JP6607068B2 - 電源装置の電源駆動回路 - Google Patents

電源装置の電源駆動回路 Download PDF

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本発明は、電源装置、特に同期整流方式のスイッチングレギュレータの電源駆動回路に関する。
現在、電源装置として、電源ラインに接続されているハイサイドスイッチ素子と、接地ラインに接続されているローサイドスイッチ素子との接続点の電圧を平滑化することにより直流の電圧を生成する同期整流方式のスイッチングレギュレータが知られている。
また、上記したハイサイドスイッチ素子及びローサイドスイッチ素子をスイッチング動作させる為の制御電圧を生成する半導体製品として、同期整流バックコントローラ又はドライバICが知られている(例えば、非特許文献1及び特許文献1参照)。同期整流バックコントローラは、ハイサイド制御電圧をハイサイドスイッチ素子のゲート端に供給することにより当該ハイサイドスイッチ素子をオンオフ制御しつつ、ローサイド制御電圧をローサイドスイッチ素子のゲート端に供給することにより当該ローサイドスイッチ素子をハイサイドスイッチ素子とは逆位相でオンオフ制御する。
参考資料:TPS40303,TPS40304,TPS40305:3V〜20V入力、同期整流バック・コントローラ(テキサス・インストゥルメンツ(TEXAS INSTRUMENTS)社)
特開2013−62717号公報
ところで、上記したローサイドスイッチ素子及びハイサイドスイッチ素子として、例えばMOS(metal oxide semiconductor)型のトランジスタを採用した場合、そのドレイン・ソース間には寄生ダイオードが存在する。
よって、ローサイドスイッチ素子がオフ状態にあっても、実際にはこの寄生ダイオードを介して電流が流れ、それに伴いローサイドスイッチ素子のドレイン・ソース間には、寄生ダイオードによる順方向降下電圧が生じる。これにより、ローサイドスイッチ素子及びハイサイドスイッチ素子同士を接続する接続点の電圧が、寄生ダイオードによる順方向降下電圧の分だけ低下する。よって、ハイサイドスイッチ素子のゲート・ソース間の電圧は、同期整流バックコントローラが生成したハイサイド制御電圧よりも、寄生ダイオードの順方向降下電圧の分だけ高い電圧となる。
従って、寄生ダイオードの順方向降下電圧の分だけハイサイドスイッチ素子を駆動する際の駆動損失が増加し、消費電力が増加するという問題が生じた。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電力消費量を抑えることが可能な電源装置の電源駆動回路を提供することを目的とする。
本発明に係る電源装置の電源駆動回路は、第1駆動電圧に応じて接地電圧を出力ラインに印加するローサイドスイッチ素子、及び第2駆動電圧に応じて電源電圧を前記出力ラインに印加するハイサイドスイッチ素子を含み、前記出力ラインの電圧を平滑化した電圧を出力する同期整流回路と、前記第1駆動電圧を生成すると共に、自身の駆動電圧入力端子が受けた電圧に基づき前記第2駆動電圧を生成する同期整流制御部と、を含む電源装置の電源駆動回路であって、前記駆動電圧入力端子に一端が接続されたコンデンサと、前記コンデンサの他端にカソード端が接続されており、且つ前記出力ラインにアノード端が接続されているダイオードと、前記ローサイドスイッチ素子及び前記ハイサイドスイッチ素子が共にオフ状態にある間は前記コンデンサを介して電流を前記出力ラインに送出し、前記ローサイドスイッチ素子がオフ状態にあり且つ前記ハイサイドスイッチ素子がオン状態にある間は前記出力ライン、前記ダイオード及び前記コンデンサを介して電流を前記駆動電圧入力端子に送出する電流経路切替部と、を含む。
本発明によれば、ローサイドスイッチ素子の寄生ダイオードの影響に拘わらず、ハイサイドスイッチ素子をオン状態に設定する駆動電圧の電圧値を、電源電圧よりもダイオードの順方向降下電圧分だけ低い電圧値に設定することができる。これにより、ハイサイドスイッチ素子を駆動する際の駆動損失を抑制することが可能となり、それに伴い消費電力の低減が図られる。
電源装置100の構成を示す回路図である。 第1駆動電圧VL及び第2駆動電圧VHに対応したトランジスタQ1及びQ2各々のオン・オフ状態を表すタイムチャートである。 トランジスタQ1及びQ2が共にオフ状態にある場合において、電源駆動回路30内に流れる電流経路を表す回路図である。 トランジスタQ1がオフ状態、トランジスタQ2がオン態にある場合において、電源駆動回路30内に流れる電流経路を表す回路図である。 電源装置100の他の構成を示す回路図である。 同期整流制御部10内においてブート端子BOOTに電圧を印加するダイオードD3を示す図である。
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、非絶縁の降圧型電源装置としての電源装置100の構成を示す回路図である。電源装置100は、電源ラインPL及び接地ラインGLに夫々接続されている同期整流制御部10、同期整流回路20及び電源駆動回路30を含む。外部電源EVは電源電圧Vinを生成し、これを電源ラインPLを介して同期整流制御部10、同期整流回路20、及び電源駆動回路30の各々に供給する。更に、外部電源EVは、接地電圧を接地ラインGLを介して同期整流制御部10、同期整流回路20及び電源駆動回路30の各々に供給する。
同期整流制御部10は、ローサイド駆動端子LDRV、ハイサイド駆動端子HDRV、ブート端子BOOT、センス端子SW、フィードバック端子FBを有する。
同期整流制御部10は、所定の電圧Vbpの電圧値を有する高電圧状態と、接地電圧値(例えばゼロボルト)を有する低電圧状態とを図2に示すように周期的に交互に繰り返す第1駆動電圧VLを生成し、これをローサイド駆動端子LDRVを介して同期整流回路20に供給する。
また、同期整流制御部10は、駆動電圧入力端子としてのブート端子BOOTに供給された電圧Vdの電圧値を有する高電圧状態と、センス端子SWが受けたスイッチング電圧SVの電圧値を有する低電圧状態とを図2に示すように周期的に交互に繰り返す第2駆動電圧VHを生成する。同期整流制御部10は、かかる第2駆動電圧VHを、ハイサイド駆動端子HDRVを介して同期整流回路20に供給する。同期整流制御部10のセンス端子SWは、出力ラインSLを介して同期整流回路20及び電源駆動回路30に接続されている。
尚、同期整流制御部10は、図2に示すように、第1駆動電圧VL及び第2駆動電圧VHが交互に高電圧状態となるように、第1駆動電圧VL及び第2駆動電圧VH各々の電圧値を周期的に変更する。
この際、同期整流制御部10は、図2に示すように、第1駆動電圧VLの電圧値をVbpからゼロボルトに遷移させた時点から、所定期間t1の経過後に、第2駆動電圧VHの電圧値をスイッチング電圧SVの状態からVdに遷移させる。よって、図2に示すように、第1駆動電圧VLの電圧値がVbpからゼロボルトに遷移した時点から、第2駆動電圧VHの電圧値がSVからVdに遷移した時点までの区間T0では、第1駆動電圧VL及び第2駆動電圧VHが共に低電圧状態となる。その後、同期整流制御部10は、図2に示すように、第2駆動電圧VHの電圧値をVdからSVに遷移させた時点から、所定期間t1の経過後に、第1駆動電圧VLの電圧値をゼロボルトからVbpに遷移させる。よって、図2に示すように、第2駆動電圧VHの電圧値がVdからSVに遷移した時点から、第1駆動電圧VLの電圧値がゼロボルトから電圧Vbpに遷移した時点までの区間T1でも、第1駆動電圧VL及び第2駆動電圧VHが共に低電圧状態となる。
また、同期整流制御部10は、フィードバック端子FBが受けた電圧に応じて、第1駆動電圧VL及び第2駆動電圧VH各々における高電圧状態の期間長を調整する。
同期整流回路20は、ローサイドスイッチ素子としてのnチャネルMOS型のトランジスタQ1、ハイサイドスイッチ素子としてのnチャネルMOS型のトランジスタQ2、コイルL1、コンデンサCa、抵抗RA及びRBを含む。
トランジスタQ1のソース端は接地ラインGLに接続されておりそのゲート端は、同期整流制御部10のローサイド駆動端子LDRVと接続されている。トランジスタQ1のドレイン端は、出力ラインSL、コイルL1の一端及びトランジスタQ2のドレイン端に接続されている。トランジスタQ1は、同期整流制御部10のローサイド駆動端子LDRVを介して供給された第1駆動電圧VLが低電圧状態にある間はオフ状態となる。一方、当該第1駆動電圧VLが高電圧状態にある間は、トランジスタQ1はオン状態となり、接地ラインGLを介して供給された接地電圧に対応した低電圧を、出力ラインSL及びコイルL1の一端に印加する。
トランジスタQ2のソース端は電源ラインPLに接続されておりそのゲート端は、同期整流制御部10のハイサイド駆動端子HDRVと接続されている。トランジスタQ2は、同期整流制御部10のハイサイド駆動端子HDRVを介して供給された第2駆動電圧VHが低電圧状態にある間はオフ状態となる。一方、当該第2駆動電圧VHが高電圧状態にある間は、トランジスタQ2はオン状態となり、電源ラインPLを介して供給された電源電圧Vinに対応した高電圧を、出力ラインSL及びコイルL1の一端に印加する。
かかる構成により、トランジスタQ1及びQ2は、同期整流制御部10から送出された第1駆動電圧VL及び第2駆動電圧VHに応じて、図2に示すように、周期的に且つ交互にオン状態となる。ただし、図2に示すように、区間T0及びT1では、トランジスタQ1及びQ2は共にオフ状態となる。すなわち、トランジスタQ1及びQ2を同時にオン状態からオフ状態(又はオフ状態からオン状態)に切り替えると、両者が共にオン状態となる場合があり、この際、電源ラインPL及び接地ラインGLが短絡して短絡電流が流れてしまう。そこで、このような短絡電流を防止するために、同期整流制御部10は、図2に示すように、区間T0又はT1にて一時的にトランジスタQ1及びQ2が共にオフ状態となるように制御している。
以上の動作により、トランジスタQ1及びQ2は、電源電圧Vinに対応した高電圧の状態及び接地電圧に対応した低電圧の状態を交互に繰り返すスイッチング電圧SVを生成し、当該スイッチング電圧SVを出力ラインSL及びコイルL1の一端に供給する。
コイルL1の他端はコンデンサCaの一端、抵抗RAの一端及び負荷駆動ラインLLに接続されている。抵抗RAの他端は、抵抗RBの一端及び同期整流制御部10のフィードバック端子FBに接続されている。抵抗RB及びコンデンサCa各々の他端は、接地ラインGLに接続されている。
上記したコイルL1、コンデンサCa、抵抗RA及びRBからなる平滑化回路は、スイッチング電圧SVの電圧値を平滑化して得た電圧を負荷駆動電圧として負荷駆動ラインLLを介して負荷回路LDに供給する。
図1において、電源駆動回路30は、ダイオードD1、D2、コンデンサC1、及び電流経路切替部CRSを有する。電流経路切替部CRSは、抵抗R2と、PNP型のバイポーラトランジスタとしてのトランジスタQ3を有する。
ダイオードD1のアノード端子は電源ラインPLに接続されており、そのカソード端子は同期整流制御部10のブート端子BOOT及びコンデンサC1の一端に接続されている。すなわち、電源供給ダイオードとしてのダイオードD1は、電源ラインPLに印加されている電源電圧Vinから自身の順方向降下電圧を差し引いた電圧を、コンデンサC1の一端及び同期整流制御部10のブート端子BOOTに供給する。
コンデンサC1の他端は、ダイオードD2のカソード端子と、トランジスタQ3のエミッタ端子に接続されている。ダイオードD2のアノード端子は出力ラインSLに接続されている。トランジスタQ3のコレクタ端子は接地ラインGLに接続されており、そのベース端子は抵抗R2の一端に接続されている。抵抗R2の他端は出力ラインSLに接続されている。
以下に、電源駆動回路30の動作について、図3及び図4を参照しつつ説明する。
図3は、トランジスタQ1及びQ2が共にオフ状態にある場合、例えば図2に示す区間T0又はT1において、電源駆動回路30内に流れる電流の経路を太線の矢印にて示した回路図である。
このようにトランジスタQ1及びQ2が共にオフ状態となる場合には、トランジスタQ1の寄生ダイオードを介して、図3の太線矢印にて示すように、当該トランジスタQ1のソース・ドレイン間に電流Ipが流れる。よって、出力ラインSLの電位は、この寄生ダイオードの順方向降下電圧分だけ低くなる。つまり、出力ラインSLの電位は、接地電圧に対してマイナス電位となる。これにより、PNP型のトランジスタQ3がオン状態となり、図3の太線矢印にて示すように、電源ラインPLから、ダイオードD1、コンデンサC1、トランジスタQ3及び抵抗R2なる経路を介して、出力ラインSLに電流Isが送出される。出力ラインSLに電流Isが流れ込むことにより、出力ラインSLの電圧が増加、つまりスイッチング電圧SVの電圧値が増加する。この際、コンデンサC1に電流が流れることにより、当該コンデンサC1が充電される。
尚、当該コンデンサC1の充電電圧Vcは、
Vc=Vin−VFd1
VFd1:ダイオードD1の順方向降下電圧
となる。
図4は、図3に示す状態からトランジスタQ1がオフ状態、トランジスタQ2がオン状態に遷移した場合、例えば図2に示す区間T2において、電源駆動回路30内に流れる電流の経路を太線の矢印にて示した回路図である。
このようにトランジスタQ1及びQ2のうちのトランジスタQ2がオン状態に遷移した場合には、当該トランジスタQ2を介して電源電圧Vinに対応した高電圧が出力ラインSLに印加される。これにより、PNP型のトランジスタQ3がオフ状態になり、それに伴い、出力ラインSLの電圧がダイオードD2を介してコンデンサC1の他端に印加される。すると、コンデンサC1が放電し、当該コンデンサC1に充電された電荷に伴う電流Ibが、出力ラインSL、ダイオードD2、コンデンサC1なる経路を介して、同期整流制御部10のブート端子BOOTに送出される。これにより、以下の電圧値を有する電圧Vdが同期整流制御部10のブート端子BOOTに供給される。
Vd=Vc−VFd2
=Vin−VFd1−VFd2
VFd2:ダイオードD2の順方向降下電圧
よって、同期整流制御部10は、図2に示す区間T2において、(Vin−VFd1−VFd2)なる電圧値の電圧Vdを有する第2駆動電圧VHをトランジスタQ2のゲート端に印加することにより、ハイサイドスイッチ素子としてのトランジスタQ2をオン状態に設定する。
例えば、ダイオードD1及びD2として一般的なショットキーバリアダイオードを採用した場合には順方向降下電圧VFd1及びVFd2は共に0.4ボルトとなる。よって、電源電圧Vinを5ボルトとすると、第2駆動電圧VHの電圧Vdは4.2ボルトとなる。
従って、電源駆動回路30によれば、トランジスタQ1の寄生ダイオードの影響に拘わらず、トランジスタQ2をオン状態に設定する第2駆動電圧VHの電圧Vdを、電源電圧Vinよりもダイオードの順方向降下電圧(VFd1+VFd2)の分だけ低い電圧値に設定することができる。
これにより、ローサイドスイッチ素子としてのトランジスタQ1を駆動する際の駆動損失を抑制することができるので、消費電力の低減が図られるようになる。また、電源駆動回路30によれば、トランジスタQ1をオン状態に設定するための電圧Vdの電圧値が電源電圧Vinよりも低いので、トランジスタQ1としてゲート・ソース間耐圧が低い素子を用いることが可能となる。更に、ダイオードD1、D2、抵抗R2及びコンデンサC1として、耐圧の低い素子を用いることができるので、電源装置全体の規模増大を抑えることが可能となる。
図5は、電源装置100の他の構成を示す回路図である。尚、図5に示す電源装置100は、図1に示される同期整流制御部10及び電源駆動回路30に代えて、同期整流制御部10a及び電源駆動回路30aを採用した点を除き、図1に示されるものと同一構成を有する。
同期整流制御部10aは、同期整流制御部10と同様に、ローサイド駆動端子LDRV、ハイサイド駆動端子HDRV、ブート端子BOOT、センス端子SW、及びフィードバック端子FBを有する。この際、同期整流制御部10aにおける各端子(LDRV、HDRV、BOOT、SW、FB)での機能は、同期整流制御部10における各端子での機能と同一である。
ただし、同期整流制御部10aの内部において、ブート端子BOOTには、図6に示すように、当該ブート端子BOOTと内部回路とを接続するラインTL及びダイオードD3を介して電圧Vbpが印加されている。
電源駆動回路30aは、図1に示される電源駆動回路30からダイオードD1を削除した点を除き、図1に示されるものと同一構成を有する。電源駆動回路30aでは、ブート端子BOOTの電圧、つまり、同期整流制御部10aの内部でダイオードD3を介して印加された電圧、つまり電圧VbpからダイオードD3の順方向降下電圧VFd3を引いた電圧により、コンデンサC1が充電される。
よって、図5に示す構成を採用した場合にも、トランジスタQ1の寄生ダイオードの影響に拘わらず、トランジスタQ2をオン状態に設定する第2駆動電圧VHの電圧Vdを、電圧VbpよりもダイオードD2及びD3の順方向降下電圧(VFd2+VFd3)の分だけ低い電圧値に設定することができる。
これにより、ローサイドスイッチ素子としてのトランジスタQ1を駆動する際の駆動損失が抑制され、それに伴い消費電力の低減が図られるようになる。
尚、図1又は図5に示す実施例では、一般的な非絶縁の降圧型電源装置に電源駆動回路30を設けた場合の構成について説明したが、スイッチノードのように電位が切り替わるノードを利用して一対のスイッチ素子を相補的にオン・オフ駆動するようにした電源装置にも同様に、当該電源駆動回路30を適用することが可能である。
また、図1又は図5に示す実施例では、相補的にオン・オフ動作するハイサイドスイッチ素子及びローサイドスイッチ素子としてMOS型のトランジスタを採用しているが、供給される電圧に応じてオン・オフ動作する素子であれば、トランジスタ以外の素子を用いることも可能である。
また、上記実施例では、電源駆動回路30に含まれる電流経路切替部CRSを、PNP型のトランジスタQ3及び抵抗R2にて実現しているが、かかる構成に限定されない。つまり、電流経路切替部CRSとしては、トランジスタQ1及びQ2が共にオフ状態にある場合と、トランジスタQ1及びQ2のうちのハイサイドスイッチ素子としてのQ2だけがオン状態にある場合とで、図3及び図4に示すように電源駆動回路30内を流れる電流の経路を切り替えられるものであれば良いのである。
要するに、本発明においては、同期整流制御部(10)及び同期整流回路(20)を含む電源装置(100)に、以下の構成を有する電源駆動回路(30)を設ければ良いのである。尚、同期整流回路(20)は、第1駆動電圧(VL)に応じて接地電圧を出力ライン(SL)に印加するローサイドスイッチ素子(Q1)と、第2駆動電圧(VH)に応じて電源電圧を出力ラインに印加するハイサイドスイッチ素子(Q2)とを含み、出力ラインの電圧を平滑化した電圧を負荷を駆動する負荷駆動電圧として出力する。また、同期整流制御部(10)は、上記した第1駆動電圧を生成すると共に、自身の駆動電圧入力端子(BOOT)が受けた電圧(Vd)に基づき上記した第2駆動電圧を生成する。
電源駆動回路(30)は、駆動電圧入力端子(BOOT)に一端が接続されたコンデンサ(C1)と、このコンデンサの他端にカソード端が接続されており、且つ出力ライン(SL)にアノード端が接続されているダイオード(D2)と、電流経路切替部(CRS)と、を含む。そして、電流経路切替部は、ローサイドスイッチ素子及びハイサイドスイッチ素子が共にオフ状態にある間はコンデンサ(C1)を介して電流を出力ライン(SL)に送出する。また、ローサイドスイッチ素子がオフ状態にあり且つハイサイドスイッチ素子がオン状態にある間は、電流経路切替部は、出力ライン、ダイオード(D2)及びコンデンサ(C1)を介して電流を同期整流制御部(10)の駆動電圧入力端子(BOOT)に送出する。
10 同期整流制御部
20 同期整流回路
30 電源駆動回路
100 電源装置
C1 コンデンサ
CRS 電流経路切替部
D1、D2 ダイオード
Q1〜Q3 トランジスタ
R2 抵抗

Claims (5)

  1. 第1駆動電圧に応じて接地電圧を出力ラインに印加するローサイドスイッチ素子、及び第2駆動電圧に応じて電源電圧を前記出力ラインに印加するハイサイドスイッチ素子を含み、前記出力ラインの電圧を平滑化した電圧を出力する同期整流回路と、
    前記第1駆動電圧を生成すると共に、自身の駆動電圧入力端子が受けた電圧に基づき前記第2駆動電圧を生成する同期整流制御部と、を含む電源装置の電源駆動回路であって、
    前記駆動電圧入力端子に一端が接続されたコンデンサと、
    前記コンデンサの他端にカソード端が接続されており、且つ前記出力ラインにアノード端が接続されているダイオードと、
    前記ローサイドスイッチ素子及び前記ハイサイドスイッチ素子が共にオフ状態にある間は前記コンデンサを介して電流を前記出力ラインに送出し、前記ローサイドスイッチ素子がオフ状態にあり且つ前記ハイサイドスイッチ素子がオン状態にある間は前記出力ライン、前記ダイオード及び前記コンデンサを介して電流を前記駆動電圧入力端子に送出する電流経路切替部と、を含むことを特徴とする電源装置の電源駆動回路。
  2. 前記電流経路切替部は、
    前記コンデンサの前記他端にエミッタ端が接続されており、且つコレクタ端に前記接地電圧が印加されているトランジスタと、
    前記出力ラインに一端が接続されており他端が前記トランジスタのベース端に接続されている抵抗と、を有することを特徴とする請求項1記載の電源装置の電源駆動回路。
  3. 前記電源電圧がアノード端に印加されており且つ前記コンデンサの前記一端にカソード端が接続されている電源供給ダイオードを含むことを特徴とする請求項1又は2記載の電源装置の電源駆動回路。
  4. 前記ローサイドスイッチ素子及び前記ハイサイドスイッチ素子はnチャネル型のMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1に記載の電源装置の電源駆動回路。
  5. 前記トランジスタは、PNP型のバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項2記載の電源装置の電源駆動回路。
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