JP4696725B2 - スイッチング電源制御用ｉｃ - Google Patents

Description

この発明は、スイッチング電源を制御するための制御用ＩＣ（集積回路）に関する。

最近の環境負荷低減の取組みの一つに、電気製品の待機電力低減が挙げられる。電気製品に電力を供給するために商用電源を直流に変換するスイッチング電源も例外ではなく、タイマーやリモコン等が付加された製品が多いことから、特に待機時の電力低減が急務となっている。

出力電力容量の比較的少ないスイッチング電源では、待機時にスイッチング周波数を低下させスイッチング損失を低減するなどして、待機電力の削減を図っている。また、出力電力容量の比較的多いスイッチング電源では、通常負荷用の電源と待機用の電源（サブ電源）との２つを設け、負荷状態に応じ切り換えて動作させることで実現している。

サブ電源を用いずに一つのスイッチング電源で待機電力削減を実現している手法の一つに、通常時動作モードと待機時動作モードの２つのモードを持つスイッチング電源制御ＩＣを用いる方法がある。その２つのモードは、専用端子によってＩＣ外部の制御信号により切り換えることが可能である。外部の切り換え制御信号は電源装置で生成する場合もあれば、本体製品のマイコンなどの信号を利用する場合もある（例えば、特許文献１：特許第２９５６６８１号公報参照）。

ここで、上記特許文献１に示される従来例と同様の切換方式を採用した特開２００２−２０９３８１号公報に開示されているコンバータ方式の制御回路として用いることのできる、外部の切り換え制御信号が入力される専用端子を持つ制御ＩＣ回路例を、図５に示す。
図５に示す制御ＩＣでは、通常時動作モードでは連続スイッチングを実施し、待機時動作モードでは制御ＩＣ内部で作られるバースト周波数およびバーストオン期間によるバーストスイッチングを実施する。なお、バーストスイッチングとは、高い周波数のスイッチング動作が、その周波数よりも低い周波数でスイッチングの動作／停止を繰り返す動作をいう。

図５について説明する。
図の二重丸は制御ＩＣの各端子を示し、左のＦＢ，ＣＢ，ＳＴＢが入力端子、右のＯＵＴが、パワーＭＯＳＦＥＴのゲートをドライブする出力端子である。ＦＢ端子には通常フォトダイオードやフォトトランジスタがＧＮＤに対して接続され、電源の出力電圧に応じた帰還信号が入力される。この信号と内部発振回路（ＯＳＣ）出力である発振波形とをＰＷＭ部と記した比較器に入力することで、各信号の切り合いに応じた幅のパルスを生成する。このパルスは、電源の出力電圧に応じた帰還信号によってパルス幅が変化するＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行なうための出力パルスとなる。

ＣＢ端子には、待機時動作モードのバースト発振周波数を決定するための容量が接続される。バースト回路ＢＵＲＳＴＯＳＣは、端子電圧に応じて一定の流出／流入電流を切り換え、ＣＢ端子へ出力する。ＣＢ端子に接続された容量に対して上記流出／流入電流を出力することで、三角波発振を行なう。ＯｎＴＢ部で示す比較器では、ＰＷＭ制御パルス生成と同じ要領でＦＢ端子電圧とＣＢ端子電圧とを比較し、両電圧の切り合いに応じた幅のパルスを生成する。このパルスの周波数がバースト周波数、パルス幅がバーストオン期間になる。

ＳＴＢ端子は、制御ＩＣの動作モードを外部信号によって切り換えるための入力端子で、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗのいずれかを入力する。このＳＴＢ端子電圧がＨｉｇｈの場合は、それを入力されるＯＲ回路によってＯｎＴＢ部の出力信号が次段以降に伝達されないので、ＯＵＴ端子にはＰＷＭ部出力と同じパルスが出力される。この状況を通常時動作モードと称し、このときのスイッチング周波数、すなわち回路ＯＳＣの発振周波数をｆ＿ＯＳＣとする。

一方、ＳＴＢ端子電圧がＬｏｗの場合には、ＯＲ回路がＯｎＴＢ部の出力信号を次段以降に伝達させるので、ＯＵＴ端子にはＰＷＭ部とＯｎＴＢ部のＡＮＤ出力が現われる。ここで、回路ＢＵＲＳＴＯＳＣとＣＢ端子容量で決定される発振周波数をｆ＿ＯＳＣＢとすると、ｆ＿ＯＳＣＢはバースト周波数であり、ｆ＿ＯＳＣに対して１／１００以下程度に設定する。
このように、高い周波数と低い周波数のパルスのＡＮＤをとることで、バーストスイッチングを実現している。

回路ＯＳＣは、例えば図６に示すように比較器ＣＰ１，ＣＰ２、リセットセットフリップフロップＲＳＦＦ、反転器Ｉ１，Ｉ２、２つの定電流回路Ｉｃｔ、２つのスイッチＳＷおよびコンデンサＣ等からなり、出力電圧Ｖｃｔを比較器ＣＰ１，ＣＰ２でそれぞれ所定の設定値と比較し、その結果に応じてコンデンサＣの充電または放電を行ない、図示のような三角波信号を出力するものである。

回路ＢＵＲＳＴＯＳＣも、図６に示す回路ＯＳＣと全く同様に構成される。ただし、回路定数は互いに異なり、例えばスイッチング周波数ｆ＿ＯＳＣはバースト周波数ｆ＿ＯＳＣＢより高いので、外部コンデンサを速く充放電できるように、ＯＳＣの電流値ＩｃｔはＢＵＲＳＴＯＳＣのＩｃｔよりも大きくしている。なお、周波数を最終的に決めるのは、外部コンデンサの容量値である。

特許第２９５６６８１号公報

図５の回路では、通常時動作モードと待機時動作モードとを切り換えるべく制御ＩＣ外部から信号を入力するには、スイッチング電源内に信号生成回路を設ける必要がある。スイッチング電源外で用意する場合でも、外部に信号生成回路を設ける必要があり、また内部にもその信号を受けるための回路を設ける必要があるため、結局装置全体では部品点数が増加するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、部品点数を増加させることなく通常時動作モードと待機時動作モードとを切り換えられる制御ＩＣを提供することにある。また、従来からある外部制御信号による手動切換え機能を残しつつ、自動切換え機能も備えた制御ＩＣを提供することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、ＰＷＭコンパレータで三角波または鋸波と比較される比較信号により軽負荷か否かを判定して、待機時動作モードと通常時動作モードとを切り換えるスイッチング電源制御用ＩＣであって、前記待機時動作モードと通常時動作モードとの切換えを前記比較信号によらず手動的に設定する第１の設定端子と、前記待機時動作モードと通常時動作モードとの切換えを、前記比較信号により自動的に行なうか、前記比較信号によらず手動的に行なうかを設定する第２の設定端子とを有することを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記第２の設定端子に、前記通常時動作モードから待
機時動作モードへ自動的に移行する際のしきい値電圧設定端子としての機能を持たせ、外部から前記しきい値電圧を調整可能にすることができ（請求項２の発明）、この請求項２の発明においては、前記しきい値電圧は、電源電圧を抵抗分割して生成することができる（請求項３の発明）。また、請求項１〜３のいずれかの発明においては、動作モードの切換え信号を検出してから、実際の動作モードに移行するまでの遅延時間を設定可能な端子を有することができる（請求項４の発明）。

上記請求項４の発明においては、前記遅延時間は、定電流回路とスイッチング素子とコンデンサからなる充放電回路により生成することができる（請求項５の発明）。
これら請求項１〜５のいずれかの発明においては、前記比較信号は、絶縁型スイッチング電源の二次側からフォトカプラを介して一次側にフィードバックされる信号であることができ（請求項６の発明）、または、前記比較信号は、非絶縁型スイッチング電源の出力からフィードバックされる信号と基準電圧とからエラーアンプにより生成されるエラー信号であることができる（請求項７の発明）。

この発明によれば、制御ＩＣ外でモード切換信号を生成せずに済むので、ＡＴＳＴＢ端子への入力電圧生成回路，ＭＯＤＥ端子電圧容量などの最小限の部品構成で、通常時動作／待機時動作モードの切換えを実現できるという利点が得られる。
また、ＡＴＳＴＢ端子により、従来のような制御ＩＣ外で生成する切換え制御信号による切換え動作にも対応することが可能となる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
図５に示す従来例に対し、手動切換え／自動切換え選択用信号入力端子ＡＴＳＴＢおよびＭＯＤＥ端子と、ＳＥＬ部（比較器），ＡＵＴＯＨ部（自動切換え回路），ＡＵＴＯＬ部（自動切換え回路）と、各種ゲート回路ＮＯＴ１、ＮＡＮＤ１，２、ＯＲ２およびＮＯＲ１，２と、ＮｃｈＭＯＳＦＥＴ（ＭＮ１）等を付加して構成されている。

手動切換え／自動切換え判定回路は、制御ＩＣ内部のＳＥＬ部比較器とスレッシュホールド電圧（設定またはしきい値電圧）ＶＴＨ＿ＳＥＬで構成されており、比較器出力信号はＮＡＮＤ１，ＯＲ２へ入力されている。ＮＡＮＤ１とＯＲ２の出力はＮＡＮＤ２へ入力され、ＮｃｈＭＯＳＦＥＴ（ＭＮ１）のゲートを駆動する信号となる。つまり、ＮＡＮＤ２の出力には、ＡＴＳＴＢ端子電圧がＶＴＨ＿ＳＥＬより高いときはＳＴＢ端子に応じたＨｉｇｈまたはＬｏｗの信号が現われ、逆に低いときはＦＢ端子電圧が入力されているＡＵＴＯＨ，ＡＵＴＯＬの出力をＮＯＲ１で合成した信号が現われる。ＡＵＴＯＨ，ＡＵＴＯＬは自動切換え回路であり、スレッシュホールド電圧ＶＴＨ＿Ｈ，ＶＴＨ＿ＬやゲートＮＯＲ１，ＮＯＲ２から成っている。

内部電源ＶＤＤ，ＭＮ１，ＭＮ１のドレイン端子に接続されている定電流源およびＭＯＤＥ端子から成る回路は動作遅延回路であり、ＭＯＤＥ端子には遅延時間設定用容量が接続される。ＭＯＤＥ端子は、ＮＡＮＤ２の出力がＨｉｇｈのときはＭＮ１によってＧＮＤに固定されており、通常時動作モードにある。ＮＡＮＤ２出力が反転しＭＮ１がオフすることで、端子に接続された容量に対して定電流で充電を行ない、遅延時間を生成する。ＭＯＤＥ端子電圧が上昇しＨｉｇｈになると、ＯＲ１出力にバースト動作を規定するＯｎＴＢ部信号がＡＮＤ１へ入力されてＰＷＭ信号と合成され、バーストスイッチング動作を行なう待機時動作モードとなる。

ここで、ＡＴＳＴＢ端子電圧をＶＴＨ＿ＳＥＬ以下に設定した場合、つまり自動切換えモード時の動作について説明する。
ＦＢ端子電圧がＶＴＨ＿Ｈ以上のときは、ＡＵＴＯＨ（ＡＵＴＯＨ部のコンパレータの出力信号）がＨｉｇｈでＡＵＴＯＬ（ＡＵＴＯＬ部のコンパレータの出力信号）がＬｏｗとなり（ＶＴＨ＿Ｌ＜ＶＴＨ＿Ｈ）、ＮＡＮＤ２出力がＨｉｇｈとなるので、ＭＮ１がオンしてＭＯＤＥ端子をＧＮＤに固定し、通常時動作モードとなる。ＦＢ端子電圧が下降しＶＴＨ＿Ｌ以上ＶＴＨ＿Ｈ以下になると、比較器ＡＵＴＯＨの出力が反転しＬｏｗとなるが、ＮＯＲ２の出力がＨｉｇｈのままであるので、反転した結果は次段以降には伝わらずＭＯＤＥ端子はＧＮＤのままで、通常時動作モードのままである。

さらに、ＦＢ端子電圧が降下してＶＴＨ＿Ｌ以下になると、信号ＡＵＴＯＬがＨｉｇｈに反転する結果、ＮＡＮＤ２出力がＬｏｗに反転してＭＮ１がオフする。これにより、ＭＯＤＥ端子接続容量への充電が開始され、ＭＯＤＥ端子電圧がＨｉｇｈになると待機時動作モードとなる。
このとき、ＭＯＤＥ端子電圧がＨｉｇｈになるまでにＦＢ端子電圧がＶＴＨ＿Ｌを上回った場合には、信号ＡＵＴＯＬが再度反転してＭＯＤＥ端子接続容量への充電が中断され、ＭＯＤＥ端子はＧＮＤに固定され通常時動作モードを維持することになる。この遅延動作は電源の負荷急変に対応するための機能で、ＦＢ端子電圧が待機時動作モード移行スレッシュホールド電圧ＶＴＨ＿Ｌ以下になっても、その状態を遅延時間分維持し続けないと制御ＩＣの動作モードを切り換えないようにしている。

図1の回路は、通常時動作モードと待機時動作モードの切換えを自動で行なうことを本来機能とするが、より汎用性（従来の使い方をする場合にも対応できるようにする）を持たせるために、外部信号によっても切り換えられるようになっている。ただし、そのままだと自動切換え機能と外部信号による切換え機能とがぶつかるので、どちらの機能を選択するかを、ＡＴＳＴＢ端子で選択するようにしている。

ＡＴＳＴＢ端子に外部から信号を供給する形にすると、かえって外部回路の負担が増えて自動切換え機能を設けた意味がなくなるので、ＡＴＳＴＢ端子への入力は、端子の部分でプルアップまたはプルダウンして他の回路ブロックには接続しないようにする。
このとき、ＳＴＢ端子は外部信号による切換えを設定した場合のみ、外部から信号を入力するようにする。自動切換えを設定した場合は、この端子をプルアップまたはプルダウンしておくこととする。これは、自動切換えの場合、ＳＴＢ端子から入力される信号はＮＡＮＤ１でブロックされて意味はなくなるが、入力端子をオープンのままにしておけないためである。

図２にこの発明の第２の実施の形態を示す。
ここでは、待機時動作モード移行スレッシュホールド電圧ＶＴＨ＿Ｌを、制御ＩＣの内部電源ＶＤＤより抵抗分圧により作成してＡＴＳＴＢ端子に接続している点が特徴で、その他は図１と同様である。その電圧ＶＴＨ＿Ｌを最適に設定することで、外部部品のさらなる削減が可能となる。
この場合のＡＴＳＴＢ端子への入力については、次の３つが挙げられる。

ａ）オープン：ＳＥＬおよびＡＵＴＯＬ部への基準電圧を与える。この基準電圧＜ＶＴＨ＿ＳＥＬとなるように、ＶＤＤを分圧する２つの抵抗値を設定しておくことで、自動的に自動切換えが設定される。
ｂ）Ｈｉｇｈを入力：外部信号による切換えが設定される。
ｃ）端子外部に抵抗を接続し、基準電圧値を調整する。

図３にこの発明の第３の実施の形態を示す。
ここでは、ＭＯＤＥ端子接続容量への充電用の定電流回路だけでなく、放電用定電流回路およびＰｃｈＭＯＳＦＥＴ（ＭＰ１）を設けることで、待機時動作モード移行時だけでなく通常時動作モード移行時にも動作遅延時間を設定できるようにしたものである。
図４にこの発明の第４の実施の形態を示す。
同図からも明らかなように、図２と図３の双方の機能を併せ持たせたもの、つまり、待機時動作モード移行スレッシュホールド電圧ＶＴＨ＿Ｌを、制御ＩＣの内部電源ＶＤＤより抵抗分圧により作成してＡＴＳＴＢ端子に接続するとともに、ＭＯＤＥ端子接続容量への充電用の定電流回路だけでなく、放電用定電流回路を設けるようにしたものである。

以上では、電源装置として特許文献１に開示の絶縁型電源装置を想定している。したがってＦＢ端子に入力される信号は、トランス二次側からフォトカプラを介して一次側にフィードバックされる信号である。
しかし、この発明は電源装置として非絶縁型のものにも適用可能である。この場合は、ＦＢ端子の後にエラーアンプを挿入し、そのエラーアンプの出力を後段のＰＷＭ部，ＯｎＴＢ部，ＡＵＴＯＨ部，ＡＵＴＯＬ部に入力すればよい。すなわち、ＰＷＭコンパレータで三角波または鋸波と比較される信号は、非絶縁型スイッチング電源の出力からフィードバックされた信号と基準電圧とから、エラーアンプにより生成されたエラー信号ということになる。

この発明の第１の実施の形態を示す回路構成図 この発明の第２の実施の形態を示す回路構成図 この発明の第３の実施の形態を示す回路構成図 この発明の第４の実施の形態を示す回路構成図 従来例を示す回路構成図 図５の回路ＯＳＣとＢＵＲＳＴＯＳＣの具体例を示す回路構成図

符号の説明

ＯＳＣ…内部発振回路、ＢＵＲＳＴＯＳＣ…バースト発振回路、ＰＷＭ部，ＯｎＴＢ部，ＳＥＬ部…比較器、ＡＵＴＯＨ部，ＡＵＴＯＬ部…自動切換え回路、ＭＮ１，ＭＰ１…ＭＯＳＦＥＴ、ＦＢ，ＣＢ，ＳＴＢ，ＡＴＳＴＢ，ＯＵＴ，ＭＯＤＥ…端子。

Claims (7)

1. ＰＷＭコンパレータで三角波または鋸波と比較される比較信号により軽負荷か否かを判定して、待機時動作モードと通常時動作モードとを切り換えるスイッチング電源制御用ＩＣであって、
   前記待機時動作モードと通常時動作モードとの切換えを前記比較信号によらず手動的に設定する第１の設定端子と、前記待機時動作モードと通常時動作モードとの切換えを、前記比較信号により自動的に行なうか、前記比較信号によらず手動的に行なうかを設定する第２の設定端子とを有することを特徴とするスイッチング電源制御用ＩＣ。
2. 前記第２の設定端子に、前記通常時動作モードから待機時動作モードへ自動的に移行する際のしきい値電圧設定端子としての機能を持たせ、外部から前記しきい値電圧を調整可能にした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ＩＣ。
3. 前記しきい値電圧は、電源電圧を抵抗分割して生成することを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源制御用ＩＣ。
4. 動作モードの切換え信号を検出してから、実際の動作モードに移行するまでの遅延時間を設定可能な端子を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のスイッチング電源制御用ＩＣ。
5. 前記遅延時間は、定電流回路とスイッチング素子とコンデンサからなる充放電回路により生成することを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源制御用ＩＣ。
6. 前記比較信号は、絶縁型スイッチング電源の二次側からフォトカプラを介して一次側にフィードバックされる信号であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のスイッチング電源制御用ＩＣ。
7. 前記比較信号は、非絶縁型スイッチング電源の出力からフィードバックされる信号と基準電圧とからエラーアンプにより生成されるエラー信号であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のスイッチング電源制御用ＩＣ。

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