JP6500146B2 - 過電流保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、オン時間固定制御方式のスイッチング電源装置の過電流保護機能に関する。

オン時間固定制御方式のスイッチング電源装置は、周波数固定型制御方式（例えば電圧モード制御方式や電流モード制御方式）のスイッチング電源装置に比べて、簡単な回路構成で、高い負荷応答特性を得られるという特長を有している。オン時間固定制御方式のスイッチング電源装置の一形態として、ボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置が従来より知られている（例えば特許文献１参照）。

図８Ａ及び図８Ｂは、ボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置の従来例を示す回路ブロック図及び動作波形図である。図８Ａに示すボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置は、入力電圧Ｖｉｎを降圧して所望の出力電圧Ｖｏｕｔを生成する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータである。図８Ａに示すボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置は、帰還電圧Ｖｆｂが基準電圧Ｖｒｅｆまで下がったことを検出すると、所定のオン時間Ｔｏｎだけスイッチ電圧Ｖｓｗがハイレベルになるように上側トランジスタＮ１をオン状態にする。なお、所定のオン時間Ｔｏｎ以外では上側トランジスタＮ１はオフ状態になる。また、上側トランジスタＮ１及び下側トランジスタＮ２は相補的にスイッチングされる。

図８Ａに示すボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置において過電流保護を行う場合、通常ローサイド検出方式の過電流保護回路が用いられる。ローサイド検出方式の過電流保護回路は、下側トランジスタＮ２のオン時間中に帰還電圧Ｖｆｂが基準電圧Ｖｒｅｆまで下がってもインダクタ電流ＩＬがボトム値閾値ＴＨｂよりも大きい場合には、インダクタ電流ＩＬがボトム値閾値ＴＨｂ以下になるまで、上側トランジスタＮ１をターンオンしない。これにより、過電流保護がかからなければ過電流になってしまう状態において、インダクタ電流ＩＬのボトム値（極小値）がボトム値閾値ＴＨｂに合わせ込まれる。

そして、図８Ａに示すボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置では、上側トランジスタＮ１がターンオンしてから所定のオン時間Ｔｏｎが経過した後には上側トランジスタＮ１がターンオフする。このため、コンパレータＣＭＰ１などで発生する遅延時間を無視すると、過電流保護がかからなければ過電流になってしまう状態において、インダクタ電流ＩＬのボトム値（極小値）はボトム値閾値ＴＨｂと一致し、インダクタ電流ＩＬのピーク値（極大値）はボトム値閾値ＴＨｂにインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒを加算した値となる（図９参照）。なお、インダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒは、所定のオン時間Ｔｏｎと入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの関数で一意に定まる。

したがって、図８Ａに示すボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置では、ローサイド検出方式の過電流保護回路のみで適切な過電流保護が可能である。

特開２０１０−３５３１６号公報

ここで、図８Ａに示すボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置において、所定のオン時間Ｔｏｎが経過した時点での出力電圧Ｖｏｕｔが規定値よりも低いときに上側トランジスタＮ１のオンデューティを大きくするために上側トランジスタＮ１のオン時間を自動的に延長する機能を付加する場合がある。

このような機能を付加した場合、上側トランジスタＮ１のオン時間が所定のオン時間Ｔｏｎよりも延長されると、延長されていないときよりもインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒが大きくなる。このため、インダクタ電流ＩＬのピーク値（極大値）を抑えるハイサイド検出方式の過電流保護回路が必要となる。ハイサイド検出方式の過電流保護回路は、上側トランジスタＮ１のオン時間中にインダクタ電流ＩＬがピーク値閾値ＴＨｐよりも大きくなった時点で、上側トランジスタＮ１をターンオフする。

しかしながら、ハイサイド検出方式の過電流保護回路を設けて単純にピーク値閾値ＴＨｐを追加しただけでは、過電流保護動作時にはスイッチング電源装置の動作周波数が通常動作時（過電流保護動作が行われていない時）に対して変化してしまう、という課題があった。具体的には、図１０に示すようにピーク値閾値ＴＨｐとボトム値閾値ＴＨｂとの差Ｄｐｂがインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒよりも小さい場合、過電流保護動作時にはスイッチング電源装置の動作周波数が通常動作時に対して増加してしまう。また、逆に図１１に示すようにピーク値閾値ＴＨｐとボトム値閾値ＴＨｂとの差Ｄｐｂがインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒよりも大きい場合、過電流保護動作時にはスイッチング電源装置の動作周波数が通常動作時に対して減少してしまう。なお、図１０及び図１１に示す破線は、図９に示したインダクタ電流ＩＬの波形と同一であり、通常動作時におけるスイッチング電源装置の動作周波数と同一の周波数である。

本発明は、本願の発明者により見出された上記の課題に鑑み、動作周波数を変化させること無く適切な過電流保護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を目的とする。

本明細書中に開示されたスイッチング電源装置は、上側スイッチをオンして下側スイッチをオフする固定長の固定オン時間と、出力電圧に対応する帰還電圧が基準電圧まで下がった時点まで前記上側スイッチをオフして前記下側スイッチをオンする可変長の可変オフ時間と、を交互に切り替えてインダクタに電流を流すことにより、入力電圧を降圧して前記出力電圧を生成するスイッチング制御部と、前記固定オン時間が経過した時点での前記出力電圧が規定値よりも低いときに前記固定長に依らず前記出力電圧が前記規定値に達するまで前記固定オン時間を延長するオン時間延長部と、前記帰還電圧が前記基準電圧まで下がった時点で前記インダクタを流れる電流がボトム値閾値より大きい場合、その後前記インダクタを流れる電流が前記ボトム値閾値以下になるまで前記可変オフ時間を継続する下側過電流保護部と、前記固定オン時間中に前記インダクタを流れる電流がピーク値閾値よりも大きくなった時点で前記可変オフ時間に強制的に切り替える上側過電流保護部と、を備え、前記上側過電流保護部は、前記固定オン時間の開始から前記固定長が経過するまでの期間、前記ピーク値閾値を前記ボトム値閾値に前記インダクタを流れる電流のリップル分を加えた値よりも大きい値に設定し、前記固定長が経過した時点から少なくとも前記可変オフ時間に切り替わる迄の期間、前記ピーク値閾値を前記ボトム値閾値に前記インダクタを流れる電流のリップル分を加えた値以下の値に設定する構成（第１の構成）とされている。

上記第１の構成から成るスイッチング電源装置において、前記固定長が、入力電圧及び、出力電圧あるいは出力設定電圧の関数で決まる時間である構成（第２の構成）としてもよい。

上記第１又は第２の構成から成るスイッチング電源装置において、前記上側過電流保護部は、前記固定長が経過した時点から次に前記可変オフ時間に切り替わる迄の期間、前記ピーク値閾値を前記ボトム値閾値以上の値に設定する構成（第３の構成）としてもよい。

上記第１〜第３いずれかの構成から成るスイッチング電源装置において、前記下側過電流保護部による過電流保護がかかって前記インダクタを流れる電流が前記ボトム値閾値以下になった時点で前記固定オン時間に切り替わる場合に、前記オン時間延長部は、前記固定オン時間が経過した時点での前記出力電圧が前記規定値よりも低くても前記固定オン時間を延長せず、前記ピーク値閾値は、前記固定長が経過した時点から次に前記可変オフ時間に切り替わる迄の期間であっても、前記ピーク値閾値が前記ボトム値閾値に前記インダクタを流れる電流のリップル分を加えた値よりも大きい値に設定される構成（第４の構成）としてもよい。

上記第４の構成から成るスイッチング電源装置において、前記下側過電流保護部による過電流保護がかかって前記インダクタを流れる電流が前記ボトム値閾値以下になった時点で前記固定オン時間に切り替わる場合に、その状態をラッチし、次回以降の周期において前記下側過電流保護部による過電流保護がかからなくなると、ラッチ状態をリセットするラッチ部を備え、前記オン時間延長部の動作及び前記ピーク値閾値の変化は前記ラッチ部からの信号によって制限される構成（第５の構成）としてもよい。

上記第１〜第５いずれかの構成から成るスイッチング電源装置において、前記出力電圧またはその分圧電圧に前記インダクタを流れる電流を模擬したリップル電圧を重畳して前記帰還電圧を生成するリップルインジェクション回路を備える構成（第６の構成）としてもよい。

上記第１〜第６いずれかの構成から成るスイッチング電源装置において、前記インダクタを流れる電流の逆流を検出して前記下側スイッチを強制的にオフさせる逆流検出回路を備える構成（第７の構成）としてもよい。

また、本明細書中に開示されているテレビは、受信信号から所望チャンネルの放送信号を選局するチューナ部と、前記チューナで選局された放送信号から映像信号と音声信号を生成するデコーダ部と、前記映像信号を映像として出力する表示部と、前記音声信号を音声として出力するスピーカ部と、ユーザ操作を受け付ける操作部と、外部入力信号を受け付けるインタフェイス部と、上記各部の動作を統括的に制御する制御部と、上記各部に電力供給を行う電源部と、を有し、前記電源部は、上記第１〜第７いずれかの構成のスイッチング電源装置を含む構成（第８の構成）とされている。

本明細書中に開示されている発明によれば、動作周波数を変化させること無く適切な過電流保護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が可能となる。

スイッチング電源装置の第１構成例の全体構成を示すブロック図 重負荷時のスイッチング動作を示すタイミングチャート 軽負荷時の逆流遮断動作を示すタイミングチャート 過電流保護が行われているときのインダクタ電流の波形図 スイッチング電源装置の第２構成例の全体構成を示すブロック図 過電流保護が行われているときのインダクタ電流の波形図 スイッチング電源装置を搭載したテレビの一構成例を示すブロック図 スイッチング電源装置を搭載したテレビの正面図 スイッチング電源装置を搭載したテレビの側面図 スイッチング電源装置を搭載したテレビの背面図 ボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置の従来例を示す回路ブロック図 ボトム検出オン時間固定方式スイッチング電源装置の従来例を示す動作波形図 ボトム値閾値による過電流保護が行われているときのインダクタ電流の波形図 ボトム値閾値及びピーク値閾値による過電流保護が行われているときのインダクタ電流の波形図 ボトム値閾値及びピーク値閾値による過電流保護が行われているときのインダクタ電流の波形図

＜スイッチング電源装置（第１構成例）＞
図１は、スイッチング電源装置の第１構成例の全体構成を示すブロック図である。本構成例のスイッチング電源装置１は、非線形制御方式（ボトム検出オン時間固定方式）によって入力電圧Ｖｉｎから出力電圧Ｖｏｕｔを生成する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータである。スイッチング電源装置１は、半導体装置１００と、半導体装置１００に外付けされた種々のディスクリート部品（Ｎチャネル型ＭＯＳ［metal oxide semiconductor］電界効果上側トランジスタＮ１及び下側トランジスタＮ２、インダクタＬ１、コンデンサＣ１、並びに、抵抗Ｒ１及びＲ２）によって形成されるスイッチ出力段２００と、を有する。

半導体装置１００は、スイッチング電源装置１の全体動作を統括的に制御する主体（いわゆる電源制御ＩＣ）である。半導体装置１００は、装置外部との電気的な接続を確立するための手段として、外部端子Ｔ１〜Ｔ７（上側ゲート端子Ｔ１、下側ゲート端子Ｔ２、スイッチ端子Ｔ３、帰還端子Ｔ４、入力電圧端子Ｔ５、出力電圧端子Ｔ６、及び、接地端子Ｔ７）を備えている。

外部端子Ｔ１は、上側トランジスタＮ１のゲートに接続されている。外部端子Ｔ２は、下側トランジスタＮ２のゲートに接続されている。外部端子Ｔ３は、スイッチ電圧Ｖｓｗの印加端（上側トランジスタＮ１のソースと下側トランジスタＮ２のドレインとの接続ノード）に接続されている。外部端子Ｔ４は、分圧電圧Ｖｄｉｖの印加端（抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノード）に接続されている。外部端子Ｔ５は、入力電圧Ｖｉｎの印加端に接続されている。外部端子Ｔ６は、出力電圧Ｖｏｕｔの印加端に接続されている。外部端子Ｔ７は、接地端に接続されている。

次に、半導体装置１００に外付けされるディスクリート部品の接続関係について述べる。上側トランジスタＮ１のドレインは、入力電圧Ｖｉｎの印加端に接続されている。下側トランジスタＮ２のソースは、接地端に接続されている。上側トランジスタＮ１のソースと下側トランジスタＮ２のドレインは、いずれもインダクタＬ１の第１端に接続されている。インダクタＬ１の第２端とコンデンサＣ１の第１端は、いずれも出力電圧Ｖｏｕｔの印加端に接続されている。コンデンサＣ１の第２端は、接地端に接続されている。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２は、出力電圧Ｖｏｕｔの印加端と接地端との間に直列に接続されている。

上側トランジスタＮ１は、外部端子Ｔ１から入力されるゲート信号Ｇ１に応じてオン／オフ制御される出力トランジスタである。下側トランジスタＮ２は、外部端子Ｔ２から入力されるゲート信号Ｇ２に応じてオン／オフ制御される同期整流トランジスタである。なお、整流素子としては、下側トランジスタＮ２に代えてダイオードを用いても構わない。また、上側トランジスタＮ１およびＮ２は、半導体装置１００に内蔵することも可能である。インダクタＬ１とコンデンサＣ１は、外部端子Ｔ３に現れる矩形波状のスイッチ電圧Ｖｓｗを整流平滑して出力電圧Ｖｏｕｔを生成する整流平滑部として機能する。抵抗Ｒ１及びＲ２は、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧して分圧電圧Ｖｄｉｖを生成する分圧電圧生成部として機能する。ただし、出力電圧Ｖｏｕｔがリップルインジェクション回路１１（ないしはメインコンパレータ１３）の入力ダイナミックレンジ内である場合には、分圧電圧生成部を省略してもよい。

次に、半導体装置１００の内部構成について述べる。半導体装置１００には、リップルインジェクション回路１１と、基準電圧生成回路１２と、メインコンパレータ１３と、ワンショットパルス生成回路１４と、ＲＳフリップフロップ１５と、オン時間設定回路１６と、ゲートドライバ回路１７と、逆流検出回路１８と、基準電圧生成回路１９と、コンパレータ２０と、オン時間延長回路２１と、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２と、ハイサイド検出方式の過電流保護回路２３と、が集積化されている。

リップルインジェクション回路１１は、分圧電圧Ｖｄｉｖにリップル電圧Ｖｒｐｌ（インダクタＬ１に流れるインダクタ電流ＩＬを模擬した疑似リップル成分）を加算して帰還電圧Ｖｆｂ（＝Ｖｄｉｖ＋Ｖｒｐｌ）を生成する。このようなリップルインジェクション技術を導入すれば、出力電圧Ｖｏｕｔ（延いては分圧電圧Ｖｄｉｖ）のリップル成分がそれほど大きくなくても安定したスイッチング制御を行うことができるので、コンデンサＣ１としてＥＳＲの小さい積層セラミックコンデンサなどを用いることが可能となる。ただし、出力電圧Ｖｏｕｔのリップル成分が十分に大きい場合には、リップルインジェクション回路１１を省略することも可能である。

基準電圧生成回路１２は、所定の第１基準電圧Ｖｒｅｆ１を生成する。

メインコンパレータ１３は、非反転入力端（＋）に入力される帰還電圧Ｖｆｂと、反転入力端（−）に入力される第１基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較して比較信号Ｓ１を生成する。比較信号Ｓ１は、帰還電圧Ｖｆｂが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも高いときにハイレベルとなり、帰還電圧Ｖｆｂが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも低いときにローレベルとなる。

ワンショットパルス生成回路１４は、比較信号Ｓ１の立下りエッジをトリガとしてセット信号Ｓ２にワンショットパルス（例：立下りパルス）を生成する。

ＲＳフリップフロップ１５は、セット端（Ｓ）に入力されるセット信号Ｓ３のパルスエッジ（例：立下りエッジ）で出力信号Ｓ８をハイレベルにセットし、リセット端（Ｒ）に入力されるリセット信号Ｓ７のパルスエッジ（例：立下りエッジ）で出力信号Ｓ８をローレベルにリセットする。なお、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２が過電流保護動作を行っていない場合、セット信号Ｓ３はワンショットパルス生成回路１４から出力されるセット信号Ｓ２と同一の信号となる。また、オン時間延長回路２１が上側トランジスタＮ１のオン時間を延長しておらず尚且つハイサイド検出方式の過電流保護回路２３が過電流保護動作を行っていない場合、リセット信号Ｓ７はオン時間設定回路１６から出力されるリセット信号Ｓ４と同一の信号となる。

オン時間設定回路１６は、ＲＳフリップフロップ１５の反転出力信号Ｓ８Ｂ（＝出力信号Ｓ４の論理反転信号）がローレベルに立ち下げられてから、所定のオン時間Ｔｏｎが経過した後、リセット信号Ｓ４にワンショットパルス（例：立下りパルス）を生成する。所定のオン時間Ｔｏｎは、例えば入力電圧Ｖｉｎ及び、出力電圧Ｖｏｕｔあるいは出力設定電圧（出力電圧Ｖｏｕｔの目標値）の関数で決まる時間とすれば良い。

ゲートドライバ回路１７は、ＲＳフリップフロップ１５の出力信号Ｓ８に応じてゲート信号Ｇ１及びＧ２を生成し、上側トランジスタＮ１及び下側トランジスタＮ２を相補的にスイッチングさせる。なお、本明細書中で用いられる「相補的」という文言の意味には、上側トランジスタＮ１及び下側トランジスタＮ２のオン／オフが完全に逆転している場合のほか、貫通電流防止の観点から上側トランジスタＮ１及び下側トランジスタＮ２のオン／オフ遷移タイミングに遅延が与えられている場合（いわゆる同時オフ期間（デッドタイム）が設けられている場合）も含む。

逆流検出回路１８は、インダクタ電流ＩＬの逆流（インダクタＬ１から下側トランジスタＮ２を介して接地端に流れるインダクタ電流ＩＬ）を監視して逆流検出信号Ｓ９を生成する。逆流検出信号Ｓ９は、インダクタ電流ＩＬの逆流が検出された時点でハイレベル（逆流検出時の論理レベル）にラッチされ、次周期におけるゲート信号Ｇ１の立上りエッジでローレベル（逆流未検出時の論理レベル）にリセットされる。なお、インダクタ電流ＩＬの逆流を監視する手法としては、例えば、下側トランジスタＮ２のオン期間中にスイッチ電圧Ｖｓｗが負から正に切り替わるゼロクロスポイントを検出すればよい。ゲートドライバ回路１７は、逆流検出信号Ｓ９がハイレベルであるときには、出力信号Ｓ８に依ることなく下側トランジスタＮ２を強制的にオフするようにゲート信号Ｇ２を生成する。

なお、上記したリップルインジェクション回路１１、基準電圧生成回路１２、メインコンパレータ１３、ワンショットパルス生成回路１４、ＲＳフリップフロップ１５、オン時間設定回路１６、ゲートドライバ回路１７、及び、逆流検出回路１８は、帰還電圧Ｖｆｂと第１基準電圧Ｖｒｅｆ１との比較結果に応じて上側トランジスタＮ１及び下側トランジスタＮ２のオン／オフ制御を行うことにより、入力電圧Ｖｉｎから出力電圧Ｖｏｕｔを生成する非線形制御方式（本構成例ではボトム検出オン時間固定方式）のスイッチング制御回路として機能する。すなわち、上記したリップルインジェクション回路１１、基準電圧生成回路１２、メインコンパレータ１３、ワンショットパルス生成回路１４、ＲＳフリップフロップ１５、オン時間設定回路１６、ゲートドライバ回路１７、及び、逆流検出回路１８は、上側トランジスタＮ１をオンして下側トランジスタＮ２をオフする固定長の固定オン時間（所定のオン時間Ｔｏｎ）と、上側トランジスタＮ１をオフして下側トランジスタＮ２をオンする可変長の可変オフ時間と、を交互に切り替えてインダクタ電流ＩＬを流すことにより、入力電圧Ｖｉｎを降圧して出力電圧Ｖｏｕｔを生成するスイッチング制御回路として機能する。

基準電圧生成回路１９、コンパレータ２０、オン時間延長回路２１、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２、及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３の詳細については後述する。

＜スイッチング動作＞
図２は、重負荷時（電流連続モード時）のスイッチング動作を示すタイミングチャートであり、上から順に、帰還電圧Ｖｆｂ、セット信号Ｓ３、リセット信号Ｓ７、及び、出力信号Ｓ８が描写されている。なお、図２は、オン時間延長回路２１が上側トランジスタＮ１のオン時間を延長しておらず尚且つローサイド検出方式の過電流保護回路２２及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３がそれぞれ過電流保護動作を行っていない場合のタイミングチャートである。

時刻ｔ１１において、帰還電圧Ｖｆｂが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１まで低下すると、セット信号Ｓ３がローレベルに立ち下がり、出力信号Ｓ８がハイレベルに遷移される。従って、上側トランジスタＮ１がオンとなり、帰還電圧Ｖｆｂが上昇に転ずる。

その後、オン時間Ｔｏｎの経過により、時刻ｔ１２において、リセット信号Ｓ７がローレベルに立ち下がると、出力信号Ｓ８がローレベルに遷移される。従って、上側トランジスタＮ１がオフとなって、帰還電圧Ｖｆｂが再び下降に転ずる。

ゲートドライバ回路１７は、出力信号Ｓ８に応じてゲート信号Ｇ１及びＧ２を生成し、これを用いて上側トランジスタＮ１及び下側トランジスタＮ２のオン／オフ制御を行う。具体的に述べると、出力信号Ｓ８がハイレベルであるときには、基本的に、ゲート信号Ｇ１がハイレベルとされて上側トランジスタＮ１がオンされるとともに、ゲート信号Ｇ２がローレベルとされて下側トランジスタＮ２がオフされる。逆に、出力信号Ｓ８がローレベルであるときには、基本的に、ゲート信号Ｇ１がローレベルとされて上側トランジスタＮ１がオフされるとともに、ゲート信号Ｇ２がハイレベルとされて下側トランジスタＮ２がオンされる。

上記した上側トランジスタＮ１及び下側トランジスタＮ２のオン／オフ制御により、外部端子Ｔ３には矩形波形状のスイッチ電圧Ｖｓｗが現れる。スイッチ電圧Ｖｓｗは、インダクタＬ１とコンデンサＣ１によって整流平滑され、出力電圧Ｖｏｕｔが生成される。なお、出力電圧Ｖｏｕｔは、抵抗Ｒ１及びＲ２により分圧され、分圧電圧Ｖｄｉｖ（延いては帰還電圧Ｖｆｂ）が生成される。このような出力帰還制御により、スイッチング電源装置１では、極めて簡易な構成によって、入力電圧Ｖｉｎから所望の出力電圧Ｖｏｕｔが生成される。

＜逆流遮断動作＞
図３は、軽負荷時（電流不連続モード時）の逆流遮断動作を示すタイミングチャートであり、上から順に、ゲート信号Ｇ１及びＧ２、逆流検出信号Ｓ９、インダクタ電流ＩＬ、並びに、スイッチ電圧Ｖｓｗが描写されている。なお、図３は、オン時間延長回路２１が上側トランジスタＮ１のオン時間を延長しておらず尚且つローサイド検出方式の過電流保護回路２２及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３がそれぞれ過電流保護動作を行っていない場合のタイミングチャートである。

時刻ｔ２１〜ｔ２２では、ゲート信号Ｇ１がハイレベルとされており、ゲート信号Ｇ２がローレベルとされているので、上側トランジスタＮ１がオンとなり、下側トランジスタＮ２がオフとなる。従って、時刻ｔ２１〜ｔ２２では、スイッチ電圧Ｖｓｗがほぼ入力電圧Ｖｉｎまで上昇し、インダクタ電流ＩＬが増大していく。

時刻ｔ２２において、ゲート信号Ｇ１がローレベルに立ち下げられ、ゲート信号Ｇ２がハイレベルに立ち上げられると、上側トランジスタＮ１がオフとなり、下側トランジスタＮ２がオンとなる。従って、スイッチ電圧Ｖｓｗが負電圧（＝ＧＮＤ−ＩＬ×ＲＮ２、ただし、ＲＮ２は下側トランジスタＮ２のオン抵抗値）まで低下し、インダクタ電流ＩＬが減少に転じる。

ここで、負荷に流れる出力電流Ｉｏｕｔが十分に大きい重負荷時には、インダクタＬ１に蓄えられているエネルギが大きいので、ゲート信号Ｇ１が再びハイレベルに立ち上げられる時刻ｔ２４まで、インダクタ電流ＩＬはゼロ値を下回ることなく負荷に向けて流れ続け、スイッチ電圧Ｖｓｗは負電圧に維持される。一方、負荷に流れる出力電流Ｉｏｕｔが小さい軽負荷時には、インダクタＬ１に蓄えられているエネルギが少ないので、時刻ｔ２３において、インダクタ電流ＩＬがゼロ値を下回り、インダクタ電流ＩＬの逆流が発生して、スイッチ電圧Ｖｓｗの極性が負から正に切り替わる。このような状態では、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷をインダクタＬ１を介して入力側に戻していることになるので、軽負荷時における効率が低下する。

そこで、スイッチング電源装置１は、逆流検出回路１８を用いてインダクタ電流ＩＬの逆流（スイッチ電圧Ｖｓｗの極性反転）を検出し、逆流検出信号Ｓ９のハイレベル期間（時刻ｔ２３〜ｔ２４）において、下側トランジスタＮ２を強制的にオフさせる構成とされている。このような構成とすることにより、インダクタ電流ＩＬの逆流を速やかに遮断することができるので、軽負荷時における効率低下を解消することが可能となる。

＜オン時間延長動作＞
スイッチング電源装置１では、所定のオン時間Ｔｏｎが経過した時点での出力電圧Ｖｏｕｔが規定値よりも低いときに上側トランジスタＮ１のオンデューティを大きくするために上側トランジスタＮ１のオン時間を自動的に延長する機能を、基準電圧生成回路１９、コンパレータ２０、及びオン時間延長回路２１によって実現している。

基準電圧生成回路１９は、所定の第２基準電圧Ｖｒｅｆ２を生成する。第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は上記の規定値を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で分圧した値と等しくなるように設定される。

コンパレータ２０は、非反転入力端（＋）に入力される分圧電圧Ｖｄｉｖと、反転入力端（−）に入力される第２基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較して比較信号Ｓ５を生成する。比較信号Ｓ５は、分圧電圧Ｖｄｉｖが第２基準電圧Ｖｒｅｆ２よりも高いときにハイレベルとなり、分圧電圧Ｖｄｉｖが第２基準電圧Ｖｒｅｆ２よりも低いときにローレベルとなる。

オン時間Ｔｏｎの経過によってリセット信号Ｓ４がローレベルに立ち下がった時点で比較信号Ｓ５がハイレベルである場合、オン時間延長回路２１はリセット信号Ｓ４をそのままリセット信号Ｓ６として出力する。この場合、オン時間延長回路２１はオン時間延長動作を行っていない。

一方、オン時間Ｔｏｎの経過によってリセット信号Ｓ４がローレベルに立ち下がった時点で比較信号Ｓ５がローレベルである場合、オン時間延長回路２１はリセット信号Ｓ４の立ち下がりに依らずリセット信号Ｓ６をハイレベルのままにし、その後比較信号Ｓ５の立上りエッジをトリガとしてリセット信号Ｓ６にワンショットパルス（例：立下りパルス）を生成する。この場合、オン時間延長回路２１は出力電圧Ｖｏｕｔが規定値に達するまで上側トランジスタＮ１のオン時間を延長するオン時間延長動作を行っている。

なお、ハイサイド検出方式の過電流保護回路２３が過電流保護動作を行っていない場合、リセット信号Ｓ７はオン時間延長回路２１から出力されるリセット信号Ｓ６と同一の信号となる。

また、コンパレータ２０から出力される比較信号Ｓ５を使用する代わりに、メインコンパレータ１３から出力される比較信号Ｓ１を使用しても良い。この場合、コンパレータ２０と第２基準電圧Ｖｒｅｆ２を出力する基準電圧生成回路１９は不要となる。

＜過電流保護動作＞
スイッチング電源装置１は、上述した通りローサイド検出方式の過電流保護回路２２及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３を備えている。

ローサイド検出方式の過電流保護回路２２は、下側トランジスタＮ２のオン時間中に得られるスイッチ電圧Ｖｓｗから上側トランジスタＮ１のオフ時間中のインダクタ電流ＩＬを検出する。下側トランジスタＮ２のオン時間中に得られるスイッチ電圧Ｖｓｗは、グランド電位から上側トランジスタＮ１のオフ時間中のインダクタ電流ＩＬと下側トランジスタＮ２のオン抵抗との乗算値を引いた値である。なお、本実施例とは異なる方法で上側トランジスタＮ１のオフ時間中のインダクタ電流ＩＬを検出することも可能である。

ローサイド検出方式の過電流保護回路２２は、検出したインダクタ電流ＩＬに対応する電圧と、ボトム値閾値ＴＨｂに対応する電圧とを内部コンパレータによって比較し、インダクタ電流ＩＬとボトム値閾値ＴＨｂとの大小関係を確認している。

帰還電圧Ｖｆｂが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１まで下がったことによってセット信号Ｓ２がローレベルに立ち下がった時点でインダクタ電流ＩＬがボトム値閾値ＴＨｂ以下である場合、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２は、セット信号Ｓ２をそのままセット信号Ｓ３として出力する。この場合、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２は過電流保護動作を行っていない。

一方、帰還電圧Ｖｆｂが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１まで下がったことによってセット信号Ｓ２がローレベルに立ち下がった時点でインダクタ電流ＩＬがボトム値閾値ＴＨｂより大きい場合、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２は、セット信号Ｓ２の立ち下がりに依らずセット信号Ｓ３をハイレベルのままにし、その後インダクタ電流ＩＬがボトム値閾値ＴＨｂ以下になったことをトリガとしてセット信号Ｓ３にワンショットパルス（例：立下りパルス）を生成する。この場合、過電流保護がかからなければ過電流になってしまう状態において、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２は、過電流保護動作を行い、インダクタ電流ＩＬのボトム値（極小値）をボトム値閾値ＴＨｂに合わせ込む。

ハイサイド検出方式の過電流保護回路２３は、上側トランジスタＮ１のオン時間中に得られるスイッチ電圧Ｖｓｗから上側トランジスタＮ１のオン時間中のインダクタ電流ＩＬを検出する。上側トランジスタＮ１のオン時間中に得られるスイッチ電圧Ｖｓｗは、入力電圧Ｖｉｎから上側トランジスタＮ１のオン時間中のインダクタ電流ＩＬと上側トランジスタＮ１のオン抵抗との乗算値を引いた値である。なお、本実施例とは異なる方法で上側トランジスタＮ１のオン時間中のインダクタ電流ＩＬを検出することも可能である。

ハイサイド検出方式の過電流保護回路２３は、検出したインダクタ電流ＩＬに対応する電圧と、ピーク値閾値ＴＨｐに対応する電圧とを内部コンパレータによって比較し、インダクタ電流ＩＬとピーク値閾値ＴＨｐとの大小関係を確認している。ピーク値閾値ＴＨｐに対応する電圧を生成する電圧源は可変電圧源であり、ピーク値閾値ＴＨｐは変更可能になっている。本実施例では、ハイサイド検出方式の過電流保護回路２３は、オン時間設定回路１６から出力されるリセット信号Ｓ４及びＲＳフリップフロップ１５の反転出力信号Ｓ８Ｂに基づいて、ピーク値閾値ＴＨｐを周期的に変更している。

具体的には、上側トランジスタＮ１がターンオンしてから所定のオン時間Ｔｏｎが経過する迄の期間（ＲＳフリップフロップ１５の反転出力信号Ｓ８Ｂがローレベルに立ち下がってからリセット信号Ｓ４がローレベルに立ち下がる迄の期間）、ピーク値閾値ＴＨｐをボトム値閾値ＴＨｂにインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒを加えた値よりも大きい値に設定する。一方、所定のオン時間Ｔｏｎが経過してから少なくとも上側スイッチＮ１がターンオフする迄の期間、ピーク値閾値ＴＨｐをボトム値閾値ＴＨｂにインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒを加えた値以下の値に設定する。本実施例では、所定のオン時間Ｔｏｎが経過してから次に上側トランジスタＮ１がターンオンする迄の期間（リセット信号Ｓ４がローレベルに立ち下がってから次にＲＳフリップフロップ１５の反転出力信号Ｓ８Ｂがローレベルに立ち下がる迄の期間）、ピーク値閾値ＴＨｐをボトム値閾値ＴＨｂにインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒを加えた値以下の値に設定する。ピーク値閾値ＴＨｐをボトム値閾値ＴＨｂにインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒを加えた値以下の値に設定する場合、ピーク値閾値ＴＨｐをボトム値閾値ＴＨｂ以上の値に設定することが望ましい。

図４は、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３が過電流保護動作を行っているときのインダクタ電流ＩＬの波形図である。なお、図４に示す太破線は、図９に示したインダクタ電流ＩＬの波形と同一であり、通常動作時におけるスイッチング電源装置の動作周波数と同一の周波数である。また、図４に示す細破線は、ピーク値閾値ＴＨｐを示している。

上述した通り上側トランジスタＮ１がターンオンしてから所定のオン時間Ｔｏｎが経過する迄の期間は、ピーク値閾値ＴＨｐがボトム値閾値ＴＨｂにインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒを加えた値よりも大きい値に設定されている。このため、基本的にピーク値閾値ＴＨｐによって過電流保護がかかることはなく、上側トランジスタＮ１はオン状態を維持する。そして、不測の事態が生じて上側トランジスタＮ１がターンオンしてから所定のオン時間Ｔｏｎが経過する迄の期間中にインダクタ電流ＩＬがボトム値閾値ＴＨｂにインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒを加えた値を超えたとしても、ピーク値閾値ＴＨｐによって過電流保護をかけることができる。

また、上述した通り所定のオン時間Ｔｏｎが経過してから次に上側トランジスタＮ１がターンオンする迄の期間は、ピーク値閾値ＴＨｐがピーク値閾値ＴＨｐをボトム値閾値ＴＨｂにインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒを加えた値以下の値に設定されている。このため、例え所定のオン時間Ｔｏｎが経過した時点での出力電圧Ｖｏｕｔが規定値よりも低くてオン時間延長動作が実行される場合でも、ハイサイド検出方式の過電流保護回路２３などで発生する遅延時間を無視すると、所定のオン時間Ｔｏｎが経過した時点で直ちにピーク値閾値ＴＨｐによって過電流保護がかかり上側トランジスタＮ１がターンオフしてインダクタ電流ＩＬが減少していく。

以上のような動作により、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３が過電流保護動作を行っているときであっても、インダクタ電流ＩＬの周波数を通常動作時におけるスイッチング電源装置の動作周波数と略同一にすることができる。

＜スイッチング電源装置（第２構成例）＞
図５Ａは、スイッチング電源装置の第２構成例の全体構成を示すブロック図である。図５Ａに示すスイッチング電源装置２は、図１に示すスイッチング電源装置１に対して半導体装置１００内にラッチ部２４を追加した構成である。この構成においても、コンパレータ２０から出力される比較信号Ｓ５を使用する代わりに、メインコンパレータ１３から出力される比較信号Ｓ１を使用しても良い。この場合、コンパレータ２０と第２基準電圧Ｖｒｅｆ２を出力する基準電圧生成回路１９は不要となる。

図１に示すスイッチング電源装置１は、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３による過電流保護動作中にピーク値閾値ＴＨｐが周期的に変化し続ける構成であった。このため、ピーク値閾値ＴＨｐが変化する度にハイサイド検出方式の過電流保護回路２３で遅延時間が発生していた。

図５に示すスイッチング電源装置２は、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３による過電流保護動作中にピーク値閾値ＴＨｐが変化することを極力減らして、ハイサイド検出方式の過電流保護回路２３で遅延時間が発生する頻度を減らしている。これにより、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３が過電流保護動作を行っているときであっても、インダクタ電流ＩＬの周波数を通常動作時におけるスイッチング電源装置の動作周波数により一層近づけることができる。

ラッチ部２４は、ハイサイド検出方式の過電流保護回路２３からの信号に基づいて動作する。ラッチ部２４は、ボトム値閾値ＴＨｂによる過電流保護がかかってインダクタ電流ＩＬがボトム値閾値ＴＨｂ以下になった時点で上側トランジスタＮ１がターンオンする場合に、その状態をラッチする。そして、次回以降の周期においてボトム値閾値ＴＨｂによる過電流保護がかからなくなると、ラッチ部２４はラッチ状態をリセットする。

本実施例では、オン時間延長回路２１の動作はラッチ部２４からの信号によって制限される。すなわち、オン時間延長回路２１は、ラッチ部２４が上記のラッチ状態である場合に、オン時間Ｔｏｎの経過によってリセット信号Ｓ４がローレベルに立ち下がった時点で比較信号Ｓ５がローレベルであってもオン時間延長動作を行わずにリセット信号Ｓ４をそのままリセット信号Ｓ６として出力する。

また本実施例では、ハイサイド検出方式の過電流保護回路２３でのピーク値閾値ＴＨｐの変化もラッチ部２４からの信号によって制限される。すなわち、ピーク値閾値ＴＨｐは、ラッチ部２４が上記のラッチ状態である場合、ピーク値閾値ＴＨｐがボトム値閾値ＴＨｂにインダクタ電流ＩＬのリップル分Ｒを加えた値よりも大きい値に設定される（図５Ｂ参照）。このような設定にしてもオン時間延長動作が実行されていないため、オン時間Ｔｏｎの経過したときに確実に上側トランジスタＮ１がターンオフする。

なお、図５Ｂは、ローサイド検出方式の過電流保護回路２２及びハイサイド検出方式の過電流保護回路２３が過電流保護動作を行っているときのインダクタ電流ＩＬの波形図である。なお、図５Ｂに示す太破線は、図９に示したインダクタ電流ＩＬの波形と同一であり、通常動作時におけるスイッチング電源装置の動作周波数と同一の周波数である。また、図５Ｂに示す細破線は、ピーク値閾値ＴＨｐを示している。

＜テレビへの適用＞
図６は、上記のスイッチング電源装置を搭載したテレビの一構成例を示すブロック図である。また、図７Ａ〜図７Ｃは、それぞれ、上記のスイッチング電源装置を搭載したテレビの正面図、側面図、及び、背面図である。本構成例のテレビＡは、チューナ部Ａ１と、デコーダ部Ａ２と、表示部Ａ３と、スピーカ部Ａ４と、操作部Ａ５と、インタフェイス部Ａ６と、制御部Ａ７と、電源部Ａ８と、を有する。

チューナ部Ａ１は、テレビＡに外部接続されるアンテナＡ０で受信された受信信号から所望チャンネルの放送信号を選局する。

デコーダ部Ａ２は、チューナＡ１で選局された放送信号から映像信号と音声信号を生成する。また、デコーダ部Ａ２は、インタフェイス部Ａ６からの外部入力信号に基づいて、映像信号と音声信号を生成する機能も備えている。

表示部Ａ３は、デコーダ部Ａ２で生成された映像信号を映像として出力する。

スピーカ部Ａ４は、デコーダ部Ａ２で生成された音声信号を音声として出力する。

操作部Ａ５は、ユーザ操作を受け付けるヒューマンインタフェイスの一つである。操作部Ａ５としては、ボタン、スイッチ、リモートコントローラなどを用いることができる。

インタフェイス部Ａ６は、外部デバイス（光ディスクプレーヤやハードディスクドライブなど）から外部入力信号を受け付けるフロントエンドである。

制御部Ａ７は、上記各部Ａ１〜Ａ６の動作を統括的に制御する。制御部Ａ７としては、ＣＰＵ［central processing unit］などを用いることができる。

電源部Ａ８は、上記各部Ａ１〜Ａ７に電力供給を行う。電源部Ａ８としては、先述のスイッチング電源装置１を好適に用いることができる。

＜その他＞
本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明に係るスイッチング電源装置は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＢＤレコーダ／プレーヤ、セットトップボックス、並びに、パーソナルコンピュータなど、種々の電子機器に搭載される電源（例えば、ＳＯＣ［system-on-chip］用あるいは周辺機器用の電源）として利用することが可能である。

１ スイッチング電源装置
１１ リップルインジェクション回路
１２ 基準電圧生成回路
１３ メインコンパレータ（比較回路）
１４ ワンショットパルス生成回路
１５ ＲＳフリップフロップ
１６ オン時間設定回路
１７ ゲートドライバ回路
１８ 逆流検出回路
１９ 基準電圧生成回路
２０ コンパレータ
２１ オン時間延長回路
２２ ローサイド検出方式の過電流保護回路
２３ ハイサイド検出方式の過電流保護回路
２４ ラッチ部
１００ 半導体装置（電源制御ＩＣ）
２００ スイッチ出力段
Ｎ１ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（上側トランジスタ、出力トランジスタ）
Ｎ２ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（下側トランジスタ、同期整流トランジスタ）
Ｌ１ インダクタ
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
Ｃ１ コンデンサ
Ｔ１〜Ｔ８ 外部端子
Ａ テレビ
Ａ０ アンテナ
Ａ１ チューナ部
Ａ２ デコーダ部
Ａ３ 表示部
Ａ４ スピーカ部
Ａ５ 操作部
Ａ６ インタフェイス部
Ａ７ 制御部
Ａ８ 電源部

Claims (5)

1. 上側スイッチをオンして下側スイッチをオフする固定長の固定オン時間と、出力電圧に対応する帰還電圧が基準電圧まで下がった時点まで前記上側スイッチをオフして前記下側スイッチをオンする可変長の可変オフ時間と、を交互に切り替えてインダクタに電流を流すことにより、入力電圧を降圧して前記出力電圧を生成するスイッチング制御部と、
   前記固定オン時間が経過した時点での前記出力電圧が規定値よりも低いときに前記固定長に依らず前記出力電圧が前記規定値に達するまで前記固定オン時間を延長するオン時間延長部と、
   を備えるスイッチング電源装置に用いられる過電流保護回路であって、
   前記帰還電圧が前記基準電圧まで下がった時点で前記インダクタを流れる電流がボトム値閾値より大きい場合、その後前記インダクタを流れる電流が前記ボトム値閾値以下になるまで前記可変オフ時間を継続する下側過電流保護部と、
   前記固定オン時間中に前記インダクタを流れる電流がピーク値閾値よりも大きくなった時点で前記可変オフ時間に強制的に切り替える上側過電流保護部と、
   を備え、
   前記上側過電流保護部は、
   前記固定オン時間の開始から前記固定長が経過するまでの期間、前記ピーク値閾値を前記ボトム値閾値に前記インダクタを流れる電流のリップル分を加えた値よりも大きい値に設定し、
   前記固定長が経過した時点から少なくとも前記可変オフ時間に切り替わる迄の期間、前記ピーク値閾値を前記ボトム値閾値に前記インダクタを流れる電流のリップル分を加えた値以下の値に設定することを特徴とする過電流保護回路。
2. 前記固定長が、前記入力電圧及び、前記出力電圧あるいは前記スイッチング電源装置の出力設定電圧の関数で決まる時間である請求項１に記載の過電流保護回路。
3. 前記上側過電流保護部は、前記固定長が経過した時点から次に前記可変オフ時間に切り替わる迄の期間、前記ピーク値閾値を前記ボトム値閾値以上の値に設定する請求項１又は請求項２に記載の過電流保護回路。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の過電流保護回路と、
   前記上側スイッチ及び前記下側スイッチを相補的にスイッチングさせるドライバ回路と、
   を備えることを特徴とするＩＣ。
5. 請求項４に記載のＩＣを備えることを特徴とする電子機器。

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