JP3975828B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源制御用の半導体装置に関し、特に、軽負荷時における消費電力の削減を実現することができるスイッチング電源制御用の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来のスイッチング電源制御用半導体装置の一例を示す回路図である。この半導体装置３２では、パワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子１とスイッチング素子１のスイッチング制御を行うための回路がワンチップに集積化されており、スイッチング素子１の高電圧端子（ＤＲＡＩＮ端子）とＧＮＤ端子（ＳＯＵＲＣＥ端子）および制御信号を入力するための制御端子（ＣＯＮＴＲＯＬ端子）の３端子で構成されている。
【０００３】
２は誤差増幅器で、半導体装置３２の電源電圧ＶＣＣがマイナス入力として与えられ、この誤差増幅器２のプラス入力端子には、予め設定された所定の基準電圧が与えられており、誤差増幅器２は、入力される電源電圧ＶＣＣと基準電圧とを比較して、電源電圧ＶＣＣが基準電圧を下回った場合に、誤差電圧信号ＶＥＡＯが、ドレイン電流検出用比較器４および軽負荷検出用比較器１２のプラス入力となるように出力される。
【０００４】
ドレイン電流検出用比較器４のマイナス入力には、スイッチング素子１のドレインに接続されたドレイン電流検出回路３から出力される検出電圧ＶＣＬが与えられている。ドレイン電流検出回路３は、スイッチング素子１に流れる電流を検出し、検出した電流を電圧信号に変換して、検出電圧ＶＣＬとして出力する。
【０００５】
ドレイン電流検出用比較器４は、スイッチング素子１に流れる電流の検出信号ＶＣＬと誤差電圧信号ＶＥＡＯとを比較して、両者の信号が等しくなったときに、出力信号をＲＳフリップフロップ回路１４のリセット端子へ出力する。
【０００６】
誤差増幅器２から出力される誤差電圧信号ＶＥＡＯは、過電流保護回路５によって、その誤差電圧信号ＶＥＡＯの最大値を固定されるようになっており、この過電流保護回路５によって、スイッチング素子１に過電流が流れることが防止されている。
【０００７】
発振器６は、スイッチング素子１のスイッチング周波数を決定するためのクロック信号８と、スイッチング素子１の最大デューティーサイクルを決定するための最大デューティーサイクル信号９とをそれぞれ出力する。
【０００８】
また、誤差増幅器２の出力が与えられる軽負荷検出回路２０が設けられており、この軽負荷検出回路２０には、軽負荷検出用比較器１２が設けられている。軽負荷検出用比較器１２のプラス入力としては、誤差増幅器２から出力される出力電圧ＶＥＡＯが与えられており、マイナス入力としては、基準電圧源１１から出力される基準電圧が与えられている。軽負荷検出用比較器１２は、入力される出力電圧ＶＥＡＯと基準電圧とを比較して、出力電圧ＶＥＡＯが基準電圧を上回った場合に、ＡＮＤ回路１３に所定の信号を出力するようになっている。
【０００９】
また、軽負荷検出用比較器１２の出力は、基準電圧源１１にも与えられており、基準電圧源１１は、軽負荷検出用比較器１２の出力信号を受けて出力電圧ＶＲが変化するようになっている。
【００１０】
スイッチング素子１のドレイン端子には、半導体装置３２の電源電流を供給するための内部回路電流供給回路１６が接続されている。内部回路電流供給回路１６は、半導体装置３２の起動および停止を制御する起動／停止回路１５によって、電源投入時などの電源電圧ＶＣＣが起動電圧よりも低いときにのみ動作されるようになっている。起動／停止回路１５の出力は、ＮＡＮＤ回路１８に入力されている。
【００１１】
過熱保護回路１７は、半導体装置３２のチップ温度が設定値以上に上昇した場合に、スイッチング素子１の発振を停止させるための回路であり、過熱保護回路１７の出力は、ＮＡＮＤ回路１８に入力されている。
【００１２】
ＡＮＤ回路１３には、発振器６から出力されるクロック信号８が他の入力として与えられており、ＡＮＤ回路１３の出力が、ＲＳフリップフロップ回路１４のセット端子に与えられている。ＲＳフリップフロップ回路１４の出力は、ＮＡＮＤ回路１８へ出力されている。従って、ＮＡＮＤ回路１８には、ＲＳフリップフロップ回路１４の出力信号と、発振器６から出力されるスイッチング素子１の最大デューティーサイクル信号９と、起動／停止回路１５からの出力信号と、過熱保護回路１７とが、それぞれ入力されている。そして、ＮＡＮＤ回路１８の出力が、スイッチング素子１のスイッチング制御信号として、ドライブ回路１９を介してスイッチング素子１に与えられている。スイッチング素子１は、ドライブ回路１９から出力されるスイッチング制御信号によってスイッチング制御される。
【００１３】
図１３は、従来のスイッチング電源制御用半導体装置を用いて構成した、スイッチング電源の一例を示す回路図である。このスイッチング電源装置では、商用の交流電源が、ダイオードブリッジなどの整流器２２により整流されて入力コンデンサ２３にて平滑化されることにより、直流電圧ＶＩＮとされて、電力変換用トランス２４に与えられている。電力変換用のトランス２４は、第１の一次巻線２４ａおよび第２の一次巻線２４ｂと、二次巻線２４ｃとを有しており、直流電圧ＶＩＮが第１の一次巻線２４ａに与えられる。
【００１４】
トランス２４の第１の一次巻線２４ａに与えられた直流電力は、半導体装置３２内に設けられたスイッチング素子１によりスイッチングされる。そして、そのスイッチング素子１のスイッチング動作によって、トランス２４の二次巻線２４ｃに電流が取り出される。二次巻線２４ｃに取り出された電流は、二次巻線２４ｃに接続されたダイオード２７およびコンデンサ２８により、整流および平滑化され、出力電圧ＶＯの直流電力として負荷２９へ供給される。
【００１５】
トランス２４の第２の一次巻線２４ｂにも、第１の一次巻線２４ａから出力される直流電力が与えられている。第２の一次巻線２４ｂから出力される直流電流は、補助電源部であるダイオード２５およびコンデンサ２６により整流および平滑化されて補助電源電圧ＶＣＣとして出力される。そして、補助電源部から出力される補助電源電圧ＶＣＣが、半導体装置３２の制御端子（ＣＯＮＴＲＯＬ端子）に入力され、半導体装置３２の電源電圧として用いられている。この補助電源電圧ＶＣＣは、トランス２４の二次巻線２４ｃから負荷２９に供給される出力電圧ＶＯと比例する電圧であり、出力電圧ＶＯを安定化させるための帰還信号としても用いられている。
【００１６】
このように構成されたスイッチング電源装置の動作を以下に説明する。
【００１７】
整流器２２に商用電源からの交流電流が入力されると、入力された交流電流が整流器２２とコンデンサ２３とにより、整流および平滑化されて、直流電圧ＶＩＮに変換される。この直流電圧ＶＩＮがトランス２４の第１の一次巻線２４ａに印加される。また、直流電圧ＶＩＮは、半導体装置３２内の起動／停止回路１５によって起動された内部回路電流供給回路１６を介して、第２の一次巻線２４ｂに印加されて、補助電源電圧ＶＣＣ用のコンデンサ２６を充電する。
【００１８】
その後、補助電源電圧ＶＣＣが半導体装置３２内の起動／停止回路１５で設定された起動電圧に達すると内部回路が起動し、スイッチング素子１によるスイッチング動作の制御が開始されると共に、起動／停止回路１５によって、内部回路電流供給回路１６が停止される。このような動作により、通常動作時における半導体装置３２の消費電力が低く抑えられている。
【００１９】
半導体装置３２は、負荷２９に対する出力電圧ＶＯが、所定の電圧にて安定化するように、補助電源電圧ＶＣＣに基づいて、スイッチング素子１によるスイッチング動作を制御している。負荷２９に対する出力電圧ＶＯと、補助電源電圧ＶＣＣとは、トランス２４の第２の一次巻線２４ｂと二次巻線２４ｃの巻数比に比例した電圧になっている。
【００２０】
すなわち、図１４のタイムチャートに示すように、負荷２９への電流供給が小さくなると、出力電圧ＶＯが若干上昇して（図１４（ａ））、負荷２９への供給電流Ｉｏが低下すると（図１４（ｂ））、補助電源電圧ＶＣＣが上昇して（図１４（ｃ））、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが低下するが（図１４（ｄ））、この誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯとスイッチング素子１を流れる電流検出電圧ＶＣＬが等しくなると、ドレイン電流検出用比較器４から、ＲＳフリップフロップ回路１４のリセット端子へリセット信号が出力される。これにより、ＮＡＮＤ回路１８からは、スイッチング素子１をオフにする信号が出力される。その結果、スイッチング素子１は、スイッチング制御において、オン時間が短くなり、スイッチング素子１を流れる電流ＩＤが低下する（図１４（ｅ））。
【００２１】
このように、制御回路４は、負荷２９に供給される電流に応じて、スイッチング素子１に流れる電流の大きさが制御される電流モード制御方式になっている。誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯと基準電圧源１１の出力電圧ＶＲとを比較する。基準電圧源の出力電圧ＶＲは、当初、軽負荷検出下限電圧ＶＲ１となっている（図１４（ｅ））。負荷２９への電流供給がさらに小さくなる待機時の場合等においては、出力電圧ＶＯがさらに上昇して（図１４（ａ））、負荷２９への供給電流Ｉｏが低下すると（図１４（ｂ））、補助電源電圧ＶＣＣが上昇して（図１４（ｃ））、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが低下する（図１４（ｄ））。
【００２２】
そして、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが軽負荷検出下限電圧ＶＲ１よりも小さくなると、軽負荷検出状態となり、軽負荷検出用比較器１２の出力はローレベルになる。これにより、ＡＮＤ回路１３の出力はローレベルになり、スイッチング素子１のスイッチング動作が停止する。このとき同時に、軽負荷検出用比較器１２の出力を受けて、基準電圧源１１の出力電圧ＶＲは、軽負荷検出下限電圧ＶＲ１から軽負荷検出上限電圧ＶＲ２へ変更される（図１４（ｅ））。
【００２３】
スイッチング素子１によるスイッチング動作が停止して、スイッチング素子１がオフ状態になると、スイッチング素子１には電流が流れない状態になる（図１４（ｆ））。これにより、トランス２４の第１の一次巻線２４ａを介した二次巻線２４ｃへの電力供給が行われなくなるため、負荷２９への電力供給はコンデンサ２８からのみとなり、出力電圧ＶＯは徐々に低下する。これにより、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが徐々に上昇するが、基準電圧源１１の出力電圧は、軽負荷検出下限電圧ＶＲ１よりも高い軽負荷検出上限電圧ＶＲ２になっているため、図１４に示すように、スイッチング素子１によるスイッチング動作が直ちに再開されることはない。そして、さらに出力電圧ＶＯが低下して、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが軽負荷検出上限電圧ＶＲ２を越えたときには、比較器１２の出力はハイレベルとなり、スイッチング素子１のオンオフ動作が再開される。
【００２４】
このとき、同時に、基準電圧源１１の出力電圧ＶＲは、軽負荷検出上限電圧ＶＲ２から軽負荷検出下限電圧ＶＲ１へ変更される。
【００２５】
スイッチング素子１によるスイッチング動作が再開されると、スイッチング素子１に流れる電流は、軽負荷検出時の電流値よりも大きくなっているため、負荷２９への電力供給は過剰となり、再び出力電圧ＶＯが上昇し、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが低下する。そして再び軽負荷検出されると、スイッチング素子１のオンオフの繰り返しによるスイッチング動作が停止する。
【００２６】
このように、基準電圧源１１からの出力電圧ＶＲが、軽負荷検出することによって、軽負荷検出下限値ＶＲ１から軽負荷検出上限値ＶＲ２へと変化するため、軽負荷を検出している間は、スイッチング素子１のオンオフ動作を繰り返すスイッチング制御は、停止と再開とが繰り返されるといった間欠発振状態となる。出力電圧ＶＯは、この間欠発振の軽負荷停止期間中に低下するが、この低下の度合いは負荷２９の電流と一次側での電力ロスに依存する。しかし、負荷２９での消費電力に対して一次側での電力ロスが小さい場合においては、負荷２９の電流が小さくなるほど出力電圧ＶＯの低下が緩やかになり、間欠発振の停止期間は負荷２９の電流が小さいほど長くなり、軽負荷になるほど（待機状態２）、スイッチング素子１のスイッチング動作が減少することになる。無負荷状態に近づくほど、つまり、負荷２９への電流供給が小さくなればなるほど、一次側の半導体装置３２の内部回路電流による電力損失が無視できなくなってくる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスイッチング電源制御用半導体装置の構成では、軽負荷時での軽負荷停止期間においては、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させることで、スイッチング動作を間引くことによって軽負荷時の電力ロスを低減していた。しかし、スイッチングの停止期間を設けることでの電力削減以下にはトータルロスを低減することができないという課題がある。
【００２８】
本発明は、これらの問題を解決するものであり、軽負荷時の電力損失をさらに低減することができるスイッチング電源制御用の半導体装置を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、スイッチング電源のスイッチング動作用スイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、を備えたスイッチング電源制御用の半導体装置において、前記制御回路が、前記制御回路の電源電圧と予め設定された基準電圧との誤差電圧信号を生成する誤差増幅器と、前記スイッチング素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、前記誤差増幅器の出力信号と前記電流検出回路の出力信号とを比較する比較器と、前記比較器の出力に基づいて、前記スイッチング素子をスイッチング動作させるための制御信号を出力する制御信号発生回路と、前記制御回路の電源電圧が上昇して、前記誤差増幅器が軽負荷状態を検出したときに、前記誤差増幅器の出力により前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる一方、逆に前記制御回路の電源電圧が低下したときに、前記誤差増幅器の反転出力により、前記スイッチング素子のスイッチング動作を再開させる軽負荷検出回路とを具備する。
【００３０】
上記の構成により、制御回路の電源電圧が上昇する軽負荷の時には、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるため、回路の消費電流を低減することができる。逆に軽負荷状態が解除されて電源電圧が低下すると、スイッチング素子のスイッチング動作を再開して出力電圧を安定化することができ、回路の負荷状態に合わせて回路電流および電力ロスを低減することができる。
【００３１】
本発明の請求項２に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、スイッチング電源のスイッチング動作用スイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、を備えたスイッチング電源制御用の半導体装置において、前記制御回路が、前記制御回路の電源電圧と予め設定された基準電圧との誤差電圧信号を生成する誤差増幅器と、前記スイッチング素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、前記誤差増幅器の出力信号と前記電流検出回路の出力信号とを比較する比較器と、前記比較器の出力に基づいて、前記スイッチング素子をスイッチング動作させるための制御信号を出力する制御信号発生回路と、前記制御回路の電源電圧が上昇して、前記誤差増幅器が軽負荷状態を検出したときに、前記差動増幅器の出力に応じて前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止状態にする軽負荷検出回路とを具備し、前記スイッチング動作の停止状態から復帰するために必要な少なくとも一つの回路ブロックを除いて、他の回路ブロックへの供給電流を通常動作時の１／２以下に低減することを特徴とする。
【００３２】
上記の構成により、軽負荷状態を検出してスイッチング素子のスイッチング動作を停止させる時、その停止状態から復帰するために必要な少なくとも１つの回路ブロックを除いたその他の回路ブロックへの電力供給を低減させるため、軽負荷状態の回路の消費電流を小さく抑えられ、電力ロスを低減することができる。また、少なくとも復帰するために必要な回路ブロックは通常の回路電流で機能しているため、軽負荷状態が解除されて電源電圧が低下した場合には、出力電圧を安定化する通常の回路動作には何ら支障は生じない。
【００３３】
本発明の請求項３に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、前記誤差増幅器の出力電圧が軽負荷検出電圧よりも小さくなったときに、前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる軽負荷停止期間において、前記制御回路の電源電圧を検出する起動／停止回路以外の回路ブロックへの電力供給を停止することを特徴とする。
【００３４】
上記の構成により、軽負荷状態を検出して前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる時、制御回路の電源電圧を検出する起動／停止回路以外への電力供給を停止させることにより、回路消費電流を最小限にして、軽負荷状態での回路電流による電力ロスを低減することができる。
【００３５】
本発明の請求項４に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、請求項１、請求項２および請求項３に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、前記スイッチング素子と前記制御回路をワンチップに集積化し、前記スイッチング素子の出力端子と、前記スイッチング素子および前記制御回路の接地端子と、前記制御回路の制御端子との３つの端子を外部出力端子としていることを特徴とする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて具体的に説明する。
【００３７】
図２に示すように軽負荷停止期間での回路電流および、動作期間での回路電流を低減し、電力ロスを低減するために少なくとも一つの回路ブロックにおいて各回路素子の消費電流を低減したり、定電流源の値を低減した構成とする。構成例を図１に示す。なお、図１において、図１２に示す半導体装置と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。従来では回路の消費電流が約２ｍＡ程度あり、２６０Ｖ入力で約１００ｍＷの無負荷時消費電力であったが、ここで、前記構成とすることで、回路の消費電流を例えば、１ｍＡ以下にすることができ、電源として２６０ＶＡＣ入力時において約４０ｍＷの無負荷時消費電力を実現可能である。
【００３８】
また別の方法として、本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す回路図を図３に示す。なお、図３において、図１２に示す半導体装置と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図３に示す半導体装置３０には、軽負荷停止期間において電源電圧を検出する回路以外の少なくとも一つの回路ブロックへの電力供給を低減させるために、軽負荷検出用比較器１２の出力ＶＯ１を入力として受け、軽負荷時停止信号を出力する手段を内蔵した起動／停止回路１０が設けられている。起動／停止回路１０から出力される軽負荷停止信号Ｓ２on offにより、電源電圧を検出する起動／停止回路１０以外の少なくとも一つの回路ブロックへの電力供給を強制的に制限することで軽負荷停止期間での回路電流を低減させる。また、軽負荷停止期間からの復帰は起動／停止回路１０の内部で電源電圧を検出し、軽負荷検出時の電源電圧：Vc cnt（軽負荷検出用比較器１２の出力ＶＯ１が“Ｈ”から“Ｌ”になる時の電源電圧）以下の電圧：Vc Rに電源電圧が低下することを検出し、復帰信号を軽負荷停止信号Ｓ２on offとして出力する信号を少なくとも一つの停止している各回路ブロックが受けることで行う。
【００４０】
軽負荷停止信号Ｓ２on offの入力を受けて電力消費を低減する方法としては電源電圧の供給を強制的に切断する方法がある。また、別の方法として、定電流源を用いて電力供給をしている場合は、その定電流源からの電力供給を切断する方法もある。
【００４１】
軽負荷停止期間において、誤差増幅器４２への電力供給を切断する場合において、軽負荷検出回路４０への電力供給も同時に切断する場合は、誤差増幅器４２の出力を固定する必要はないが、軽負荷停止期間において、比較的に回路の消費電力の大きい誤差増幅器４２への電力供給を切断し、比較的に回路の消費電力の小さい軽負荷検出回路４０への電力供給を切断しない場合は、軽負荷停止期間において誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯを軽負荷検出比較器１２への基準電圧ＶＲ以下に固定する必要がある。その際の誤差増幅器における実施形態の一例を図８に示す。
【００４２】
通常動作期間においては、軽負荷停止信号Ｓ２on off信号は“Ｈ”信号を出力し、各スイッチ７７は導通状態にある。また、軽負荷停止期間においては、軽負荷停止信号Ｓ２on off信号は“Ｌ”信号を出力し、各スイッチ７７は切断状態になり、誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯは電流出力がなくなり、抵抗によって接地されるためにほぼＳＯＵＲＣＥ電位と同等の固定された“Ｌ”信号を出力する。このように図８に示す構成とすることで、軽負荷停止期間において誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯを軽負荷検出比較器１２への基準電圧ＶＲ以下に固定することができ、軽負荷停止期間において、比較的回路の消費電力の大きな誤差増幅器への電力供給の切断が可能となる。
【００４３】
図９は、スイッチング素子１が大きな場合において、それを駆動するために回路の消費電力が比較的大きくなるゲートドライバにおいて、軽負荷停止期間に電力供給を切断する場合のゲートドライバ構成の一例を示す。
【００４４】
動作時の回路の消費電流を低減するために比較的小さな定電流源７９を用い、ＭＯＳトランジスタをミラー接続することで、大きな駆動電流をスイッチング素子に出力する構成をとっている。この定電流源７９の消費電流は動作時においてはゲートドライバトータルの消費電流に対しての比率としては小さいが、軽負荷停止期間においては、スイッチング素子１への電流供給を行わないため、定電流源７９の消費電流は比率としては比較的大きくなる。この定電流源７９からの電流を切断するために軽負荷停止信号Ｓ２on off信号によって、制御されるスイッチ８０を設けることによって、軽負荷停止期間においてゲートドライバの消費電力を低減することを可能としている。
【００４５】
図４は、本発明のスイッチング電源制御用半導体装置を用いて構成した、スイッチング電源の一例を示す回路図である。図４において、図１３に示すスイッチング電源装置と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。図１３との違いは、半導体装置３０のみであり、他の構成は全て同一である。また、図４における起動／停止回路１０の実施形態を図５、図６、図７に示す。
【００４６】
図５は起動／停止回路１０において軽負荷停止信号Ｓ２on offを生成する一例を示す。図５に示す起動／停止回路１０には、制御回路の起動および停止電圧を設定するために、起動／停止比較器４５が設けられている。この起動／停止比較器４５のマイナス入力には基準電圧源４６が入力され、プラス入力には電源電圧ＶＣＣを検出するために電源電圧ＶＣＣを抵抗分割した信号が入力される。そして基準電圧源４６は起動／停止比較器４５の出力を受けて二つの基準電圧に変化する。それにより、起動時の電源電圧Ｖｃ onと停止時の電源電圧Ｖｃ offの関係はＶｃ on＞Ｖｃ offとなる。軽負荷状態となり、起動／停止回路１０以外の少なくとも一つの回路ブロックへの電力供給を切断するために軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｌ”信号を出すのは軽負荷検出回路４０からの出力ＶＯ１が“Ｌ”になったときである。そのときの電源電圧をＶｃ cnt1とする。軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｌ”信号を出す軽負荷停止期間においては起動停止信号Ｖon offも“Ｌ”信号を出力するために図３でのＮＡＮＤ回路１８へ“Ｌ”信号が出力され、スイッチング素子１の動作は停止する。
【００４７】
また、軽負荷状態からの復帰信号は誤差増幅器４２、軽負荷検出回路４０への電力供給が切断されていていなければ、ＶＯ１が“Ｈ”となることで、各回路ブロックへの電力供給を復帰すればよいが、軽負荷停止期間において、誤差増幅器４２、軽負荷検出回路４０への電力供給を切断する場合にはＶＯ１を復帰信号として用いることはできない。そこで、図５においては電源電圧がＶｃ cnt1よりも低い電圧であるＶｃ R4に低下したことを検出して、電力供給を切断されている各回路ブロックへの電力供給を復帰させるために軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｈ”信号を出す動作を行う。
【００４８】
ここで、Ｖｃ cnt1 、Ｖｃ R4、Ｖｃ offの関係はＶｃ cnt1＞Ｖｃ R4＞Ｖｃ offである。
【００４９】
この動作によって軽負荷停止期間において誤差増幅器４２、軽負荷検出回路４０への電力供給を切断することが可能となる。
【００５０】
軽負荷停止期間においてはスイッチング素子１がスイッチング動作を停止しているため、電源電圧の変動要因が少なくなるため、復帰信号を電源電圧を直接抵抗分割で行うことで生成することが比較的容易である。上記構成において基準電圧源５７は軽負荷復帰検出用比較器４７の基準電圧であり、軽負荷復帰検出用比較器４７の出力ＶＲＳを受けて、ＶＲ57 A＞ＶＲ57 Bの関係にある二つの電圧ＶＲ57 AとＶＲ57 Bの値を出力する。このことにより、軽負荷復帰検出用比較器４７の出力ＶＲＳが、“Ｌ”から“Ｈ”に変化したとき安定して一定期間“Ｈ”信号を保つことができ、再度、軽負荷状態への移行が可能となる。
【００５１】
図１０は図５に示す構成の起動／停止回路を用い、さらに誤差増幅器としては図８に示す構成を用いた場合の電源としてのタイミングチャートを示す。
【００５２】
定常負荷状態から負荷が軽くなり、負荷２９への電流供給が小さくなると、出力電圧ＶＯが若干上昇して（図１０（ａ））、負荷２９への供給電流Ｉｏが低下すると（図１０（ｂ））、補助電源電圧ＶＣＣが上昇して（図１０（ｃ））、誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯが低下するが（図１０（ｄ））、この誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯとスイッチング素子１を流れる電流検出電圧ＶＣＬが等しくなると、ドレイン電流検出用比較器４からＲＳフリップフロップ回路１４のリセット端子へリセット信号が出力される。これにより、ＮＡＮＤ回路１８からは、スイッチング素子１をオフにする信号が出力される。その結果、スイッチング素子１は、スイッチング制御において、オン時間が短くなり、スイッチング素子１を流れる電流ＩＤが低下する（図１０（ｉ））。
【００５３】
このように、制御回路３０は、負荷２９に供給される電流に応じて、スイッチング素子１に流れる電流の大きさが制御される電流モード制御方式になっている。
【００５４】
さらに負荷が軽くなり、出力電圧ＶＯが上昇すると、誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯも低下し、電源電圧ＶＣＣが軽負荷検出電源電圧：Ｖｃ cnt1に達すると、軽負荷検出回路の出力電圧ＶＯ１が“Ｈ”から“Ｌ”に反転し（図１０（ｅ））、スイッチング素子１の動作が停止する（図１０（ｉ））。また、このとき同時に軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｈ”から“Ｌ”に反転し（図１０（ｈ））、少なくとも一つの回路ブロックへの電力供給切断のための信号が出力される。このとき、軽負荷停止信号Ｓ２on offにより、誤差増幅器４２への電力供給が切断され、ＶＥＡＯが“Ｌ”となる（図１０（ｄ））。その後、軽負荷停止期間において出力電圧が徐々に低下し、電源電圧が軽負荷復帰電圧に達すると、軽負荷復帰検出用比較器４７の出力電圧ＶＲＳが“Ｌ”から“Ｈ”となり（図１０（f））、軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｌ”から“Ｈ”に反転し、軽負荷停止期間が解除される。
【００５５】
このような、動作を行うことで、軽負荷停止期間の回路の消費電流を小さく抑えることができ、さらには消費電流を低減することで、軽負荷停止期間を長く保つことが可能となるため、軽負荷時の消費電力を低減することができる。
【００５６】
起動／停止回路の別の実施形態を図６に示す。図６に示す起動／停止回路には軽負荷停止期間から復帰するために電源電圧を検出する軽負荷復帰検出用比較器４７が設けられている。また、回路の起動／停止信号を出力するための起動用比較器、停止用比較器も設けられている。図６の構成においては軽負荷復帰検出用比較器４７の基準電圧は一定値に設定し、軽負荷停止信号Ｓ２on offの出力をスイッチング素子１の発振周期以下の遅延時間を発生させる遅延回路８１を通して出力する構成をとっている。また、起動電圧検出用の比較器５０と停止電圧検出用の比較器４９が別々に設けられている。さらにそれぞれの出力をＲＳフリップフロップのＳおよびＲへ入力することで、起動電圧、停止電圧を設定する。その際に、起動用比較器、停止用比較器、軽負荷復帰検出用比較器、それぞれの基準電圧を全て同一値のＶｂ１とすることで、起動開始電源電圧Ｖｃ onと、停止時電源電圧Ｖｃ offと、軽負荷停止復帰時電源電圧Ｖｃ Rの相対関係をより安定して設定できるという特徴がある。また、図６において、接点Ａと接点Ｂの接続を変えてＶｃ onとＶｃ Rの関係を変えてもよい。
【００５７】
図１１は図６の構成の起動／停止回路を用い、さらに誤差増幅器としては図８に示す構成を用いた場合の電源としてのタイミングチャートを示す。
【００５８】
軽負荷時に少なくとも一つの回路への電力供給を切断するための軽負荷停止信号Ｓ２on offの“Ｌ”出力は、軽負荷検出回路４０の出力ＶＯ１が“Ｈ”から“Ｌ”に反転する（図１１（ｅ））ことで出力される。但し、軽負荷停止信号Ｓ２on offは遅延回路８１を介して出力されるため、ある値の遅延時間後に“Ｈ”から“Ｌ”へ反転する（図１１（ｈ））。
【００５９】
また、軽負荷停止期間からの復帰は、軽負荷復帰検出用比較器４７の出力電圧ＶＲＳが“Ｈ”になる（図１１（ｆ））のを受けて、ある一定の遅延時間後に軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｌ”から“Ｈ”に反転することで復帰信号が出力されることで行われる（図１１（ｈ））。
【００６０】
さらに、起動／停止回路の別の実施形態を図７に示す。図７の実施形態においては起動電圧、停止電圧を一つの比較器５６で検出し、尚且つ、比較器５６の基準電圧と軽負荷復帰検出用比較器４７の基準電圧を同一値にすることで、構成する素子を少なくし、かつ、起動開始電源電圧Ｖｃ onと、停止時電源電圧Ｖｃ offと、軽負荷停止復帰時電源電圧Ｖｃ Rの相対関係をより安定して設定できるという特徴がある。
【００６１】
図７において、ＮＡＮＤ回路５５の入力となる信号ＰＵは、起動前の状態ではローレベルになっており、起動前の状態においてはＮＡＮＤ回路５５の出力はハイレベル、スイッチング素子５３はオン状態、スイッチング素子５２はオフ状態になっている。また、図７において、接点Ａと接点Ｂの接続を変えてＶｃ onとＶｃ Rの関係を変えてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、本発明のスイッチング電源制御用の半導体装置は、制御回路の電源電圧が上昇する軽負荷の時には、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるため、回路の消費電流を低減することができる。逆に軽負荷の状態が解除されて電源電圧が低下する時には、スイッチング素子のスイッチング動作を再開して出力電圧を安定化する通常の動作を再開する。即ち、回路の負荷状態に合わせて回路電流および電力ロスを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す回路図
【図２】本発明の半導体装置の軽負荷時動作、および電流特性を示す図
【図３】本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す回路図
【図４】本発明の半導体装置を備えたスイッチング電源装置の一例を示す回路図
【図５】本発明の半導体装置の起動／停止回路の内部回路の一例を示す回路図
【図６】本発明の半導体装置の起動／停止回路の内部回路の一例を示す回路図
【図７】本発明の半導体装置の起動／停止回路の内部回路の一例を示す回路図
【図８】本発明の半導体装置の誤差増幅器の内部回路の一例を示す回路図
【図９】本発明の半導体装のゲートドライバの内部回路の一例を示す回路図
【図１０】本発明の半導体装置およびその半導体装置を備えたスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイムチャート
【図１１】本発明の半導体装置およびその半導体装置を備えたスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイムチャート
【図１２】従来の半導体装置の一例を示す回路図
【図１３】その半導体装置を備えたスイッチング電源装置の一例を示す回路図
【図１４】その半導体装置およびその半導体装置を備えたスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイムチャート
【符号の説明】
１ スイッチング素子
２ 誤差増幅器
３ ドレイン電流検出回路
４ ドレイン電流検出用比較器
５ 過電流保護回路
６ 発振器
７ シャントレギュレータ
８ クロック信号
９ 最大デューティーサイクル信号
１０ 起動／停止回路
１１ 基準電圧源
１２ 軽負荷検出用比較器
１３ ＡＮＤ回路
１４ ＲＳフリップフロップ回路
１５ 起動／停止回路
１６ 内部回路電流供給回路
１７ 過熱保護回路
１８ ＮＡＮＤ回路
１９ ドライブ回路
２０ 軽負荷検出回路
２２，２５，２７ 整流器
２３，２６，２８ コンデンサ
２４ トランス
２９ 負荷
３０、３２ 半導体装置
４１ 基準電圧源
４０ 軽負荷検出回路
４２ 誤差増幅器
４５ 起動／停止比較器
４６ 起動／停止電圧用基準電圧源
４７ 軽負荷復帰検出用比較器
４８ スイッチング素子
４９ 停止用比較器
５０ 起動用比較器
５１ ＲＳフリップフロップ
５２、５３ スイッチング素子
５４ インバータ
５５ ＮＡＮＤ回路
５６ 比較器
５７ 基準電圧源
５８ スイッチング素子
５９ ＮＡＮＤ回路
６０ インバータ
７６ 発振器
７７、８０ スイッチ
７８ 抵抗
７９ 定電流源
８１ 遅延回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源制御用の半導体装置に関し、特に、軽負荷時における消費電力の削減を実現することができるスイッチング電源制御用の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来のスイッチング電源制御用半導体装置の一例を示す回路図である。この半導体装置３２では、パワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子１とスイッチング素子１のスイッチング制御を行うための回路がワンチップに集積化されており、スイッチング素子１の高電圧端子（ＤＲＡＩＮ端子）とＧＮＤ端子（ＳＯＵＲＣＥ端子）および制御信号を入力するための制御端子（ＣＯＮＴＲＯＬ端子）の３端子で構成されている。
【０００３】
２は誤差増幅器で、半導体装置３２の電源電圧ＶＣＣがマイナス入力として与えられ、この誤差増幅器２のプラス入力端子には、予め設定された所定の基準電圧が与えられており、誤差増幅器２は、入力される電源電圧ＶＣＣと基準電圧とを比較して、電源電圧ＶＣＣが基準電圧を下回った場合に、誤差電圧信号ＶＥＡＯが、ドレイン電流検出用比較器４および軽負荷検出用比較器１２のプラス入力となるように出力される。
【０００４】
ドレイン電流検出用比較器４のマイナス入力には、スイッチング素子１のドレインに接続されたドレイン電流検出回路３から出力される検出電圧ＶＣＬが与えられている。ドレイン電流検出回路３は、スイッチング素子１に流れる電流を検出し、検出した電流を電圧信号に変換して、検出電圧ＶＣＬとして出力する。
【０００５】
ドレイン電流検出用比較器４は、スイッチング素子１に流れる電流の検出信号ＶＣＬと誤差電圧信号ＶＥＡＯとを比較して、両者の信号が等しくなったときに、出力信号をＲＳフリップフロップ回路１４のリセット端子へ出力する。
【０００６】
誤差増幅器２から出力される誤差電圧信号ＶＥＡＯは、過電流保護回路５によって、その誤差電圧信号ＶＥＡＯの最大値を固定されるようになっており、この過電流保護回路５によって、スイッチング素子１に過電流が流れることが防止されている。
【０００７】
発振器６は、スイッチング素子１のスイッチング周波数を決定するためのクロック信号８と、スイッチング素子１の最大デューティーサイクルを決定するための最大デューティーサイクル信号９とをそれぞれ出力する。
【０００８】
また、誤差増幅器２の出力が与えられる軽負荷検出回路２０が設けられており、この軽負荷検出回路２０には、軽負荷検出用比較器１２が設けられている。軽負荷検出用比較器１２のプラス入力としては、誤差増幅器２から出力される出力電圧ＶＥＡＯが与えられており、マイナス入力としては、基準電圧源１１から出力される基準電圧が与えられている。軽負荷検出用比較器１２は、入力される出力電圧ＶＥＡＯと基準電圧とを比較して、出力電圧ＶＥＡＯが基準電圧を上回った場合に、ＡＮＤ回路１３に所定の信号を出力するようになっている。
【０００９】
また、軽負荷検出用比較器１２の出力は、基準電圧源１１にも与えられており、基準電圧源１１は、軽負荷検出用比較器１２の出力信号を受けて出力電圧ＶＲが変化するようになっている。
【００１０】
スイッチング素子１のドレイン端子には、半導体装置３２の電源電流を供給するための内部回路電流供給回路１６が接続されている。内部回路電流供給回路１６は、半導体装置３２の起動および停止を制御する起動／停止回路１５によって、電源投入時などの電源電圧ＶＣＣが起動電圧よりも低いときにのみ動作されるようになっている。起動／停止回路１５の出力は、ＮＡＮＤ回路１８に入力されている。
【００１１】
過熱保護回路１７は、半導体装置３２のチップ温度が設定値以上に上昇した場合に、スイッチング素子１の発振を停止させるための回路であり、過熱保護回路１７の出力は、ＮＡＮＤ回路１８に入力されている。
【００１２】
ＡＮＤ回路１３には、発振器６から出力されるクロック信号８が他の入力として与えられており、ＡＮＤ回路１３の出力が、ＲＳフリップフロップ回路１４のセット端子に与えられている。ＲＳフリップフロップ回路１４の出力は、ＮＡＮＤ回路１８へ出力されている。従って、ＮＡＮＤ回路１８には、ＲＳフリップフロップ回路１４の出力信号と、発振器６から出力されるスイッチング素子１の最大デューティーサイクル信号９と、起動／停止回路１５からの出力信号と、過熱保護回路１７とが、それぞれ入力されている。そして、ＮＡＮＤ回路１８の出力が、スイッチング素子１のスイッチング制御信号として、ドライブ回路１９を介してスイッチング素子１に与えられている。スイッチング素子１は、ドライブ回路１９から出力されるスイッチング制御信号によってスイッチング制御される。
【００１３】
図１３は、従来のスイッチング電源制御用半導体装置を用いて構成した、スイッチング電源の一例を示す回路図である。このスイッチング電源装置では、商用の交流電源が、ダイオードブリッジなどの整流器２２により整流されて入力コンデンサ２３にて平滑化されることにより、直流電圧ＶＩＮとされて、電力変換用トランス２４に与えられている。電力変換用のトランス２４は、第１の一次巻線２４ａおよび第２の一次巻線２４ｂと、二次巻線２４ｃとを有しており、直流電圧ＶＩＮが第１の一次巻線２４ａに与えられる。
【００１４】
トランス２４の第１の一次巻線２４ａに与えられた直流電力は、半導体装置３２内に設けられたスイッチング素子１によりスイッチングされる。そして、そのスイッチング素子１のスイッチング動作によって、トランス２４の二次巻線２４ｃに電流が取り出される。二次巻線２４ｃに取り出された電流は、二次巻線２４ｃに接続されたダイオード２７およびコンデンサ２８により、整流および平滑化され、出力電圧ＶＯの直流電力として負荷２９へ供給される。
【００１５】
トランス２４の第２の一次巻線２４ｂにも、第１の一次巻線２４ａから出力される直流電力が与えられている。第２の一次巻線２４ｂから出力される直流電流は、補助電源部であるダイオード２５およびコンデンサ２６により整流および平滑化されて補助電源電圧ＶＣＣとして出力される。そして、補助電源部から出力される補助電源電圧ＶＣＣが、半導体装置３２の制御端子（ＣＯＮＴＲＯＬ端子）に入力され、半導体装置３２の電源電圧として用いられている。この補助電源電圧ＶＣＣは、トランス２４の二次巻線２４ｃから負荷２９に供給される出力電圧ＶＯと比例する電圧であり、出力電圧ＶＯを安定化させるための帰還信号としても用いられている。
【００１６】
このように構成されたスイッチング電源装置の動作を以下に説明する。
【００１７】
整流器２２に商用電源からの交流電流が入力されると、入力された交流電流が整流器２２とコンデンサ２３とにより、整流および平滑化されて、直流電圧ＶＩＮに変換される。この直流電圧ＶＩＮがトランス２４の第１の一次巻線２４ａに印加される。また、直流電圧ＶＩＮは、半導体装置３２内の起動／停止回路１５によって起動された内部回路電流供給回路１６を介して、第２の一次巻線２４ｂに印加されて、補助電源電圧ＶＣＣ用のコンデンサ２６を充電する。
【００１８】
その後、補助電源電圧ＶＣＣが半導体装置３２内の起動／停止回路１５で設定された起動電圧に達すると内部回路が起動し、スイッチング素子１によるスイッチング動作の制御が開始されると共に、起動／停止回路１５によって、内部回路電流供給回路１６が停止される。このような動作により、通常動作時における半導体装置３２の消費電力が低く抑えられている。
【００１９】
半導体装置３２は、負荷２９に対する出力電圧ＶＯが、所定の電圧にて安定化するように、補助電源電圧ＶＣＣに基づいて、スイッチング素子１によるスイッチング動作を制御している。負荷２９に対する出力電圧ＶＯと、補助電源電圧ＶＣＣとは、トランス２４の第２の一次巻線２４ｂと二次巻線２４ｃの巻数比に比例した電圧になっている。
【００２０】
すなわち、図１４のタイムチャートに示すように、負荷２９への電流供給が小さくなると、出力電圧ＶＯが若干上昇して（図１４（ａ））、負荷２９への供給電流Ｉｏが低下すると（図１４（ｂ））、補助電源電圧ＶＣＣが上昇して（図１４（ｃ））、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが低下するが（図１４（ｄ））、この誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯとスイッチング素子１を流れる電流検出電圧ＶＣＬが等しくなると、ドレイン電流検出用比較器４から、ＲＳフリップフロップ回路１４のリセット端子へリセット信号が出力される。これにより、ＮＡＮＤ回路１８からは、スイッチング素子１をオフにする信号が出力される。その結果、スイッチング素子１は、スイッチング制御において、オン時間が短くなり、スイッチング素子１を流れる電流ＩＤが低下する（図１４（ｅ））。
【００２１】
このように、制御回路４は、負荷２９に供給される電流に応じて、スイッチング素子１に流れる電流の大きさが制御される電流モード制御方式になっている。誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯと基準電圧源１１の出力電圧ＶＲとを比較する。基準電圧源の出力電圧ＶＲは、当初、軽負荷検出下限電圧ＶＲ１となっている（図１４（ｅ））。負荷２９への電流供給がさらに小さくなる待機時の場合等においては、出力電圧ＶＯがさらに上昇して（図１４（ａ））、負荷２９への供給電流Ｉｏが低下すると（図１４（ｂ））、補助電源電圧ＶＣＣが上昇して（図１４（ｃ））、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが低下する（図１４（ｄ））。
【００２２】
そして、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが軽負荷検出下限電圧ＶＲ１よりも小さくなると、軽負荷検出状態となり、軽負荷検出用比較器１２の出力はローレベルになる。これにより、ＡＮＤ回路１３の出力はローレベルになり、スイッチング素子１のスイッチング動作が停止する。このとき同時に、軽負荷検出用比較器１２の出力を受けて、基準電圧源１１の出力電圧ＶＲは、軽負荷検出下限電圧ＶＲ１から軽負荷検出上限電圧ＶＲ２へ変更される（図１４（ｅ））。
【００２３】
スイッチング素子１によるスイッチング動作が停止して、スイッチング素子１がオフ状態になると、スイッチング素子１には電流が流れない状態になる（図１４（ｆ））。これにより、トランス２４の第１の一次巻線２４ａを介した二次巻線２４ｃへの電力供給が行われなくなるため、負荷２９への電力供給はコンデンサ２８からのみとなり、出力電圧ＶＯは徐々に低下する。これにより、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが徐々に上昇するが、基準電圧源１１の出力電圧は、軽負荷検出下限電圧ＶＲ１よりも高い軽負荷検出上限電圧ＶＲ２になっているため、図１４に示すように、スイッチング素子１によるスイッチング動作が直ちに再開されることはない。そして、さらに出力電圧ＶＯが低下して、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが軽負荷検出上限電圧ＶＲ２を越えたときには、比較器１２の出力はハイレベルとなり、スイッチング素子１のオンオフ動作が再開される。
【００２４】
このとき、同時に、基準電圧源１１の出力電圧ＶＲは、軽負荷検出上限電圧ＶＲ２から軽負荷検出下限電圧ＶＲ１へ変更される。
【００２５】
スイッチング素子１によるスイッチング動作が再開されると、スイッチング素子１に流れる電流は、軽負荷検出時の電流値よりも大きくなっているため、負荷２９への電力供給は過剰となり、再び出力電圧ＶＯが上昇し、誤差増幅器２の出力電圧ＶＥＡＯが低下する。そして再び軽負荷検出されると、スイッチング素子１のオンオフの繰り返しによるスイッチング動作が停止する。
【００２６】
このように、基準電圧源１１からの出力電圧ＶＲが、軽負荷検出することによって、軽負荷検出下限値ＶＲ１から軽負荷検出上限値ＶＲ２へと変化するため、軽負荷を検出している間は、スイッチング素子１のオンオフ動作を繰り返すスイッチング制御は、停止と再開とが繰り返されるといった間欠発振状態となる。出力電圧ＶＯは、この間欠発振の軽負荷停止期間中に低下するが、この低下の度合いは負荷２９の電流と一次側での電力ロスに依存する。しかし、負荷２９での消費電力に対して一次側での電力ロスが小さい場合においては、負荷２９の電流が小さくなるほど出力電圧ＶＯの低下が緩やかになり、間欠発振の停止期間は負荷２９の電流が小さいほど長くなり、軽負荷になるほど（待機状態２）、スイッチング素子１のスイッチング動作が減少することになる。無負荷状態に近づくほど、つまり、負荷２９への電流供給が小さくなればなるほど、一次側の半導体装置３２の内部回路電流による電力損失が無視できなくなってくる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスイッチング電源制御用半導体装置の構成では、軽負荷時での軽負荷停止期間においては、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させることで、スイッチング動作を間引くことによって軽負荷時の電力ロスを低減していた。しかし、スイッチングの停止期間を設けることでの電力削減以下にはトータルロスを低減することができないという課題がある。
【００２８】
本発明は、これらの問題を解決するものであり、軽負荷時の電力損失をさらに低減することができるスイッチング電源制御用の半導体装置を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、スイッチング電源のスイッチング動作用スイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、を備えたスイッチング電源制御用の半導体装置において、前記制御回路が、前記制御回路の電源電圧と予め設定された基準電圧との誤差電圧信号を生成する誤差増幅器と、前記スイッチング素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、前記誤差増幅器の出力信号と前記電流検出回路の出力信号とを比較する比較器と、前記比較器の出力に基づいて、前記スイッチング素子をスイッチング動作させるための制御信号を出力する制御信号発生回路と、前記制御回路の電源電圧が上昇して、前記誤差増幅器が軽負荷状態を検出したときに、前記誤差増幅器の出力により前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる一方、逆に前記制御回路の電源電圧が低下したときに、前記誤差増幅器の反転出力により、前記スイッチング素子のスイッチング動作を再開させる軽負荷検出回路とを具備する。
【００３０】
上記の構成により、制御回路の電源電圧が上昇する軽負荷の時には、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるため、回路の消費電流を低減することができる。逆に軽負荷状態が解除されて電源電圧が低下すると、スイッチング素子のスイッチング動作を再開して出力電圧を安定化することができ、回路の負荷状態に合わせて回路電流および電力ロスを低減することができる。
【００３１】
本発明の請求項２に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、スイッチング電源のスイッチング動作用スイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、を備えたスイッチング電源制御用の半導体装置において、前記制御回路が、前記制御回路の電源電圧と予め設定された基準電圧との誤差電圧信号を生成する誤差増幅器と、前記スイッチング素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、前記誤差増幅器の出力信号と前記電流検出回路の出力信号とを比較する比較器と、前記比較器の出力に基づいて、前記スイッチング素子をスイッチング動作させるための制御信号を出力する制御信号発生回路と、前記制御回路の電源電圧が上昇して、前記誤差増幅器が軽負荷状態を検出したときに、前記差動増幅器の出力に応じて前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止状態にする軽負荷検出回路とを具備し、前記スイッチング動作の停止状態から復帰するために必要な少なくとも一つの回路ブロックを除いて、他の回路ブロックへの供給電流を通常動作時の１／２以下に低減することを特徴とする。
【００３２】
上記の構成により、軽負荷状態を検出してスイッチング素子のスイッチング動作を停止させる時、その停止状態から復帰するために必要な少なくとも１つの回路ブロックを除いたその他の回路ブロックへの電力供給を低減させるため、軽負荷状態の回路の消費電流を小さく抑えられ、電力ロスを低減することができる。また、少なくとも復帰するために必要な回路ブロックは通常の回路電流で機能しているため、軽負荷状態が解除されて電源電圧が低下した場合には、出力電圧を安定化する通常の回路動作には何ら支障は生じない。
【００３３】
本発明の請求項３に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、前記誤差増幅器の出力電圧が軽負荷検出電圧よりも小さくなったときに、前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる軽負荷停止期間において、前記制御回路の電源電圧を検出する起動／停止回路以外の回路ブロックへの電力供給を停止することを特徴とする。
【００３４】
上記の構成により、軽負荷状態を検出して前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる時、制御回路の電源電圧を検出する起動／停止回路以外への電力供給を停止させることにより、回路消費電流を最小限にして、軽負荷状態での回路電流による電力ロスを低減することができる。
【００３５】
本発明の請求項４に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、請求項１、請求項２および請求項３に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置は、前記スイッチング素子と前記制御回路をワンチップに集積化し、前記スイッチング素子の出力端子と、前記スイッチング素子および前記制御回路の接地端子と、前記制御回路の制御端子との３つの端子を外部出力端子としていることを特徴とする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて具体的に説明する。
【００３７】
図２に示すように軽負荷停止期間での回路電流および、動作期間での回路電流を低減し、電力ロスを低減するために少なくとも一つの回路ブロックにおいて各回路素子の消費電流を低減したり、定電流源の値を低減した構成とする。構成例を図１に示す。なお、図１において、図１２に示す半導体装置と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。従来では回路の消費電流が約２ｍＡ程度あり、２６０Ｖ入力で約１００ｍＷの無負荷時消費電力であったが、ここで、前記構成とすることで、回路の消費電流を例えば、１ｍＡ以下にすることができ、電源として２６０ＶＡＣ入力時において約４０ｍＷの無負荷時消費電力を実現可能である。
【００３８】
また別の方法として、本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す回路図を図３に示す。なお、図３において、図１２に示す半導体装置と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図３に示す半導体装置３０には、軽負荷停止期間において電源電圧を検出する回路以外の少なくとも一つの回路ブロックへの電力供給を低減させるために、軽負荷検出用比較器１２の出力ＶＯ１を入力として受け、軽負荷時停止信号を出力する手段を内蔵した起動／停止回路１０が設けられている。起動／停止回路１０から出力される軽負荷停止信号Ｓ２on offにより、電源電圧を検出する起動／停止回路１０以外の少なくとも一つの回路ブロックへの電力供給を強制的に制限することで軽負荷停止期間での回路電流を低減させる。また、軽負荷停止期間からの復帰は起動／停止回路１０の内部で電源電圧を検出し、軽負荷検出時の電源電圧：Vc cnt（軽負荷検出用比較器１２の出力ＶＯ１が“Ｈ”から“Ｌ”になる時の電源電圧）以下の電圧：Vc Rに電源電圧が低下することを検出し、復帰信号を軽負荷停止信号Ｓ２on offとして出力する信号を少なくとも一つの停止している各回路ブロックが受けることで行う。
【００４０】
軽負荷停止信号Ｓ２on offの入力を受けて電力消費を低減する方法としては電源電圧の供給を強制的に切断する方法がある。また、別の方法として、定電流源を用いて電力供給をしている場合は、その定電流源からの電力供給を切断する方法もある。
【００４１】
軽負荷停止期間において、誤差増幅器４２への電力供給を切断する場合において、軽負荷検出回路４０への電力供給も同時に切断する場合は、誤差増幅器４２の出力を固定する必要はないが、軽負荷停止期間において、比較的に回路の消費電力の大きい誤差増幅器４２への電力供給を切断し、比較的に回路の消費電力の小さい軽負荷検出回路４０への電力供給を切断しない場合は、軽負荷停止期間において誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯを軽負荷検出比較器１２への基準電圧ＶＲ以下に固定する必要がある。その際の誤差増幅器における実施形態の一例を図８に示す。
【００４２】
通常動作期間においては、軽負荷停止信号Ｓ２on off信号は“Ｈ”信号を出力し、各スイッチ７７は導通状態にある。また、軽負荷停止期間においては、軽負荷停止信号Ｓ２on off信号は“Ｌ”信号を出力し、各スイッチ７７は切断状態になり、誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯは電流出力がなくなり、抵抗によって接地されるためにほぼＳＯＵＲＣＥ電位と同等の固定された“Ｌ”信号を出力する。このように図８に示す構成とすることで、軽負荷停止期間において誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯを軽負荷検出比較器１２への基準電圧ＶＲ以下に固定することができ、軽負荷停止期間において、比較的回路の消費電力の大きな誤差増幅器への電力供給の切断が可能となる。
【００４３】
図９は、スイッチング素子１が大きな場合において、それを駆動するために回路の消費電力が比較的大きくなるゲートドライバにおいて、軽負荷停止期間に電力供給を切断する場合のゲートドライバ構成の一例を示す。
【００４４】
動作時の回路の消費電流を低減するために比較的小さな定電流源７９を用い、ＭＯＳトランジスタをミラー接続することで、大きな駆動電流をスイッチング素子に出力する構成をとっている。この定電流源７９の消費電流は動作時においてはゲートドライバトータルの消費電流に対しての比率としては小さいが、軽負荷停止期間においては、スイッチング素子１への電流供給を行わないため、定電流源７９の消費電流は比率としては比較的大きくなる。この定電流源７９からの電流を切断するために軽負荷停止信号Ｓ２on off信号によって、制御されるスイッチ８０を設けることによって、軽負荷停止期間においてゲートドライバの消費電力を低減することを可能としている。
【００４５】
図４は、本発明のスイッチング電源制御用半導体装置を用いて構成した、スイッチング電源の一例を示す回路図である。図４において、図１３に示すスイッチング電源装置と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。図１３との違いは、半導体装置３０のみであり、他の構成は全て同一である。また、図４における起動／停止回路１０の実施形態を図５、図６、図７に示す。
【００４６】
図５は起動／停止回路１０において軽負荷停止信号Ｓ２on offを生成する一例を示す。図５に示す起動／停止回路１０には、制御回路の起動および停止電圧を設定するために、起動／停止比較器４５が設けられている。この起動／停止比較器４５のマイナス入力には基準電圧源４６が入力され、プラス入力には電源電圧ＶＣＣを検出するために電源電圧ＶＣＣを抵抗分割した信号が入力される。そして基準電圧源４６は起動／停止比較器４５の出力を受けて二つの基準電圧に変化する。それにより、起動時の電源電圧Ｖｃ onと停止時の電源電圧Ｖｃ offの関係はＶｃ on＞Ｖｃ offとなる。軽負荷状態となり、起動／停止回路１０以外の少なくとも一つの回路ブロックへの電力供給を切断するために軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｌ”信号を出すのは軽負荷検出回路４０からの出力ＶＯ１が“Ｌ”になったときである。そのときの電源電圧をＶｃ cnt1とする。軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｌ”信号を出す軽負荷停止期間においては起動停止信号Ｖon offも“Ｌ”信号を出力するために図３でのＮＡＮＤ回路１８へ“Ｌ”信号が出力され、スイッチング素子１の動作は停止する。
【００４７】
また、軽負荷状態からの復帰信号は誤差増幅器４２、軽負荷検出回路４０への電力供給が切断されていていなければ、ＶＯ１が“Ｈ”となることで、各回路ブロックへの電力供給を復帰すればよいが、軽負荷停止期間において、誤差増幅器４２、軽負荷検出回路４０への電力供給を切断する場合にはＶＯ１を復帰信号として用いることはできない。そこで、図５においては電源電圧がＶｃ cnt1よりも低い電圧であるＶｃ R4に低下したことを検出して、電力供給を切断されている各回路ブロックへの電力供給を復帰させるために軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｈ”信号を出す動作を行う。
【００４８】
ここで、Ｖｃ cnt1 、Ｖｃ R4、Ｖｃ offの関係はＶｃ cnt1＞Ｖｃ R4＞Ｖｃ offである。
【００４９】
この動作によって軽負荷停止期間において誤差増幅器４２、軽負荷検出回路４０への電力供給を切断することが可能となる。
【００５０】
軽負荷停止期間においてはスイッチング素子１がスイッチング動作を停止しているため、電源電圧の変動要因が少なくなるため、復帰信号を電源電圧を直接抵抗分割で行うことで生成することが比較的容易である。上記構成において基準電圧源５７は軽負荷復帰検出用比較器４７の基準電圧であり、軽負荷復帰検出用比較器４７の出力ＶＲＳを受けて、ＶＲ57 A＞ＶＲ57 Bの関係にある二つの電圧ＶＲ57 AとＶＲ57 Bの値を出力する。このことにより、軽負荷復帰検出用比較器４７の出力ＶＲＳが、“Ｌ”から“Ｈ”に変化したとき安定して一定期間“Ｈ”信号を保つことができ、再度、軽負荷状態への移行が可能となる。
【００５１】
図１０は図５に示す構成の起動／停止回路を用い、さらに誤差増幅器としては図８に示す構成を用いた場合の電源としてのタイミングチャートを示す。
【００５２】
定常負荷状態から負荷が軽くなり、負荷２９への電流供給が小さくなると、出力電圧ＶＯが若干上昇して（図１０（ａ））、負荷２９への供給電流Ｉｏが低下すると（図１０（ｂ））、補助電源電圧ＶＣＣが上昇して（図１０（ｃ））、誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯが低下するが（図１０（ｄ））、この誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯとスイッチング素子１を流れる電流検出電圧ＶＣＬが等しくなると、ドレイン電流検出用比較器４からＲＳフリップフロップ回路１４のリセット端子へリセット信号が出力される。これにより、ＮＡＮＤ回路１８からは、スイッチング素子１をオフにする信号が出力される。その結果、スイッチング素子１は、スイッチング制御において、オン時間が短くなり、スイッチング素子１を流れる電流ＩＤが低下する（図１０（ｉ））。
【００５３】
このように、制御回路３０は、負荷２９に供給される電流に応じて、スイッチング素子１に流れる電流の大きさが制御される電流モード制御方式になっている。
【００５４】
さらに負荷が軽くなり、出力電圧ＶＯが上昇すると、誤差増幅器４２の出力電圧ＶＥＡＯも低下し、電源電圧ＶＣＣが軽負荷検出電源電圧：Ｖｃ cnt1に達すると、軽負荷検出回路の出力電圧ＶＯ１が“Ｈ”から“Ｌ”に反転し（図１０（ｅ））、スイッチング素子１の動作が停止する（図１０（ｉ））。また、このとき同時に軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｈ”から“Ｌ”に反転し（図１０（ｈ））、少なくとも一つの回路ブロックへの電力供給切断のための信号が出力される。このとき、軽負荷停止信号Ｓ２on offにより、誤差増幅器４２への電力供給が切断され、ＶＥＡＯが“Ｌ”となる（図１０（ｄ））。その後、軽負荷停止期間において出力電圧が徐々に低下し、電源電圧が軽負荷復帰電圧に達すると、軽負荷復帰検出用比較器４７の出力電圧ＶＲＳが“Ｌ”から“Ｈ”となり（図１０（f））、軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｌ”から“Ｈ”に反転し、軽負荷停止期間が解除される。
【００５５】
このような、動作を行うことで、軽負荷停止期間の回路の消費電流を小さく抑えることができ、さらには消費電流を低減することで、軽負荷停止期間を長く保つことが可能となるため、軽負荷時の消費電力を低減することができる。
【００５６】
起動／停止回路の別の実施形態を図６に示す。図６に示す起動／停止回路には軽負荷停止期間から復帰するために電源電圧を検出する軽負荷復帰検出用比較器４７が設けられている。また、回路の起動／停止信号を出力するための起動用比較器、停止用比較器も設けられている。図６の構成においては軽負荷復帰検出用比較器４７の基準電圧は一定値に設定し、軽負荷停止信号Ｓ２on offの出力をスイッチング素子１の発振周期以下の遅延時間を発生させる遅延回路８１を通して出力する構成をとっている。また、起動電圧検出用の比較器５０と停止電圧検出用の比較器４９が別々に設けられている。さらにそれぞれの出力をＲＳフリップフロップのＳおよびＲへ入力することで、起動電圧、停止電圧を設定する。その際に、起動用比較器、停止用比較器、軽負荷復帰検出用比較器、それぞれの基準電圧を全て同一値のＶｂ１とすることで、起動開始電源電圧Ｖｃ onと、停止時電源電圧Ｖｃ offと、軽負荷停止復帰時電源電圧Ｖｃ Rの相対関係をより安定して設定できるという特徴がある。また、図６において、接点Ａと接点Ｂの接続を変えてＶｃ onとＶｃ Rの関係を変えてもよい。
【００５７】
図１１は図６の構成の起動／停止回路を用い、さらに誤差増幅器としては図８に示す構成を用いた場合の電源としてのタイミングチャートを示す。
【００５８】
軽負荷時に少なくとも一つの回路への電力供給を切断するための軽負荷停止信号Ｓ２on offの“Ｌ”出力は、軽負荷検出回路４０の出力ＶＯ１が“Ｈ”から“Ｌ”に反転する（図１１（ｅ））ことで出力される。但し、軽負荷停止信号Ｓ２on offは遅延回路８１を介して出力されるため、ある値の遅延時間後に“Ｈ”から“Ｌ”へ反転する（図１１（ｈ））。
【００５９】
また、軽負荷停止期間からの復帰は、軽負荷復帰検出用比較器４７の出力電圧ＶＲＳが“Ｈ”になる（図１１（ｆ））のを受けて、ある一定の遅延時間後に軽負荷停止信号Ｓ２on offが“Ｌ”から“Ｈ”に反転することで復帰信号が出力されることで行われる（図１１（ｈ））。
【００６０】
さらに、起動／停止回路の別の実施形態を図７に示す。図７の実施形態においては起動電圧、停止電圧を一つの比較器５６で検出し、尚且つ、比較器５６の基準電圧と軽負荷復帰検出用比較器４７の基準電圧を同一値にすることで、構成する素子を少なくし、かつ、起動開始電源電圧Ｖｃ onと、停止時電源電圧Ｖｃ offと、軽負荷停止復帰時電源電圧Ｖｃ Rの相対関係をより安定して設定できるという特徴がある。
【００６１】
図７において、ＮＡＮＤ回路５５の入力となる信号ＰＵは、起動前の状態ではローレベルになっており、起動前の状態においてはＮＡＮＤ回路５５の出力はハイレベル、スイッチング素子５３はオン状態、スイッチング素子５２はオフ状態になっている。また、図７において、接点Ａと接点Ｂの接続を変えてＶｃ onとＶｃ Rの関係を変えてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、本発明のスイッチング電源制御用の半導体装置は、制御回路の電源電圧が上昇する軽負荷の時には、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるため、回路の消費電流を低減することができる。逆に軽負荷の状態が解除されて電源電圧が低下する時には、スイッチング素子のスイッチング動作を再開して出力電圧を安定化する通常の動作を再開する。即ち、回路の負荷状態に合わせて回路電流および電力ロスを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す回路図
【図２】本発明の半導体装置の軽負荷時動作、および電流特性を示す図
【図３】本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す回路図
【図４】本発明の半導体装置を備えたスイッチング電源装置の一例を示す回路図
【図５】本発明の半導体装置の起動／停止回路の内部回路の一例を示す回路図
【図６】本発明の半導体装置の起動／停止回路の内部回路の一例を示す回路図
【図７】本発明の半導体装置の起動／停止回路の内部回路の一例を示す回路図
【図８】本発明の半導体装置の誤差増幅器の内部回路の一例を示す回路図
【図９】本発明の半導体装のゲートドライバの内部回路の一例を示す回路図
【図１０】本発明の半導体装置およびその半導体装置を備えたスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイムチャート
【図１１】本発明の半導体装置およびその半導体装置を備えたスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイムチャート
【図１２】従来の半導体装置の一例を示す回路図
【図１３】その半導体装置を備えたスイッチング電源装置の一例を示す回路図
【図１４】その半導体装置およびその半導体装置を備えたスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイムチャート
【符号の説明】
１ スイッチング素子
２ 誤差増幅器
３ ドレイン電流検出回路
４ ドレイン電流検出用比較器
５ 過電流保護回路
６ 発振器
７ シャントレギュレータ
８ クロック信号
９ 最大デューティーサイクル信号
１０ 起動／停止回路
１１ 基準電圧源
１２ 軽負荷検出用比較器
１３ ＡＮＤ回路
１４ ＲＳフリップフロップ回路
１５ 起動／停止回路
１６ 内部回路電流供給回路
１７ 過熱保護回路
１８ ＮＡＮＤ回路
１９ ドライブ回路
２０ 軽負荷検出回路
２２，２５，２７ 整流器
２３，２６，２８ コンデンサ
２４ トランス
２９ 負荷
３０、３２ 半導体装置
４１ 基準電圧源
４０ 軽負荷検出回路
４２ 誤差増幅器
４５ 起動／停止比較器
４６ 起動／停止電圧用基準電圧源
４７ 軽負荷復帰検出用比較器
４８ スイッチング素子
４９ 停止用比較器
５０ 起動用比較器
５１ ＲＳフリップフロップ
５２、５３ スイッチング素子
５４ インバータ
５５ ＮＡＮＤ回路
５６ 比較器
５７ 基準電圧源
５８ スイッチング素子
５９ ＮＡＮＤ回路
６０ インバータ
７６ 発振器
７７、８０ スイッチ
７８ 抵抗
７９ 定電流源
８１ 遅延回路
Claims (3)
- スイッチング電源のスイッチング動作用スイッチング素子と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、
を備えたスイッチング電源制御用の半導体装置において、
前記制御回路が、前記制御回路の電源電圧と予め設定された基準電圧との誤差電圧信号を生成する誤差増幅器と、
前記スイッチング素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記誤差増幅器の出力信号と前記電流検出回路の出力信号とを比較する比較器と、
前記比較器の出力に基づいて、前記スイッチング素子をスイッチング動作させるための制御信号を出力する制御信号発生回路と、
前記制御回路の電源電圧が上昇して、前記誤差増幅器が軽負荷状態を検出したときに、前記誤差増幅器の出力に応じて前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止状態にする軽負荷検出回路とを具備し、
前記誤差増幅器の出力電圧が軽負荷検出電圧よりも小さくなったときに、前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる軽負荷停止期間において、前記制御回路の電源電圧を検出する起動／停止回路以外の回路ブロックへの電力供給を停止することを特徴とするスイッチング電源制御用の半導体装置。 - 前記スイッチング動作の停止状態から復帰するために必要な少なくとも一つの回路ブロックを除いて、他の回路ブロックへの供給電流を低減することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置。
- 前記スイッチング素子と前記制御回路をワンチップに集積化し、前記スイッチング素子の出力端子と、前記スイッチング素子および前記制御回路の接地端子と、前記制御回路の制御端子との３つの端子を外部出力端子としていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチング電源制御用の半導体装置。
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