JP6272668B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、過電流検出機能を有するスイッチング電源装置に関する。

過電流検出機能を有する従来のスイッチング電源装置として特許文献１，２に記載の装置がある。特許文献１に記載のスイッチング電源装置では、出力電圧の分圧値と基準電圧との比較によって帰還信号を生成してスイッチング制御用ＩＣのフィードバック端子に入力する。そして、このフィードバック端子にツェナーダイオードを接続するか否かによって過電流保護動作をラッチ方式にするかヒカップ方式にするかを選択できるようにし、スイッチング制御用ＩＣの端子数の増加を抑えることが記載されている。

また、特許文献２に記載のスイッチング電源装置では、スイッチング素子に流れる電流が第１所定電流値を超えたときは第１の過電流保護機能が動作してスイッチング動作を停止し、第２所定電流値を超えたときは第２の過電流保護機能が動作してスイッチング素子が急速にターンオフして電流ピーク値を制限する。そして、起動時の突入電流を制限するソフトスタート期間が終了した時点のソフトスタート端子の電圧（そこに接続される抵抗によって決まる）によって第１の過電流保護機能の設定／非設定を選択できるようにし、スイッチング制御用ＩＣの端子数の増加を抑えることが記載されている。

特開２０１１−１８２５３７号公報 国際公開ＷＯ２０１１／１２９１８５号公報

特許文献１，２では、スイッチング制御用ＩＣの端子数の増加を抑えている。しかし、特許文献１では過電流検出動作時以外ではフィードバック端子を共用することができない。また、引用文献２ではソフトスタート動作が完了するまではソフトスタート端子の電圧を利用することができない。つまり、引用文献１，２では共用する端子を独立して使用することができない。

本発明の目的は、過電流検出入力端子を共用端子として使用することで端子数の増加を抑え、且つ、その過電流検出入力端子を本来の過電流検出以外の用途に独立して使用できるようにしたスイッチング電源装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、ドライバによってオン／オフ駆動されるパワートランジスタと、過電流検出用の電流検出端子と、前記パワートランジスタに直列接続された第１の抵抗と、前記パワートランジスタと前記第１の抵抗の共通接続点と前記電流検出端子との間に接続された第２の抵抗と、前記パワートランジスタがオフのときのみに前記電流検出端子から前記第１の抵抗及び前記第２の抵抗にバイアス電流を供給する電流源と、前記パワートランジスタがオンのときに前記電流検出端子に得られる第１の電圧を閾値と比較して過電流を検出する過電流検出回路と、前記パワートランジスタがオフのときに前記電流検出端子に得られる第２の電圧の値に応じてスイッチング電源制御に関わる機能の変更又は活性化又は非活性化の切り替えを行う判定回路とを備えることを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、ドライバによってオン／オフ駆動されるパワートランジスタと、過電流検出用の電流検出端子と、該パワートランジスタに直列接続された第１の抵抗と、前記パワートランジスタと前記第１の抵抗の共通接続点と前記電流検出端子との間に接続された第２の抵抗と、前記パワートランジスタがオフのときのみに前記電流検出端子から前記第１の抵抗及び前記第２の抵抗にバイアス電流を供給する電流源と、前記パワートランジスタがオンのときに前記電流検出端子に得られる第１の電圧を閾値と比較して過電流を検出する過電流検出回路と、前記パワートランジスタがオフのときに前記電流検出端子に得られる第２の電圧を保持するサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路で保持された前記第２の電圧の値に応じてスイッチング電源制御に関わるパラメータの設定又は変更を行う回路とを備えることを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置において、前記第２の抵抗は、交換可能なように外付けで接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、パワートランジスタがオフのときに第２の抵抗にバイアス電流を流して過電流検出入力端子に第２の電圧を発生させ、この第２の電圧を、スイッチング電源制御の機能の追加や変更あるいはパラメータの設定や変更に利用できるようにしたので、過電流検出動作に影響を与えることなく、スイッチング電源制御の機能の追加や変更あるいはパラメータの設定や変更が可能であり、また、端子数が増加することもない。

本発明の実施例１のスイッチング電源装置の回路図である。 本発明の実施例２のスイッチング電源装置の回路図である。 本発明の実施例３のスイッチング電源装置の回路図である。 本発明の実施例４のスイッチング電源装置の回路図である。 本発明の実施例５のスイッチング電源装置の回路図である。 本発明の実施例６のスイッチング電源装置の回路図である。 図１のスイッチング電源装置の動作波形図である。

＜実施例１＞
図１に実施例１の降圧型のスイッチング電源装置を示す。ＭＰ１はＰＭＯＳのパワートランジスタ、ＲｓはそのパワートランジスタＭＰ１に流れる負荷電流を検出する外付けの抵抗（第１の抵抗）、ＲｆはパワートランジスタＭＰ１がオフのときに後記するバイアス電流Ｉｂを流す抵抗（第２の抵抗）、Ｃｆは抵抗Ｒｆとでフィルタを構成するコンデンサ、Ｌ１はインダクタ、Ｄ１はダイオード、Ｃ１は出力コンデンサである。

１０Ａはスイッチング電源装置本体（１チップＩＣ）であり、高電位電源端子１１、過電流検出入力端子１２、駆動出力端子１３、ハイサイド電源端子１４、接地端子１５等を外部端子として備える。内部には、パワートランジスタＭＰ１をＰＷＭ（パルス幅変調）駆動するドライバ１６、閾値電圧Ｖｒｅｆ０と過電流検出入力端子１２に発生する電圧Ｖ１とを比較するコンパレータ１７からなる過電流検出回路１８を備える。また、過電流検出入力端子１２とハイサイド電源端子１４との間に接続されバイアス電流Ｉｂを流すバイアス電流源１９を備える。また、閾値電圧ＶｒｅｆＡと過電流検出入力端子１２の電圧Ｖ１を比較するコンパレータ２０、閾値電圧ＶｒｅｆＢと過電流検出入力端子１２の電圧Ｖ１を比較するコンパレータ２１、パワートランジスタＭＰ１がオフのときに検出したコンパレータ２０，２１の出力を保持するラッチ２２，２３からなる判定回路２４を備える。さらに、判定回路２４の２個の出力を取り込んでその組み合わせに応じて所定の設定を切り替える制御切替回路２５を備える。なお、バイアス電流源１９、ラッチ２２，２３を制御するＣＬＫは、パワートランジスタＭＰ１を駆動するＰＷＭ信号に同期したクロックである。

本実施例のスイッチング電源装置のメイン機能は過電流検出機能である。パワートランジスタＭＰ１がオンしているとき、そのパワートランジスタＭＰ１に流れる電流Ｉｐが抵抗Ｒｓに流れることで電圧Ｖ１が発生し、この電圧Ｖ１が抵抗Ｒｆを介して過電流検出入力端子１２からスイッチング電源装置本体１０Ａに取り込まれる。この電圧Ｖ１は、コンパレータ１７で閾値電圧Ｖｒｅｆ０と比較され、Ｖ１＜Ｖｒｅｆ０のとき、過電流検出信号Ｖｐが生成し、これに基づき所定の過電流保護処理が行われる。抵抗ＲｆとコンデンサＣｆで構成されるフィルタは、パワートランジスタＭＰ１のオン直後の抵抗Ｒｓと抵抗Ｒｆの共通接続点の急峻な電圧立上りやノイズを緩和するためのものである。パワートランジスタＭＰ１がオンしているときは、クロックＣＬＫによってバイアス電流源１９がオフとなるので、抵抗Ｒｆにはバイアス電流が流れない。以上の過電流検出には既存技術を利用している。

本発明はサブ機能に特徴がある。このサブ機能は、パワートランジスタＭＰ１のオフ時に、抵抗Ｒｆにバイアス電流源１９によって流れるバイアス電流Ｉｂを利用する機能である。パワートランジスタＭＰ１がオフになるときとして、図７に示した通常スイッチングのオン／オフ動作時の他に、スイッチング電源装置の起動時、低電圧や過電流による保護機能動作時、スタンバイ時等がある。抵抗ＲｓとＲｆの値を、Ｒｆ＞＞Ｒｓに設定すると、パワートランジスタＭＰ１のオフ時の電圧Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｒｆ×Ｉｂ （１）
で表される。この電圧Ｖ１が過電流検出入力端子１２に発生するので、本実施例では、この電圧Ｖ１がどの電圧範囲内にあるかに応じて、スイッチング電源制御に関わる機能を切り替える。

このために、本実施例では、この電圧Ｖ１をコンパレータ２０，２１において閾値電圧ＶｒｅｆＡ，ＶｒｅｆＢと比較し、その比較結果をパワートランジスタＭＰ１がオフのときにラッチ回路２２，２３に保持しておく。そして、そのラッチ回路２２，２３の出力を制御切替回路２５に入力し、この制御切替回路２５によって、スイッチング電源制御に関わる機能を切り替える。

この制御切替回路２５は、その電圧Ｖ１の値に応じて以下のようなモードＡ，Ｂ，Ｃのうちから１つを選択する。ＶｒｅｆＡ＜ＶｒｅｆＢとしたとき、
（１）Ｖ１＜ＶｒｅｆＡのとき：モードＡ
（２）ＶｒｅｆＡ≦Ｖ１＜ＶｒｅｆＢのとき：モードＢ
（３）ＶｒｅｆＢ≦Ｖ１のとき：モードＣ
である。

これら３種類のモードＡ，Ｂ，Ｃの切り替えに適用可能な例として、
（ａ）過電流検出時の処理動作の３種類の切替（パルスバイパルスモード、ヒカップモード、タイマラッチモード）
（ｂ）過電流検出回路１８の閾値電圧Ｖｒｅｆ０の３種類の切替
（ｃ）ＰＷＭモード時のスイッチング周波数の３種類の切替
（ｄ）ドライバ１６の出力電圧振幅の３種類の切替
（ｅ）ＰＷＭモード、ＰＷＭ／ＰＦＭモード（ＰＦＭはパルス周波数変調である。この場合は２種類の切り替えとなる。）
等がある。

なお、「パルスバイパルスモード」とは、スイッチングの１サイクルごとに過電流制限が行われ、次のクロックサイクルではリセットされて再度電流検出から始まる動作を繰り返すモードである。また、「ヒカップモード」とは、過電流状態を検出してスイッチング動作を止めた際に、設定されたクールダウン時間間隔で自動的に復帰を試みるモードである。さらに、「タイマラッチモード」とは、過電流検出が行われた後に負荷の状態が回復してもリセット操作を行なわないと動作を再開しないモードである。

上記した電圧Ｖ１は、外付けの抵抗Ｒｆやバイアス電流ＩｂがパワートランジスタＭＰ１で発生する熱の影響を大きく受けるように状況設定を行っておいた場合は、その発熱温度によって異なる。この場合は、上記したモードＡ，Ｂ，Ｃの振り分けがその発熱温度に応じて行われる。

また、上記した電圧Ｖ１は、外付けの抵抗Ｒｆの値によっても異なってくる。この場合は、上記したモードＡ，Ｂ，Ｃの振り分けが抵抗Ｒｆの設定値に応じて行われる。よって、ユーザにおいて抵抗Ｒｆの値を適宜選定することで、前記したモードＡ，Ｂ，Ｃの振り分けを任意に行うことが可能となる。なお、この場合は、外付けの抵抗Ｒｆやバイアス電流Ｉｂが温度の影響を受けないような状況設定を行っておいてもよい。

なお、制御切替回路２５は、比較結果に応じて上記したモードＡ，Ｂ，Ｃの振り分けを行う他に、比較結果に応じて特定の回路の活性化／非活性化の切り替えに利用することもできる。なお、制御切替回路２５は、判定回路２４の出力数を変えることで、切り替えるモードの数を変えることができる。

＜実施例２＞
図２に実施例２の降圧型のスイッチング電源装置を示す。１０Ｂはスイッチング電源装置本体（１チップＩＣ）であり、図１のスイッチング電源装置本体１０Ａに備えられているドライバ１６、過電流検出回路１８、バイアス電流源１９の他は、パワートランジスタＭＰ１がオフのときオンするスイッチ３１とホールド用コンデンサＣｈを備えたサンプルホールド回路３０、そのサンプルホールド回路３０のホールド電圧Ｖ１ｈに応じた電流Ｉａが抵抗Ｒ１に流れるよう制御するオペアンプ３２とＰＭＯＳトランジスタＭＰ２、その電流Ｉａを入力してパラメータ設定を行う第１の回路３４、ホールド電圧Ｖ１ｈをバッファリングするバッファ回路３３、およびバッファ回路３３の出力電圧（＝Ｖ１ｈ）を入力してパラメータ設定を行う第２の回路３５を備える。なお、電流源１９、スイッチ３１を制御するＣＬＫは、パワートランジスタＭＰ１を駆動するＰＷＭ信号に同期したクロックである。

本実施例のスイッチング電源装置は、メイン機能の過電流検出は図１の実施例１と同じである。サブ機能は、パワートランジスタＭＰ１のオフ時に、抵抗Ｒｆに流れるバイアス電流Ｉｂにより発生する電圧Ｖ１を利用する点では実施例１と同じであるが、ここでは、その電圧Ｖ１を、サンプルホールド回路３０によってホールド電圧Ｖ１ｈとして保持してから、オペアンプ３２およびバッファ回路３３に入力する。オペアンプ３２ではその電圧Ｖ１ｈを抵抗Ｒ１により電流Ｉａに変換して第１の回路３４に入力させ、バッファ回路３３ではその電圧Ｖ１ｈを第２の回路３５に入力させる。

第１の回路３４に流れる電流Ｉａは、
Ｉａ＝（Ｖｃｃ−Ｖ１ｈ）／Ｒ１ （２）
となる。第１の回路３４としては、この入力した電流Ｉａに応じてパラメータの設定／変更を行う回路、例えば、スイッチング電源装置の起動時の突入電流を抑制するソフトスタート回路のソフトスタート時間設定用の充電電流設定回路、前記の「ヒカップモード」におけるクールダウン時間設定回路、スイッチング周波数設定回路等のように、電流Ｉａを基準電流として利用してパラメータの設定／変更を行う回路が挙げられる。

一方、第２の回路３５としては、入力した電圧Ｖ１ｈに応じてパラメータの設定／変更を行う回路、例えば、ドライバ１６の出力電圧振幅の設定回路、過電流検出回路１８の閾値電圧Ｖｒｅｆ０の設定回路、サーマルシャットダウン（ＴＳＤ）電圧の設定回路等のように、ホールド電圧Ｖ１ｈを基準電圧として利用してパラメータの設定／変更を行う回路が挙げられる。

上記した電流Ｉａや電圧Ｖ１ｈは、外付けの抵抗Ｒｆやバイアス電流ＩｂがパワートランジスタＭＰ１で発生する熱の影響を大きく受けるように状況設定を行っておいた場合は、その発熱温度によって異なる。この場合は、上記した第１の回路３４および第２の回路３５での設定内容がその発熱温度に応じて行われる。

また、上記した電流Ｉａや電圧Ｖ１ｈは、外付けの抵抗Ｒｆの値によっても異なってくる。この場合は、上記した第１の回路３４および第２の回路３５での設定内容が抵抗Ｒｆの設定値に応じて行われる。よって、ユーザにおいて抵抗Ｒｆの値を適宜設定することで、上記した第１の回路３４および第２の回路３５での設定内容を任意に変更することが可能となる。なお、この場合は、外付けの抵抗Ｒｆやバイアス電流Ｉｂが温度の影響を受けないような状況設定を行っておいてもよい。

＜実施例３＞
図３に実施例３の降圧型のスイッチング電源装置を示す。このスイッチング電源装置は、図１のスイッチング電源装置において、ダイオードＤ１をＮＭＯＳパワートランジスタＭＮ１に置き換え、スイッチング電源装置本体１０Ｃに、ローサイド電源端子１４ａと接地端子１５との間に接続されたドライバ１６ａを設けて、そのドライバ１６ａによって、パワートランジスタＭＮ１がパワートランジスタＭＰ１と相補的にＰＷＭ駆動されるようにしたものである。動作は図１で説明したスイッチング電源装置と同じである。

＜実施例４＞
図４に実施例４の降圧型のスイッチング電源装置を示す。このスイッチング電源装置は、図２のスイッチング電源装置において、ダイオードＤ１をパワーＮＭＯＳパワートランジスタＭＮ１に置き換え、スイッチング電源装置本体１０Ｄに、ローサイド電源端子１４ａと接地端子１５との間に接続されたドライバ１６ａを設けて、そのドライバ１６ａによって、パワートランジスタＭＮ１がパワートランジスタＭＰ１と相補的にＰＷＭ駆動されるようにしたものである。動作は図２で説明したスイッチング電源装置と同じである。

＜実施例５＞
図５に実施例５の昇圧型のスイッチング電源装置を示す。このスイッチング電源装置は、パワートランジスタＭＮ１のドレインと高電位電源端子１１との間にインダクタＬ２を接続し、そのインダクタＬ２とパワートランジスタＭＮ１との共通接続点と出力コンデンサＣ１との間にダイオードＤ２を接続して、パワートランジスタＭＮ１をオン／オフさせることにより、電源電圧Ｖｃｃを昇圧した電圧が出力電圧Ｖｏｕｔとして出力されるようにしたものである。

本実施例では、抵抗ＲｓがパワートランジスタＭＮ１のソースと接地との間に接続され、過電流検出入力端子１２とパワートランジスタＭＮ１のソースとの間に抵抗Ｒｆが接続され、過電流検出入力端子１２と接地との間にコンデンサＣｆが接続される。そして、スイッチング電源装置本体１０Ｅにおいては、ローサイド電源端子１４ａと接地端子１５との間に、図１におけるスイッチング電源装置本体１０Ａと同様な構成が組み込まれている。ただし、過電流検出入力端子１２へのバイアス電流はバイアス電流源１９ａから供給される。パワートランジスタＭＮ１を駆動するドライバ１６ａは図３におけるものと同じである。

＜実施例６＞
図６に実施例６の昇圧型のスイッチング電源装置を示す。このスイッチング電源装置は、図５のスイッチング電源装置と同様に、パワートランジスタＭＮ１のドレインと高電位電源端子１１との間にインダクタＬ２を接続し、そのインダクタＬ２とパワートランジスタＭＮ１との共通接続点と出力コンデンサＣ１との間にダイオードＤ２を接続して、パワートランジスタＭＮ１をオン／オフさせることにより、電源電圧Ｖｃｃを昇圧した電圧が出力電圧Ｖｏｕｔとして出力されるようにしたものである。

本実施例では、抵抗ＲｓがパワートランジスタＭＮ１のソースと接地との間に接続され、過電流検出入力端子１２とパワートランジスタＭＮ１のソースとの間に抵抗Ｒｆが接続され、過電流検出入力端子１２と接地との間にコンデンサＣｆが接続される。そして、スイッチング電源装置本体１０Ｆにおいては、ローサイド電源端子１４ａと接地端子１５との間に、図２におけるスイッチング電源装置本体１０Ｂと同様な構成が組み込まれている。ただし、過電流検出入力端子１２へのバイアス電流はバイアス電流源１９ａから供給される。パワートランジスタＭＮ１を駆動するドライバ１６ａは図４におけるものと同じである。

１０Ａ〜１０Ｆ：スイッチング電源装置本体（ＩＣ）、１１：高電位電源端子、１２：過電流検出入力端子、１３：駆動出力端子、１４：ハイサイド電源端子、１４ａ：ローサイド電源端子、１５：接地端子、１６，１６ａ：ドライバ、１７：コンパレータ、１８：過電流検出回路、１９，１９ａ：バイアス電流源、２０，２１：コンパレータ、２３，２４：ラッチ回路、２４：判定回路、２５：制御切替回路、３０：サンプルホールド回路、３１：スイッチ、３２：オペアンプ、３３：バッファ回路、３４：第１の回路、３５：第２の回路

Claims (3)

1. ドライバによってオン／オフ駆動されるパワートランジスタと、過電流検出用の電流検出端子と、前記パワートランジスタに直列接続された第１の抵抗と、前記パワートランジスタと前記第１の抵抗の共通接続点と前記電流検出端子との間に接続された第２の抵抗と、前記パワートランジスタがオフのときのみに前記電流検出端子から前記第１の抵抗及び前記第２の抵抗にバイアス電流を供給する電流源と、前記パワートランジスタがオンのときに前記電流検出端子に得られる第１の電圧を閾値と比較して過電流を検出する過電流検出回路と、前記パワートランジスタがオフのときに前記電流検出端子に得られる第２の電圧の値に応じてスイッチング電源制御に関わる機能の変更又は活性化又は非活性化の切り替えを行う判定回路とを備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. ドライバによってオン／オフ駆動されるパワートランジスタと、過電流検出用の電流検出端子と、該パワートランジスタに直列接続された第１の抵抗と、前記パワートランジスタと前記第１の抵抗の共通接続点と前記電流検出端子との間に接続された第２の抵抗と、前記パワートランジスタがオフのときのみに前記電流検出端子から前記第１の抵抗及び前記第２の抵抗にバイアス電流を供給する電流源と、前記パワートランジスタがオンのときに前記電流検出端子に得られる第１の電圧を閾値と比較して過電流を検出する過電流検出回路と、前記パワートランジスタがオフのときに前記電流検出端子に得られる第２の電圧を保持するサンプルホールド回路と、該サンプルホールド回路で保持された前記第２の電圧の値に応じてスイッチング電源制御に関わるパラメータの設定又は変更を行う回路とを備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
3. 請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置において、
   前記第２の抵抗は、交換可能なように外付けで接続されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
   

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