような場合に、次のような動作をする。図５のタイムチャートも参照しながら説明する。図５（ａ）に示すように、天絡が発生していない通常状態で時刻ｔ１を経過した後の時刻ｔｘ２で天絡が発生した場合を想定している。また、図５（ｂ）に示すように、車載バッテリによる入力電圧Ｖｉｎは通常１４Ｖ程度で安定して供給されている状態である。

時刻ｔｘ２までの通常の動作では、図５（ｃ）に示すように、パルス生成回路６のＰＷＭ信号により時刻ｔ０でＭＯＳトランジスタ２がオンされ、出力電圧Ｖｏｕｔは６Ｖを超えて上昇する。この後、時刻ｔ１でＭＯＳトランジスタ２がオフされ、代わってＭＯＳトランジスタ３がオンされることでインダクタ４の電流が継続的に流れながら出力電圧Ｖｏｕｔが低下していく。

この後、ＭＯＳトランジスタ３がオン状態で、出力電圧Ｖｏｕｔが下降している途中の時刻ｔｘ２で出力端子Ｐが入力電圧Ｖｉｎと短絡状態になる天絡が発生した場合を想定する。図５（ｃ）に示すように、時刻ｔｘ２で、天絡によって出力電圧Ｖｏｕｔが急激に上昇してほぼ入力電圧Ｖｉｎの１４Ｖまで達する。このとき、出力高電圧検出回路８では、出力端子Ｐの電圧が閾値電圧Ｖｔｈである８Ｖを超えて上昇したことを検出して高電圧検出信号をパルス生成回路６に出力する。

これにより、パルス生成回路６は、直ちにＭＯＳトランジスタ３をオフさせ、入力電圧Ｖｉｎの出力端子Ｐからインダクタ４を介してＭＯＳトランジスタ３に大電流が流れるのを阻止する。この状態では、同期整流の動作を停止した状態であるが、ＭＯＳトランジスタ３の寄生ダイオード３ａは通電可能な状態であるから、寄生ダイオード３ａを介して整流を行う非同期整流の制御状態と捉えることができる。

この後、時刻ｔｘ３で天絡状態から正常状態に復帰すると、コンデンサ５の電荷が放電されて出力端子Ｐの出力電圧Ｖｏｕｔが正常レベルまで低下する時刻ｔｘ４で、出力高電圧検出回路８は高電圧検出信号の出力を停止する。これにより、パルス生成回路６は再びＭＯＳトランジスタ３をオンさせる。

この後は、時刻ｔｘ４になるとＭＯＳトランジスタ３がオフされ、再びＭＯＳトランジスタ２がオンされる。これによって上記と同様に出力電圧Ｖｏｕｔは上昇し６Ｖを超えて上昇するようになる。以下、スイッチング電源装置１は、前述した通常状態での動作を繰り返しながら出力電圧Ｖｏｕｔが６Ｖを中心にして保持される状態となる。

次に、上記の場合と異なり、車載バッテリが他の負荷を駆動したり放電により端子電圧が低下して入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈよりも低くなっている場合の動作について説明する。

この場合においても、スイッチング電源装置１は、出力端子Ｐに所定の出力電圧Ｖｏｕｔを出力するために、パルス生成回路６により駆動制御を行っている。入力電圧Ｖｉｎが例えば７Ｖ程度にある場合で図６のタイムチャートにより説明する。前述同様にして、パルス生成回路６のＰＷＭ信号により時刻ｔ０でＭＯＳトランジスタ２をオンさせる。

しかし、入力電圧Ｖｉｎが低いことからコンデンサ５の充電が遅くなり、出力電圧Ｖｏｕｔの上昇は遅い。出力端子Ｐからのフィードバックで誤差増幅回路７による誤差信号の低下も遅くなり、ＰＷＭ信号のデューティ比が高くなる。そして、時刻ｔｙ１で出力電圧Ｖｏｕｔが所定レベルに達すると、パルス生成回路６によりＭＯＳトランジスタ２がオフされ、この後ＭＯＳトランジスタ３がオンされ、インダクタ５の電流が継続的に流れながら出力電圧Ｖｏｕｔが低下していく。

そして、時刻ｔｙ２になるとＭＯＳトランジスタ３がオフされ、再びＭＯＳトランジスタ２がオンされる。これによって上記と同様に出力電圧Ｖｏｕｔは上昇し６Ｖを超えて上昇するようになる。以後、時刻ｔｙ３〜ｔｙ８と続く間において、図４に示す時刻ｔ０からｔｙ２の動作を繰り返しながら出力電圧Ｖｏｕｔが６Ｖを中心にして保持される状態となる。

また、上記のようにして正常に動作しているので、出力高電圧検出回路８による高電圧の検出は無く、図６（ｆ）に示すようにローレベルが保持されている。また、同じく正常に動作しているので、図６（ｇ）に示すように、パルス時間超過検出回路９によるパルス時間超過検出も無く、ローレベルが保持されている。

次に、上記のように入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈよりも低くなっている場合に天絡が発生した場合の動作について図７を参照して説明する。ここでは、図７（ａ）に示すように、天絡が発生していない通常状態で時刻ｔ１を経過した後、ＭＯＳトランジスタ３がオフされる前の時刻ｔｚ２で天絡が発生した場合を想定している。

スイッチング電源装置１は、前述のように出力端子Ｐに所定の出力電圧Ｖｏｕｔを出力するために、パルス生成回路６によりＰＷＭ信号のデューティ比を高めた状態でＭＯＳトランジスタ２および３の駆動制御を行っている。

時刻ｔｚ２までの動作では、図７（ｃ）に示すように、パルス生成回路６のＰＷＭ信号により時刻ｔ０でＭＯＳトランジスタ２がオンされ、出力電圧Ｖｏｕｔは６Ｖを超えるまで徐々に上昇する。この後、時刻ｔ１でＭＯＳトランジスタ２がオフされ、代わってＭＯＳトランジスタ３がオンされることでインダクタ４の電流が継続的に流れながら出力電圧Ｖｏｕｔが低下していく。

そして、出力電圧Ｖｏｕｔの下降途中の時刻ｔｚ２で出力端子Ｐが入力電圧Ｖｉｎと短絡状態になる天絡が発生すると、図７（ｃ）に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔが急激に上昇するが入力電圧Ｖｉｎが７Ｖと低いので上昇した後の電圧は７Ｖ程度である。したがって、この場合には、出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈ（８Ｖ）を超えないので、出力高電圧検出回路８は高電圧検出をすることが無い。パルス生成回路６は出力電圧Ｖｏｕｔが所定レベルまで下がらないため、ＭＯＳトランジスタ３のオン状態を継続させることとなる。

この状態では、車載バッテリからの電圧７Ｖの低い状態の入力電圧Ｖｉｎが出力端子Ｐに印加されおり、インダクタ４を介してオン状態のＭＯＳトランジスタ３を通じてグランドに電流が流れ続ける。また、この状態は、上記のように出力高電圧検出回路８による検出が無いので、ＭＯＳトランジスタ３の電流は継続的に流れたままとなる。

一方、この状態では、パルス時間超過検出回路９は、ＭＯＳトランジスタ３のオン信号が与えられた時刻ｔｚ１の時点からオン時間をカウントしており、カウント時間がＴｘ（例えば２５μｓ）に達する時刻ｔｘ３で、異常なオン時間であるとしてパルス時間超過検出信号をパルス生成回路６に出力する。

これにより、パルス生成回路６は、時刻ｔｚ３でＭＯＳトランジスタ３をオフさせ、入力電圧Ｖｉｎの出力端子Ｐからインダクタ４を介してＭＯＳトランジスタ３に電流が流れるのを阻止する。この状態では、同期整流の動作を停止した状態であるが、ＭＯＳトランジスタ３の寄生ダイオード３ａは通電可能な状態であるから、寄生ダイオード３ａを介して整流を行う非同期整流の制御状態と捉えることができる。

この後、時刻ｔｚ４で天絡状態から正常状態に復帰すると、コンデンサ５の電荷が放電されて出力端子Ｐの出力電圧Ｖｏｕｔが正常レベルまで低下する時刻ｔｚ５になると、パルス時間超過検出回路９はパルス時間超過検出信号の出力を停止する。また、時刻ｔｚ５で、パルス生成回路６は、ＭＯＳトランジスタ２をオン駆動させる。

これによって、出力電圧Ｖｏｕｔは上昇し６Ｖを超えて上昇し所定レベルに達する時刻ｔｚ６になると、パルス生成回路６によりＭＯＳトランジスタ２がオフされ、代わってＭＯＳトランジスタ３がオンされる。以下、スイッチング電源装置１は、前述した通常状態での動作を繰り返しながら出力電圧Ｖｏｕｔが６Ｖを中心にして保持される状態となる。

このような本実施形態では、出力端子Ｐの出力電圧Ｖｏｕｔの高電圧状態を検出する出力高電圧検出回路８および同期整流用のＭＯＳトランジスタ３のオン時間が所定時間Ｔｘを超えるか否かを検出するパルス時間超過検出回路９を設けた。これにより、出力端子Ｐが入力電圧Ｖｉｎと短絡する天絡状態になった場合でも、確実にＭＯＳトランジスタ３をオフさせることができる。この結果、外付け部品や端子数を増加させることなく天絡発生時の対策を行うことができる。

（第２実施形態）
図８および図９は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。第１実施形態のスイッチング電源装置１においては、入力電圧Ｖｉｎを降圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成する構成であったのに対して、この実施形態のスイッチング電源装置２０では、入力電圧Ｖｉｎを昇圧あるいは降圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成する構成としている。

図８において、出力端子Ｐとインダクタ４との間に、第１昇圧用スイッチング素子としてのｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタ２１が接続されている。また、インダクタ４とＭＯＳトランジスタ２１との共通接続点とグランドとの間に第２昇圧用スイッチング素子としてのｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタ２２が接続されている。２つのＭＯＳトランジスタ２１、２２は、それぞれ寄生ダイオード２１ａ、２２ａを備えている。

また、スイッチング制御装置２０においては、パルス生成回路６ａは、４つのＭＯＳトランジスタ２、３、２１、２２のオンオフ制御をＰＷＭ信号により実施し、パルス時間超過検出回路９ａはＭＯＳトランジスタ３のオン時間をカウントしていて、オン時間が所定時間Ｔｘを超える状態を検出するとパルス時間超過検出信号をパルス生成回路６ａに出力する。

また、パルス生成回路６ａは、出力高電圧検出回路８から出力高電圧検出信号が入力されると、ＭＯＳトランジスタ３あるいは２１をオフ駆動し、オフ状態を保持する。また、パルス生成回路６ａは、パルス時間超過検出回路９ａからパルス時間超過検出信号が入力されると、ＭＯＳトランジスタ３あるいは２１をオフ駆動し、オフ状態を保持する。

なお、上記構成において、第１昇圧用スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタ２１は、通電用スイッチング素子として機能し、第２昇圧用スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタ２２は、同期整流用スイッチング素子として機能するものである。

上記構成において、第１実施形態と同様にして、スイッチング制御装置２０は、降圧制御を実施する場合には、ＭＯＳトランジスタ２１を常時オン、ＭＯＳトランジスタ２２を常時オフとしている。そして、スイッチング制御装置２０は、降圧制御ではＭＯＳトランジスタ２および３をＰＷＭ信号により交互にオンオフ駆動して入力電圧Ｖｉｎを降圧して出力端子Ｐに所定の出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。

また、スイッチング制御装置２０は、昇圧制御を実施する場合には、ＭＯＳトランジスタ２を常時オン、ＭＯＳトランジスタ３を常時オフとしている。そして、スイッチング制御装置２０は、昇圧制御では、ＭＯＳトランジスタ２をオン、３をオフにした状態で、ＭＯＳトランジスタ２１および２２をＰＷＭ信号により交互にオンオフ駆動して入力電圧Ｖｉｎを昇圧して出力端子Ｐに所定の出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。なお、入力電圧Ｖｉｎが低下した状態では、昇圧制御を実施することで所定の出力電圧Ｖｏｕｔを確保することができる。

図９は上記構成のスイッチング電源装置２０の出力端子Ｐが天絡した場合の状態を示している。天絡が発生すると、出力端子Ｐは車載バッテリの正極端子と接触するなどして入力電圧Ｖｉｎと等しい電圧になる。

上記した降圧制御状態において出力端子Ｐが天絡して入力電圧Ｖｉｎとなる場合には、スイッチング制御装置２０は、第１実施形態と同様にして出力高電圧検出回路８により出力端子Ｐの電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えるとＭＯＳトランジスタ３をオフして保護する。また、スイッチング制御装置２０は、入力電圧Ｖｉｎが低電圧状態では、パルス時間超過検出回路９ａによりＭＯＳトランジスタ３のオン時間が所定時間Ｔｘを超えるとＭＯＳトランジスタ３をオフさせて保護する。

一方、昇圧制御状態において出力端子Ｐが天絡して入力電圧Ｖｉｎとなる場合には、その時の入力電圧Ｖｉｎが低電圧のままである場合には出力端子Ｐから電源側に電流が流れることになる。しかし、一時的に入力電圧Ｖｉｎが低下して昇圧動作をした後に、天絡時に入力電圧Ｖｉｎが通常電圧に戻っている場合には出力端子ＰからＭＯＳトランジスタ２２を介してグランドに大電流が逆流することになる。

この場合においても、スイッチング制御装置２０においては、出力高電圧検出回路８あるいはパルス時間超過検出回路９ａからの検出信号に基づいて、パルス生成回路６ａによりＭＯＳトランジスタ２２がオフ状態となるように制御され、保護動作が実施される。
したがって、このような第２実施形態によっても第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。

第１実施形態においては、ＭＯＳトランジスタ２および３をスイッチング制御装置１内に設けることができる。同様に、第２実施形態においては、ＭＯＳトランジスタ２、３、２１、２２をスイッチング制御装置２０内に設けることができる。

上記各実施形態では、スイッチング電源装置１、２０として、２つのレギュレータ１０および１１を備えた構成のものを示したが、これらレギュレータを備えていない構成のものにも適用することができる。

スイッチング素子としてＭＯＳトランジスタを用いる例を示したが、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることもできる。
寄生ダイオードを持たないスイッチング素子の場合には、別途整流用のダイオードを接続する構成としても良い。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１、２０はスイッチング電源装置、２はｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタ（通電用スイッチング素子）、３はｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタ（同期整流用スイッチング素子）、２ａ、３ａは寄生ダイオード、４はインダクタ、６、６ａはパルス生成回路（逆流防止制御回路）、７は誤差増幅回路、８は出力高電圧検出回路、９、９ａはパルス時間超過検出回路、１４はマイコン、２１はｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタ（第１昇圧用スイッチング素子、通電用スイッチング素子）、２２はｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタ（第２昇圧用スイッチング素子、同期整流用スイッチング素子）、２１ａ、２２ａは寄生ダイオードである。

Claims (6)

1. 電源と出力端子との間に接続される通電用スイッチング素子（２、２１）およびインダクタ（４）の直列回路と、
   前記出力端子が天絡した際に、当該端子より電流が逆方向に流れる逆流経路中に配置され、少なくとも１つは同期整流を行うために用いられる１つ以上のスイッチング素子（３、２２）と、
   前記出力端子の電圧と目標電圧との偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅回路（７）と、
   前記誤差信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、前記通電用スイッチング素子に出力するパルス生成回路（６、６ａ）と、
   前記出力端子の電圧が閾値電圧よりも上昇すると、出力高電圧検出信号を出力する出力高電圧検出回路（８）と、
   前記逆流経路中に配置されているスイッチング素子に出力されるパルス生成信号の時間が閾値時間より超えると、パルス時間超過検出信号を出力するパルス時間超過検出回路（９、９ａ）と、
   前記出力高電圧検出信号あるいは前記パルス時間超過検出信号の少なくとも一方が出力されると、前記逆流経路中に配置されているスイッチング素子をオフさせて、電流の逆流を防止する逆流防止制御回路（６、６ａ）とを備えるスイッチング電源装置。
2. 前記逆流防止制御回路によりオフされるスイッチング素子は、前記直列回路の前記通電用スイッチング素子および前記インダクタの共通接続点とグランドとの間に接続される同期整流用スイッチング素子（３、２２）である請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記出力端子と前記インダクタとの間に接続される第１昇圧用スイッチング素子（２１）と、
   前記インダクタおよび前記第１昇圧用スイッチング素子の共通接続点とグランドとの間に接続される第２昇圧用スイッチング素子（２２）とを備え、
   前記ＰＷＭ信号を前記第１及び第２昇圧用スイッチング素子に与えることで、昇圧した電圧を出力可能である請求項１又は２記載のスイッチング電源装置。
4. 前記逆流防止制御回路によりオフされるスイッチング素子は、前記第１昇圧用スイッチング素子である請求項３記載のスイッチング電源装置。
5. 前記スイッチング素子は、前記誤差増幅部およびパルス生成部とは別素子で構成されている請求項１から４記載のスイッチング電源装置。
6. 給電対象となるマイコン（１４）に供給する電圧を前記出力端子に出力する請求項１から４記載のスイッチング電源装置。

Images