JP4297828B2 - スイッチング電源装置、およびスイッチング電源装置用ソフトスタート発振回路 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電池を利用したポータブル機器の電源などに利用するスイッチング電源装置、およびスイッチング電源装置用ソフトスタート発振回路に関するものである。

従来、（特許文献１）などに記載されているこの種のスイッチング電源装置は、図４に示すように構成されている。
入力電源１６からチョークコイル１１に流れる電流をＮ型ＭＯＳトランジスタ１２によってスイッチングし、チョークコイル１１とトランジスタ１２との接続点の電圧をショットキーダイオード１３で整流し、コンデンサ１５によって平滑して出力端子２１から負荷（図示せず）へ給電するスイッチング電源装置では、トランジスタ１２のゲートに供給されるスイッチング駆動信号が、スイッチ回路１０を介して、起動発振回路としてのリングオシレータ３の出力か、またはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御発振回路９の出力との、いずれかを選択して運転されている。

図５には、リングオシレータ３とＰＷＭ制御発振回路９の具体的な構成を示している。ＣＲ時定数を用いて一定周波数・一定パルス幅の信号を出力するリングオシレータ３のような回路構成の簡単な発振器は、ＰＷＭ制御発振回路９などに比べて低入力電圧でも動作するので、スイッチ回路１０は、起動時にはリングオシレータ３の出力を選択して、図６（ｄ）に示す一定のパルス幅でトランジスタ１２を駆動して出力電圧を上昇させる。

図５のリングオシレータ３は、コンデンサ２３、インバータ２４，２５，２６，２７，２８，２９、抵抗２２，３１，３３，３４、トランジスタ３０，３２で構成されており、抵抗３３，３４の間のノードの電圧が、図６の（ａ）に示す信号波形である。この抵抗３３，３４の間のノードの電圧は、インバータ５，６，７を介して図６の（ｄ）の信号波形に成形されている。

前記出力端子２１の出力電圧が所定電圧に到達した後は、スイッチ回路１０は、ＰＷＭ制御発振回路９から発生するスイッチング駆動信号を選択してトランジスタ１２を駆動する。

図５のＰＷＭ制御発振回路９は、比較器３６，３７と三角波発生器３８とで構成されており、３５は基準電圧である。このＰＷＭ制御発振回路９から発生するスイッチング駆動信号のパルス幅は、出力端子２１の出力電圧を抵抗１９，２０とで分圧した電圧によって制御されている。検出回路１７は、基準電圧１８と、出力端子２１の出力電圧とを比較し、出力端子２１の出力電圧が目標電圧に近づくようにスイッチ回路１０にＰＷＭ制御回路９の出力を選択させる。

しかしながら、上記従来の方式では、起動の直後に大きなパルス幅で発振を開始することになる。回路起動の直後から大きなパルス幅で発振を開始すると、図６に示すように、出力端子２１の電圧が急激に上昇してしまい、コンデンサ１５を充電するために入力電源１６から流れ出す入力電源電流Ｉ１６としては、大きな電流が必要になる。そのため、入力電源電流Ｉ１６は突入電流となり、入力電源１６に大きな負荷を与え、破壊させてしまう恐れもある。図６は横軸が時間、縦軸が電圧または電流である。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、低入力電圧でも動作する起動発振回路を用いた場合においても、起動の直後の突入電流を防止できるスイッチング電源装置、およびスイッチング電源装置用ソフトスタート発振回路を提供することを目的とする。

本発明のスイッチング電源装置は、スイッチ回路を介してスイッチング素子に起動の直後にはリングオシレータを用いて切り換え制御信号を供給し、前記スイッチング素子のスイッチング動作で入力電源から得られる電圧を変換し、その後に目標電圧に近づくように前記スイッチ回路を切り換えて前記スイッチング素子の切り換え制御信号を、変換後の出力電圧に応じて出力パルス幅が変化するＰＷＭ制御発振回路を用いて供給するスイッチング電源装置において、前記リングオシレータは、継続接続された少なくとも２個のインバータと、前記インバータのうちの最終段のインバータの出力と初段のインバータの入力との間に接続された抵抗とコンデンサからなる直列回路と、を備え、前記最終段のインバータからの一定幅のパルスと、前記直列回路のＣＲ時定数を用いて生成される三角波状の発振波形信号と、を出力する構成を有し、前記リングオシレータと前記スイッチ回路の間に、前記リングオシレータにおいて生成される前記一定幅のパルスと前記発振波形信号に応じて、起動の直後からパルス幅が徐々に長くなる出力信号を前記スイッチ回路へ供給するソフトスタート変換回路を介装したことを特徴とする。

また、前記ソフトスタート変換回路は、コンデンサを時定数付きで充電する電流源と、前記リングオシレータからの前記発振波形信号と前記コンデンサの端子電圧とを比較する比較器とを備え、前記比較器の出力側から前記スイッチ回路へ切り換え制御信号を供給することを特徴とする。

また、前記ソフトスタート変換回路は、コンデンサを時定数付きで充電する電流源と、前記リングオシレータからの前記発振波形信号と前記コンデンサの端子電圧とを比較する比較器と、前記比較器の出力と前記リングオシレータからの前記一定幅のパルスに対してレベル遷移が反転している信号との論理積を検出するＡＮＤ回路とを備え、前記ＡＮＤ回路の出力から前記スイッチ回路へ切り換え制御信号を供給することを特徴とする。

本発明のスイッチング電源装置、およびスイッチング電源装置用ソフトスタート発振回路によれば、低入力電圧の場合でも動作するリングオシレータを用いた場合でもスイッチング素子の切り換え制御信号（スイッチング駆動信号）のパルス幅を徐々に広げることができ、入力電源からスイッチング素子への突入電流を防止することができ、入力電源を保護することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１は本発明のスイッチング電源装置を示し、図４に示した従来例とは、リングオシレータ３の出力とスイッチ回路１０の間に、ソフトスタート変換回路４０が介装されている点だけが異なっている。その他は図４ならびに図５と同様である。 図２はリングオシレータおよびＰＷＭ型制御発振回路について詳細な回路図に置き換えたものである。

ソフトスタート変換回路４０は、定電流源１と、この定電流源１によって充電されるコンデンサ２と、比較器４と、ＡＮＤ回路８とで構成されている。
スイッチング回路起動直後においては定電流源１によりコンデンサ２が充電されて、コンデンサ２の端子電圧（ｂ）は図３のように時間の経過に伴って次第に上昇する。これが比較器４の非反転入力（＋）に印加されている。

比較器４の反転入力（−）には、前記リングオシレータ３の出力（ａ）の繰り返しの発振波形信号が図３のように印加されている。
比較器４の出力（ｃ）には、時々の電圧（ｂ）と前記リングオシレータ３の出力（ａ）とを比較器４が比較して、出力（ａ）が電圧（ｂ）よりも低電圧の期間に“Ｈ”レベルが発生する。したがって、図３に示すように出力（ｃ）には前記リングオシレータ３の起動の直後から次第に“Ｈ”レベルの期間が徐々に長くなっていき、コンデンサ２が所定充電した後は“Ｈ”レベルのままの状態となる。

また、前記リングオシレータ３のインバータ２９の出力信号をインバータ５，６を介して入力としたインバータ７の出力信号（ｄ）は、前記リングオシレータ３の起動開始の直後から図３に示すように一定のパルス幅の信号が発生し、比較器４の出力（ｃ）はこの一定のパルス幅の前記出力信号（ｄ）と同相で動作している。

一定のパルス幅で動作する出力信号（ｄ）と、この出力信号（ｄ）と同相で動作する比較器４の出力（ｃ）を入力とするＡＮＤ回路８の出力（ｅ）は、起動開始の直後には、比較器４の出力（ｃ）が一定のパルス幅で動作する（ｄ）に比べパルス幅が小さいため、図３に示すように比較器４の出力（ｃ）が支配的になり、その後に、比較器４の出力（ｃ）のパルス幅と同様にパルス幅が徐々に広がっていき、所定充電の後には、比較器４の出力（ｃ）が“Ｈ”レベルのままになるため一定のパルス幅で動作する出力信号（ｄ）が支配的になりパルス幅が一定になり、その結果、前記ＡＮＤ回路８の出力（ｅ）はソフトスタート動作をする。

なお、図１ではリングオシレータ３とインバータ５，６，７とソフトスタート変換回路４０とで、スイッチング電源装置用ソフトスタート発振回路４１が構成されている。
出力端子２１の出力電圧が所定電圧に到達して、スイッチ回路１０により切り換え制御信号（スイッチング駆動信号）をＰＷＭ型制御発振回路９の出力に切り換えた後の動作は、図４〜図６に示した従来例と同様であるので説明を省略する。

このように構成したため、低入力電圧の場合でも動作するリングオシレータ３を用いた場合においても、入力電源１６からスイッチング素子であるトランジスタ１２への突入電流を防止することができ、入力電源１６を保護することが可能となる。

本発明のスイッチング電源装置、およびスイッチング電源装置用ソフトスタート発振回路は、電源電圧が立ち上がる途中の低い電源電圧からでも動作するリングオシレータを用いて、起動時の入力電源からの突入電流を防止して入力電源を保護することが可能となるものであり、特にポータブル電子機器などに用いられる電源装置として有用である。

本発明のスイッチング電源装置の構成図 同実施の形態の回路図 同実施の形態の要部の信号波形図 従来のスイッチング電源装置の構成図 同従来例の回路図 同従来例の要部の信号波形図

符号の説明

１ 定電流源
２，２３ コンデンサ
３ リングオシレータ
４，３６，３７ 比較器
５，６，７，２４，２５，２６，２７，２８，２９ インバータ
８ ＡＮＤ回路
９ ＰＷＭ制御発振回路
１０ スイッチ回路
１１ チョークコイル
１２ Ｎ型ＭＯＳトランジスタ（スイッチング素子）
１３ ショットキーダイオード
１４，１５ コンデンサ
１６ 入力電源
１７ 検出回路
３８ 三角波発生器
Ｉ１６ 入力電源電流
４０ ソフトスタート変換回路
４１ スイッチング電源装置用ソフトスタート発振回路

Claims (4)

1. スイッチ回路を介してスイッチング素子に起動の直後にはリングオシレータを用いて切り換え制御信号を供給し、前記スイッチング素子のスイッチング動作で入力電源から得られる電圧を変換し、その後に目標電圧に近づくように前記スイッチ回路を切り換えて前記スイッチング素子の切り換え制御信号を、変換後の出力電圧に応じて出力パルス幅が変化するＰＷＭ制御発振回路を用いて供給するスイッチング電源装置において、
   前記リングオシレータは、継続接続された少なくとも２個のインバータと、前記インバータのうちの最終段のインバータの出力と初段のインバータの入力との間に接続された抵抗とコンデンサからなる直列回路と、を備え、前記最終段のインバータからの一定幅のパルスと、前記直列回路のＣＲ時定数を用いて生成される三角波状の発振波形信号と、を出力する構成を有し、
   前記リングオシレータと前記スイッチ回路の間に、前記リングオシレータにおいて生成される前記一定幅のパルスと前記発振波形信号に応じて、起動の直後からパルス幅が徐々に長くなる出力信号を前記スイッチ回路へ供給するソフトスタート変換回路を介装した
   スイッチング電源装置。
2. 前記ソフトスタート変換回路は、
   コンデンサを時定数付きで充電する電流源と、
   前記リングオシレータからの前記発振波形信号と前記コンデンサの端子電圧とを比較する比較器と
   を備え、前記比較器の出力側から前記スイッチ回路へ切り換え制御信号を供給する
   請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記ソフトスタート変換回路は、
   コンデンサを時定数付きで充電する電流源と、
   前記リングオシレータからの前記発振波形信号と前記コンデンサの端子電圧とを比較する比較器と、
   前記比較器の出力と前記リングオシレータからの前記一定幅のパルスに対してレベル遷移が反転している信号との論理積を検出するＡＮＤ回路と
   を備え、前記ＡＮＤ回路の出力から前記スイッチ回路へ切り換え制御信号を供給する
   請求項１記載のスイッチング電源装置。
4. 継続接続された少なくとも２個のインバータと、前記インバータのうちの最終段のインバータの出力と初段のインバータの入力との間に接続された抵抗とコンデンサからなる直列回路と、を備え、前記最終段のインバータからの一定幅のパルスと、前記直列回路のＣＲ時定数を用いて生成される三角波状の発振波形信号と、を出力する構成を有し、起動の直後に発振を開始するリングオシレータと、
   前記リングオシレータにおいて生成される前記一定幅のパルスと前記発振波形信号に応じて、起動の直後からパルス幅が徐々に長くなる切り換え制御信号を発生するソフトスタート変換回路と
   を設けたスイッチング電源装置用ソフトスタート発振回路。

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