JP7074633B2

JP7074633B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP7074633B2
Application number: JP2018180776A
Authority: JP
Inventors: 健志 ▲濱▼田; 秀明渡邊; アナンダビターナゲ; チェンギャムタン
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: WO2020066111A1; JP2020054100A

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。

入力された電圧を所望の電圧に変換して出力する電力変換装置の１つとして、スイッチング電源装置が広く利用されている。近年、スイッチング電源装置は、出力電圧や出力電流、温度などの帰還信号をＡ／Ｄ変換してマイコン制御回路に取り込み、当該帰還信号に基づいて電力変換を行うフルデジタル制御によるものが増加している。このようなフルデジタル制御によるスイッチング電源装置は、負荷条件や入力条件の変化に対して、スイッチング動作のタイミングを正確に制御することができるため、ノイズや電力損失を低減することができる。また、フルデジタル制御によるスイッチング電源装置は、様々なシーケンス動作をファームウェアで設定できるため、部品の削減が可能となり、システムを小型化することができる。

ところで、スイッチング電源装置は、出力電圧や出力電流が異常に上昇した場合に動作を停止する保護機能が搭載されていることが多い。例えば、スイッチング電源装置の出力電圧が所定の閾値以上となる場合にラッチオフ状態となる過電圧保護機能（ＯＶＰ：Over Voltage Protection）や、スイッチング電源装置の出力電流が所定の閾値以上となる場合にラッチオフ状態となる過電流保護機能（ＯＣＰ：Over Current Protection）が知られており、後者の機能を搭載したスイッチング電源装置が特許文献１に開示されている。より具体的には、特許文献１に記載された従来技術は、過電流を検出した場合にラッチオフ状態とし、所定のタイミングでラッチオフを解除するスイッチング電源装置である。

特開平１１－１８４１８号公報

しかしながら、デジタル制御によるスイッチング電源装置は、クロック周波数に伴う離散時間で制御を行うため、急激な負荷変動や入力変動に対して出力電圧の変動が大きくなり、ラッチオフにより出力が停止されてしまう。そのため、スイッチング電源装置から電力が供給される外部の負荷装置は、過電圧や過電流による障害から保護されるものの、電力供給が遮断されてしまう。また、スイッチング電源装置は、更なる出力電圧の上昇を回避するため、ラッチオフ状態になった場合に、出力側のコンデンサに蓄えられた電荷を引き抜くことで出力電圧を速やかに低下させるように設計されている場合がある。このようなスイッチング電源装置は、一旦ラッチオフ状態となると、その後ラッチオフを解除したとしても、負荷装置へ供給される出力電圧が不安定化する虞が生じる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、急峻な入出力変動に対しても保護機能に伴う出力停止を抑制して電力を安定供給することができるスイッチング電源装置を提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、入力された電圧をスイッチング素子により目標電圧に変換して出力するスイッチング回路と、前記スイッチング回路の出力電圧に基づいて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部を含み、前記出力電圧が所定のラッチオフ閾値以上である場合にシャットダウンする制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記スイッチング回路の出力電流及び前記出力電圧の少なくとも一方からなる帰還信号と所定の制限値とをアナログコンパレータで比較する制限比較器と、前記帰還信号が前記制限値以上となる場合に前記ＰＷＭ制御部から前記スイッチング素子へ出力されるパルスをスキップさせるＰＷＭスキップ設定部と、を含み、前記ＰＷＭ制御部は、出力される前記パルスをスキップした後、前記出力電圧が前記目標電圧未満に低下する前に、前記パルスをスキップする直前の直前デューティ比よりも小さい復帰デューティ比で前記パルスの出力を再開する、スイッチング電源装置である。

スイッチング電源装置は、スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより出力電圧が所定の目標電圧となるように入力電圧を変換して出力すると共に、出力電圧がラッチオフ閾値以上である場合に制御回路がシャットダウンする過電圧保護機能を有している。また、スイッチング電源装置は、スイッチング回路の出力電流及び出力電圧のうち、少なくとも一方が所定の制限値以上となる場合に、ＰＷＭ制御のパルス出力をスキップすることで、ラッチオフ状態に移行することなく出力の急上昇を抑制する。そして、スイッチング電源装置は、パルススキップの直前における直前デューティ比よりも小さい復帰デューティ比でＰＷＭ制御を再開することにより、出力電圧をあらためて所定の目標電圧となるように制御する。

これにより本発明の第１の態様に係るスイッチング電源装置は、ラッチオフ閾値とは異なる所定の制限値を設けてパルススキップを行うことにより、例えば入力変動や負荷変動が生じた場合であっても、過電圧保護機能に伴うラッチオフの発生を抑制しつつ、出力電流及び出力電圧の更なる上昇を回避することができる。従って、本発明の第１の態様に係るスイッチング電源装置によれば、急峻な入出力変動に対しても保護機能に伴う出力停止を抑制して電力を安定供給することができる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、上記した本発明の第１の態様において、前記制御回路は、前記パルスをスキップしてから所定の解除時間が経過したことを条件として、前記パルスの出力を再開する、スイッチング電源装置である。

本発明の第２の態様に係るスイッチング電源装置によれば、パルスがスキップされる期間を所定の解除時間で制限することにより、パルススキップの期間中に出力電圧が低下し過ぎないようにすることができる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、上記した本発明の第１の態様において、前記制御回路は、前記帰還信号が前記出力電圧を含む場合に、前記目標電圧以上で且つ前記制限値未満に設定された所定の解除電圧まで前記出力電圧が低下したことを条件として、前記パルスの出力を再開する、スイッチング電源装置である。

本発明の第３の態様に係るスイッチング電源装置によれば、パルススキップの期間中における出力電圧の低下が比較的早い場合であっても、出力電圧が目標電圧以上に設定された解除電圧まで低下したときにＰＷＭ制御を再開するため、出力電圧が低下し過ぎないようにすることができる。

＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、上記した本発明の第２又は３の態様において、前記制御回路は、前記パルスの出力を再開する前に、前記ラッチオフ閾値を超えない範囲で前記制限値を上昇させ、前記出力電圧が前記目標電圧まで低下したことを条件として、前記制限値を初期化する、スイッチング電源装置である。

本発明の第４の態様に係るスイッチング電源装置によれば、パルススキップの開始からＰＷＭ制御を再開するまでの間に、出力に対する制限値を一時的に上昇させることよって、パルススキップの期間中における出力電圧の低下が比較的遅い場合であっても、ＰＷＭ制御の再開時に出力電圧が再び制限値以上となる虞を低減することができる。

＜本発明の第５の態様＞
本発明の第５の態様は、上記した本発明の第４の態様において、前記制御回路は、前記制限値を初期化する前に前記出力電圧が前記制限値以上となる度に、前記パルスのスキップと前記制限値の上昇とを段階的に繰り返す、スイッチング電源装置である。

本発明の第５の態様に係るスイッチング電源装置によれば、例えば入力変動や負荷変動に伴い出力電圧が段階的に上昇する場合であっても、これに対応してパルススキップと制限値の上昇とを段階的に繰り返すことにより、保護機能に伴う出力停止を抑制して電力を安定供給することができる。

＜本発明の第６の態様＞
本発明の第６の態様は、上記した本発明の第１乃至５のいずれかの態様において、前記復帰デューティ比は、前記直前デューティ比に１未満の係数をかけて算出される、スイッチング電源装置である。

本発明の第６の態様に係るスイッチング電源装置によれば、パルススキップの直前におけるＰＷＭ制御のデューティ比を取り込みつつ予め設定された係数をかけるだけで、ＰＷＭ制御の復帰直後に出力電圧を確実に低下させることができ、過電圧に対する安全性を容易に高めることができる。

＜本発明の第７の態様＞
本発明の第７の態様は、上記した本発明の第１乃至５のいずれかの態様において、前記制御回路は、前記スイッチング回路の入力電圧を検出する入力電圧検出部を備え、前記復帰デューティ比は、前記パルスの出力を再開する直前の前記入力電圧に基づいて算出される、スイッチング電源装置である。

本発明の第７の態様に係るスイッチング電源装置によれば、ＰＷＭ制御の再開時における変動後の入力電圧を復帰デューティ比に直接反映させることができるため、目標電圧に対して適切なデューティ比でＰＷＭ制御を再開することができる。

＜本発明の第８の態様＞
本発明の第８の態様は、上記した本発明の第１乃至７のいずれかの態様において、前記制御回路は、前記帰還信号が前記出力電流を含む場合に、前記出力電流が前記制限値よりも低く設定された所定の過電流閾値以上となる場合にシャットダウンする過電流保護機能を有し、前記出力電流が前記過電流閾値以上である状態が所定の第１期間継続するまでシャットダウンを保留する、スイッチング電源装置である。

本発明の第８の態様に係るスイッチング電源装置は、出力電流が過電流閾値以上である場合に制御回路がシャットダウンする過電流保護機能を有している。そして、スイッチング電源装置は、出力電流が過電流閾値以上である状態となった場合であっても、当該状態が所定の第１期間継続するまでラッチオフによるシャットダウンを保留する。これにより本発明の第８の態様に係るスイッチング電源装置によれば、出力電流が制限値以上となる場合にはＰＷＭ制御のパルススキップにより出力電流を停止し、出力電流が過電流閾値以上である状態を一定期間許容することにより、急峻な入出力変動に対しても保護機能に伴う出力停止を抑制して電力を安定供給することができる。

＜本発明の第９の態様＞
本発明の第９の態様は、上記した本発明の第１乃至７のいずれかの態様において、前記制御回路は、前記帰還信号が前記出力電流を含む場合に、前記出力電流が前記制限値よりも低く設定された所定の過電流閾値以上となる場合にシャットダウンする過電流保護機能を有し、前記出力電流が前記過電流閾値以上である状態が所定の第２期間に所定回数発生するまでシャットダウンを保留する、スイッチング電源装置である。

本発明の第９の態様に係るスイッチング電源装置は、出力電流が過電流閾値以上である場合に制御回路がシャットダウンする過電流保護機能を有している。そして、スイッチング電源装置は、出力電流が過電流閾値以上である状態となった場合であっても、当該状態が所定の第２期間の間に所定回数発生するまでラッチオフによるシャットダウンを保留する。これにより本発明の第９の態様に係るスイッチング電源装置によれば、出力電流が制限値以上となる場合にはＰＷＭ制御のパルススキップにより出力電流を停止し、出力電流が過電流閾値以上である状態を一定回数許容することにより、急峻な入出力変動に対しても保護機能に伴う出力停止を抑制して電力を安定供給することができる。

本発明によれば、保護機能に伴う出力変動を安定化するスイッチング電源装置を提供することができる。

本発明に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である本発明に係るスイッチング電源装置の出力電圧に基づく出力継続制御を示すフローチャートである。出力電圧に基づく出力継続制御において、スイッチング電源装置の入力電圧、出力電圧、及びＰＷＭパルスの変化の一例を示すタイミングチャートである。パルススキップ後の出力電圧の低下が遅い場合における入力電圧、出力電圧、及びＰＷＭパルスの変化の一例を示すタイミングチャートである。入力電圧が段階的に急増する場合における入力電圧、出力電圧、及びＰＷＭパルスの変化の一例を示すタイミングチャートである。本発明に係るスイッチング電源装置の出力電流に基づく出力継続制御を示すフローチャートである。出力電流に基づく出力継続制御において、スイッチング電源装置の入力電圧、出力電圧、出力電流、及びＰＷＭパルスの変化の一例を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

図１は、本発明に係るスイッチング電源装置１の構成を示す回路図である。スイッチング電源装置１は、本実施形態においては、２つの入力端子Ｔ_ＩＮに外部電源２が接続され、２つの出力端子Ｔ_ＯＵＴに外部負荷３が接続されることにより、外部電源２から入力される直流の入力電圧Ｖ_ＩＮを所望の目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}に変換して外部負荷３へ安定した直流の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを出力する所謂ＤＣ－ＤＣコンバータである。スイッチング電源装置１は、電力の変換を行うスイッチング回路１０、及びスイッチング回路１０から各種信号を取得しつつスイッチング回路１０を制御する制御回路２０を備える。

スイッチング回路１０は、入力コンデンサＣ_ＩＮ、入力電流検出抵抗Ｒ_ＩＮ、スイッチング素子ＳＷ、チョークコイルＬ、転流ダイオードＤ、出力コンデンサＣ_ＯＵＴ、及び出力電流検出抵抗Ｒ_ＯＵＴを含む。

入力コンデンサＣ_ＩＮは、一端が高電位側の入力端子Ｔ_ＩＮに接続され、他端が入力電流検出抵抗Ｒ_ＩＮを介して低電位側の入力端子Ｔ_ＩＮに接続されることにより、入力端子に入力された入力電圧Ｖ_ＩＮの変動を抑制する。入力電流検出抵抗Ｒ_ＩＮは、外部電源２から入力される電流を検出するために設けられ、微小な抵抗値を有する抵抗器である。

スイッチング素子ＳＷは、本実施形態においては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）からなり、ドレインが高電位側の入力端子Ｔ_ＩＮに接続され、ソースがチョークコイルＬを介して高電位側の出力端子Ｔ_ＯＵＴに接続されている。そして、スイッチング素子ＳＷは、後述するように、制御回路２０からのパルス信号がゲートに入力されることによりＰＷＭ制御される。尚、スイッチング素子ＳＷは、公知のバイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの他の素子であってもよい。

チョークコイルＬは、スイッチング素子ＳＷがＯＮの状態において、スイッチング素子ＳＷから高電位側の出力端子Ｔ_ＯＵＴへ流れる電流によりエネルギーを蓄える。転流ダイオードＤは、例えばショットキバリアダイオードからなり、アノードが入力コンデンサＣ_ＩＮと入力電流検出抵抗Ｒ_ＩＮとの接続点に接続され、カソードがスイッチング素子ＳＷとチョークコイルＬとの接続点に接続されている。転流ダイオードＤは、スイッチング素子ＳＷがＯＦＦの状態において順方向電流が流れることにより、チョークコイルＬに蓄えられたエネルギーを開放する。

出力コンデンサＣ_ＯＵＴは、一端がチョークコイルＬと高電位側の出力端子Ｔ_ＯＵＴとの接続点に接続され、他端が転流ダイオードＤのアノードに接続されている。出力電流検出抵抗Ｒ_ＯＵＴは、一端が転流ダイオードＤのアノードに接続され、多端が低電位側の出力端子Ｔ_ＯＵＴに接続されている。出力電流検出抵抗Ｒ_ＯＵＴは、外部負荷３へ出力される電流を検出するために設けられ、微小な抵抗値を有する抵抗器である。

本実施形態におけるスイッチング回路１０は、スイッチング素子ＳＷに対するＰＷＭ制御により、入力電圧Ｖ_ＩＮを降圧して出力電圧Ｖ_ＯＵＴを出力することができる。ただし、本発明に係るスイッチング回路１０は、上記の構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、スイッチング回路１０は、外部電源２から交流電力が入力される場合にはＡＣ－ＤＣコンバータとして構成してもよく、また、入力電圧Ｖ_ＩＮを昇圧して出力電圧Ｖ_ＯＵＴを形成してもよい。さらに、スイッチング回路１０は、ダイオード整流に限られず、転流ダイオードＤに替えてスイッチング素子を採用した同期整流であってもよい。また、スイッチング回路１０は、絶縁トランスを介した絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータであってもよく、所謂フライバック方式、フォーワード方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、及びフルブリッジ方式などの様々な形態の回路構成を採用することができる。

制御回路２０は、例えば内部タイマを含むマイコン制御回路を備え、ＰＷＭ制御部２１、ＰＷＭスキップ設定部２２、出力電圧検出部２３、電圧制限比較器２４、出力電流検出部２５、電流制限比較器２６、入力電流検出部２７、及び入力電圧検出部２８を含む。

ＰＷＭ制御部２１は、スイッチング回路１０の出力電圧Ｖ_ＯＵＴに基づいてデューティ比を調整し、スイッチング素子ＳＷのゲートにパルス電圧を出力することにより、スイッチング回路１０の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}となるようにＰＷＭ制御する。また、ＰＷＭ制御部２１は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが異常に上昇してラッチオフ閾値Ｖ_ＯＶＰを超えた場合には過電圧保護機能（Over Voltage Protection）が作動し、制御回路２０をシャットダウンさせるラッチオフ状態となる。

ＰＷＭスキップ設定部２２は、スイッチング電源装置１のレギュレーション動作に対して出力電圧Ｖ_ＯＵＴが急激に上昇した場合に、後述する手順によりＰＷＭ制御部２１のパルス出力を一時的にスキップさせることで、外部負荷３を過電圧から保護しつつも過電圧保護機能の作動を可能な限り抑制して外部負荷３への電力供給を継続する。

出力電圧検出部２３は、例えば分圧回路からなり、スイッチング回路１０の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを検出する。また、電圧制限比較器２４は、アナログコンパレータを含み、出力電圧検出部２３により検出された出力電圧Ｖ_ＯＵＴを所定の電圧制限値Ｖ_ＴＨと比較することにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴの上昇に対してＰＷＭ制御部２１のパルススキップが必要か否かを判定する。すなわち、ＰＷＭスキップ設定部２２は、電圧制限比較器２４からの出力信号に基づいて、ＰＷＭ制御部２１に対してパルススキップを指示する。

出力電流検出部２５は、例えばオペアンプからなり、出力電流検出抵抗Ｒ_ＯＵＴにおけるスイッチング回路１０の出力電流Ｉ_ＯＵＴを増幅して検出する。また、電流制限比較器２６は、アナログコンパレータを含み、出力電流検出部２５により検出された出力電流Ｉ_ＯＵＴを所定の電流制限値Ｉ_ＴＨと比較することにより、出力電流Ｉ_ＯＵＴの上昇に対してＰＷＭ制御部２１のパルススキップが必要か否かを判定する。すなわち、ＰＷＭスキップ設定部２２は、電流制限比較器２６からの出力信号に基づいて、ＰＷＭ制御部２１に対してパルススキップを指示する。

ここで、制御回路２０は、本実施形態においては電圧制限比較器２４及び電流制限比較器２６を共に備えることにより、いずれかの出力信号がＰＷＭスキップ設定部２２に出力されたときにＰＷＭ制御部２１のパルススキップが実行される。ただし、制御回路２０は、「帰還信号」としての出力電圧Ｖ_ＯＵＴを「制限値」としての電圧制限値Ｖ_ＴＨと比較する電圧制限比較器２４、及び「帰還信号」としての出力電流Ｉ_ＯＵＴを「制限値」としての電流制限値Ｉ_ＴＨと比較する電流制限比較器２６のうち、少なくとも一方を備えることにより構成することができる。

入力電流検出部２７は、例えばオペアンプからなり、入力電流検出抵抗Ｒ_ＩＮにおいてスイッチング回路１０の入力電流Ｉ_ＩＮを増幅して検出し、ＰＷＭ制御部２１に出力する。入力電圧検出部２８は、例えば分圧回路からなり、スイッチング回路１０の入力電圧Ｖ_ＩＮを検出し、ＰＷＭ制御部２１に出力する。入力電流検出部２７及び入力電圧検出部２８は、本発明に必須の構成要素ではないが、ＰＷＭ制御部２１が電力変換効率ηを算出する場合やＰＷＭ制御のデューティ比を調整する場合などに使用することができる。

次に、スイッチング電源装置１の出力電圧検出部２３及び電圧制限比較器２４による出力継続制御について説明する。図２は、本発明に係るスイッチング電源装置１の出力電圧Ｖ_ＯＵＴに基づく出力継続制御を示すフローチャートである。また、図３は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴに基づく出力継続制御において、スイッチング電源装置１の入力電圧Ｖ_ＩＮ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ、及びＰＷＭパルスの変化の一例を示すタイミングチャートである。

スイッチング電源装置１は、入力電圧Ｖ_ＩＮが標準的な範囲内で安定している状態においては、出力電圧Ｖ_ＯＵＴに基づいて算出されたデューティ比によるＰＷＭ制御で目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}を形成して出力端子Ｔ_ＯＵＴから出力する。そして、ＰＷＭ制御の実行中に出力電圧Ｖ_ＯＵＴが急激に上昇した場合には、スイッチング電源装置１は、図２のフローチャートに沿った出力継続制御により、出力電圧Ｖ_ＯＵＴの上昇を抑制しながら、過電圧保護機能の作動により制御回路２０がシャットダウンすることを可能な限り抑制する。

制御回路２０は、ＰＷＭ制御部２１におけるＰＷＭ制御の開始と共に出力継続制御を開始する。そして、電圧制限比較器２４は、出力電圧検出部２３を介して検出された出力電圧Ｖ_ＯＵＴが電圧制限値Ｖ_ＴＨ以上となったか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、所定の電圧制限値Ｖ_ＴＨは、ＰＷＭ制御のクロックに対して急上昇する出力電圧Ｖ_ＯＵＴを検出するための閾値であり、ラッチオフ閾値Ｖ_ＯＶＰよりも低い電圧値として事前に設定される。

制御回路２０は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが電圧制限値Ｖ_ＴＨを超えるまでは、図３におけるタイミングＴ２までの状態で示されるように、出力電圧Ｖ_ＯＵＴに基づく通常のＰＷＭ制御を継続する（ステップＳ１でＮｏ）。

一方、例えばタイミングＴ１において入力電圧Ｖ_ＩＮが急上昇することに伴って出力電圧Ｖ_ＯＵＴが上昇し、タイミングＴ２において出力電圧Ｖ_ＯＵＴが電圧制限値Ｖ_ＴＨ以上となった場合には（ステップＳ１でＹｅｓ）、制御回路２０は、その時点におけるＰＷＭ制御部２１のデューティ比である直前デューティ比Ｄ_Ｌを取り込んで記憶する（ステップＳ２）。

また、制御回路２０は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴの更なる上昇を防止するため、ＰＷＭ制御部２１からスイッチング素子ＳＷへのパルスの出力をスキップする（ステップＳ３）。これにより、制御回路２０は、入力端子Ｔ_ＩＮから出力端子Ｔ_ＯＵＴへの電流を遮断し、図３のタイミングＴ２からタイミングＴ３までの期間として示されるように、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを電圧制限値Ｖ_ＴＨから低下させることができる。

このとき、制御回路２０は、パルススキップを開始するタイミングＴ２において内部タイマをスタートさせ、パルススキップの継続時間を計測する（ステップＳ４）。ここで、制御回路２０は、パルススキップの継続時間の上限として解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}が予め設定され、内部タイマが計測したパルススキップの継続時間が解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}に達した場合には、ＰＷＭ制御部２１によるＰＷＭ制御を再開する。解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}は、ＰＷＭ制御を再開しても出力電圧Ｖ_ＯＵＴがすぐには電圧制限値Ｖ_ＴＨを超えない範囲において、出来るだけ短く設定されることが好ましい。

また、制御回路２０は、パルススキップの継続時間が解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}に達する前に、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが所定の解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}以下となった場合に、直ちにパルス出力を再開できるよう、パルススキップを開始した時点で復帰デューティ比Ｄ_Ｒを設定しておく（ステップＳ５）。

ここで、解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}とは、パルススキップ後にＰＷＭ制御を再開するための出力電圧Ｖ_ＯＵＴの閾値であり、目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}以上で且つ電圧制限値Ｖ_ＴＨ未満の範囲で予め設定される。解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}は、本実施形態においては、目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}と一致するように設定されているものとする。

また、復帰デューティ比Ｄ_Ｒは、本実施形態においては、上記のステップＳ２で取り込まれた直前デューティ比Ｄ_Ｌに１未満の係数αをかけて算出される。例えば、係数α＝０．９とすれば、制御回路２０は、復帰デューティ比Ｄ_Ｒ＝直前デューティ比Ｄ_Ｌ×０．９として設定することにより、パルススキップの直前の出力電圧Ｖ_ＯＵＴに対応する直前デューティ比Ｄ_Ｌよりも小さいデューティ比でＰＷＭ制御を再開することができ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴの更なる上昇を容易に抑制することができる。

復帰デューティ比Ｄ_Ｒが設定されると、制御回路２０は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}よりも高い状態であるか否かを判定する（ステップＳ６）。すなわち、制御回路２０は、電圧制限値Ｖ_ＴＨを超えた出力電圧Ｖ_ＯＵＴがパルススキップにより解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}以下まで低下したかを判定する。

そして、制御回路２０は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}以下まで低下した場合には（ステップＳ６でＮｏ）、図３のタイミングＴ３で示されるように、スイッチング素子ＳＷに対するＰＷＭ制御部２１のＰＷＭ制御を再開する（ステップＳ７）。これにより、ＰＷＭ制御部２１は、入力電圧Ｖ_ＩＮの上昇を反映させたデューティ比に調整しながらＰＷＭ制御を行うことにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴをあらためて目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}に復帰させることができる。

ところで、パルススキップ後の出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、出力コンデンサＣ_ＯＵＴや外部負荷３に含まれる図示しないコンデンサの容量の大きさによって、解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}まで低下するのに要する時間が長くなる場合がある。図４は、パルススキップ後の出力電圧Ｖ_ＯＵＴの低下が遅い場合における入力電圧Ｖ_ＩＮ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ、及びＰＷＭパルスの変化の一例を示すタイミングチャートである。このような場合には、図４に見られるように、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}まで低下する前に、パルススキップの継続時間が解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}に達することになる。

このため、制御回路２０は、図２のステップＳ６において、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}以下まで低下していない状態において、内部タイマが計測したパルススキップの継続時間が解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}に達したか否かを判定する（ステップＳ８）。すなわち、制御回路２０は、パルススキップの継続時間が解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}に達したか、及び出力電圧Ｖ_ＯＵＴが解除電圧Ｖ_{ＣＡＮＣＥＬ}以下まで低下したかを判定し、いずれかの条件を満たすまでパルススキップを継続する（ステップＳ８でＮｏ）。

図４のタイミングＴ５において、パルススキップの継続時間が解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}に達すると（ステップＳ８でＹｅｓ）、制御回路２０は、入力電圧検出部２８を介して入力電圧Ｖ_ＩＮを取り込むと共に（ステップＳ９）、ステップＳ５で設定された復帰デューティ比Ｄ_Ｒを上書きするように再設定する（ステップＳ１０）。すなわち、制御回路２０は、解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}に基づいてＰＷＭ制御を再開する場合には、パルススキップの開始からＰＷＭ制御を再開するまでの時間が事前に決まっており、ＰＷＭ制御の再開に備えるための時間的余裕があるため、ＰＷＭ制御の再開直前の入力電圧Ｖ_ＩＮに基づいて復帰デューティ比Ｄ_Ｒを再設定しておくことにより、上昇した入力電圧Ｖ_ＩＮに対応したより適切なデューティ比によりＰＷＭ制御を再開することができる。

ただし、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、電圧制限値Ｖ_ＴＨからの低下が遅い場合には、例えばノイズ等の影響によりＰＷＭ制御を再開するタイミングで再び電圧制限値Ｖ_ＴＨを超過することも起こり得る。そのため、制御回路２０は、図４のタイミングＴ４に示されるように、一時的に電圧制限値Ｖ_ＴＨを所定の電位差βだけ上昇させる（ステップＳ１１）。ここで、所定の電位差βは、上昇させた電圧制限値Ｖ_ＴＨがラッチオフ閾値Ｖ_ＯＶＰを超えないように任意に設定される。

そして、制御回路２０は、図４のタイミングＴ５に示されるように、ステップＳ１０において再設定された復帰デューティ比Ｄ_Ｒを用いてＰＷＭ制御を再開する（ステップＳ１２）。これにより、制御回路２０は、入力電圧Ｖ_ＩＮの上昇を反映させたデューティ比に調整しながらＰＷＭ制御を行うことにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴをあらためて目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}に復帰させることができる。

ＰＷＭ制御が再開すると、制御回路２０は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}よりも高い状態であるかを判定する（ステップＳ１３）。そして、制御回路２０は、図４のタイミングＴ６に示されるように、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}まで低下した場合には（ステップＳ１３でＮｏ）、ステップＳ１１にて電位差βだけ上昇させた電圧制限値Ｖ_ＴＨを初期化して上昇前の電圧制限値Ｖ_ＴＨに復帰させる（ステップＳ１４）。

また、制御回路２０は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}よりも高い状態である場合には（ステップＳ１３でＹｅｓ）、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが上昇後の電圧制限値Ｖ_ＴＨ以上となるか否かを判定する（ステップＳ１５）。すなわち、制御回路２０は、ステップＳ１１にて電圧制限値Ｖ_ＴＨを上昇させてステップＳ１２にてＰＷＭ制御を再開した後、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}以下に低下するか、又は電圧制限値Ｖ_ＴＨ以上に上昇するまで、電位差βだけ上昇させた電圧制限値Ｖ_ＴＨを維持する（ステップＳ１５でＮｏ）。

図５は、入力電圧Ｖ_ＩＮが段階的に急増する場合における入力電圧Ｖ_ＩＮ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ、及びＰＷＭパルスの変化の一例を示すタイミングチャートである。より具体的には、図５は、ＰＷＭ制御の再開後において電圧制限値Ｖ_ＴＨを初期化する前に、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが再び電圧制限値Ｖ_ＴＨ以上となる場合の各電圧変化を表している。

制御回路２０は、タイミングＴ５においてＰＷＭ制御を再開した後、例えば入力電圧Ｖ_ＩＮが再び急増することにより出力電圧Ｖ_ＯＵＴが電圧制限値Ｖ_ＴＨ以上に上昇した場合（ステップＳ１５でＹｅｓ）、出力電圧Ｖ_ＯＵＴがラッチオフ閾値Ｖ_ＯＶＰ以上となったか否かを判定する（ステップＳ１６）。そして、制御回路２０は、図５のタイミングＴ７のように、出力電圧Ｖ_ＯＵＴがラッチオフ閾値Ｖ_ＯＶＰを超えていなければ、ステップＳ２に戻り再びパルススキップを行うことによって出力電圧Ｖ_ＯＵＴの上昇を抑制する。

また、制御回路２０は、２回目のパルススキップの継続時間が解除時間Ｔ_{ＣＡＮＣＥＬ}に達する場合には、タイミングＴ８において再び電圧制限値Ｖ_ＴＨを電位差βだけ上昇させる。すなわち、制御回路２０は、タイミングＴ８において、電圧制限値Ｖ_ＴＨを初期値よりも電位差２βだけ高い電圧まで上昇させることになる。つまり、制御回路２０は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴがラッチオフ閾値Ｖ_ＯＶＰ以上とならない限りにおいて、電圧制限値Ｖ_ＴＨの上昇とパルススキップとを段階的に繰り返すことにより、入力電圧Ｖ_ＩＮの急増に対する出力電圧Ｖ_ＯＵＴの上昇を抑制し、ラッチオフ状態への移行を出来る限り回避している。

一方、タイミングＴ１０において、出力電圧Ｖ_ＯＵＴがラッチオフ閾値Ｖ_ＯＶＰに達した場合には（ステップＳ１６でＹｅｓ）、制御回路２０は、電圧制限値Ｖ_ＴＨを更に上昇させることができないため、ラッチオフ状態となりシャットダウンにより動作を停止する。これにより、スイッチング電源装置１は、ラッチオフ閾値Ｖ_ＯＶＰ以上の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを外部負荷３に出力させないようにすることで、外部負荷３を過剰に高い出力電圧Ｖ_ＯＵＴから保護する。

続いて、スイッチング電源装置１の出力電流検出部２５及び電流制限比較器２６による出力継続制御について説明する。図６は、本発明に係るスイッチング電源装置１の出力電流Ｉ_ＯＵＴに基づく出力継続制御を示すフローチャートである。また、図７は、出力電流Ｉ_ＯＵＴに基づく出力継続制御において、スイッチング電源装置１の入力電圧Ｖ_ＩＮ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ、出力電流Ｉ_ＯＵＴ、及びＰＷＭパルスの変化の一例を示すタイミングチャートである。

本実施形態に係るスイッチング電源装置１は、出力電流Ｉ_ＯＵＴが所定の過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上となる場合に、制御回路２０をシャットダウンさせてラッチオフ状態に移行する過電流保護機能（Over Current Protection）を備えている。そして、スイッチング電源装置１は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが電圧制限値Ｖ_ＴＨを超えない場合であっても、出力電流Ｉ_ＯＵＴが後述する条件を満たす場合には、図６のフローチャートに沿った出力継続制御により、出力電流Ｉ_ＯＵＴの上昇を抑制しながら、過電流保護機能による制御回路２０のシャットダウンを可能な限り抑制する。ここで、本実施形態においては、電流制限値Ｉ_ＴＨは、過電流閾値Ｉ_ＯＣＰよりも大きい電流値として事前に設定されている。

出力電流Ｉ_ＯＵＴに基づく出力継続制御が開始すると、電流制限比較器２６は、出力電流検出部２５を介して検出された出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上となったか否かを判定する（ステップＳ２１）。

制御回路２０は、出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上となるまでは、図７のタイミングＴ１２までの期間として示されるように、出力電圧Ｖ_ＯＵＴに基づく通常のＰＷＭ制御を継続する（ステップＳ２１でＮｏ）。

一方、図７のタイミングＴ１における入力電圧Ｖ_ＩＮの急上昇に伴って出力電流Ｉ_ＯＵＴが上昇し、タイミングＴ１２において出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上となった場合（ステップＳ２１でＹｅｓ）、制御回路２０は、本来であれば作動する過電流保護機能によるシャットダウンを保留すると共に（ステップＳ２２）、出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上である時間を測定するために内部タイマを開始する（ステップＳ２３）。

そして、制御回路２０は、内部タイマで計測される時間が所定の第１期間Ｔｄ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。ここで、出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上の状態が長期間継続すると、スイッチング電源装置１の構成部品及び外部負荷３の温度が過度に上昇して破損する虞が生じる。そのため、第１期間Ｔｄ１は、当該破損を防止することができる長さに事前に設定される。

一方、出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上となる状態が第１期間Ｔｄ１未満である場合（ステップＳ２４でＮｏ）、制御回路２０は、出力電流Ｉ_ＯＵＴが電流制限値Ｉ_ＴＨ以上となったか否かを判定する（ステップＳ２５）。ここで、出力電流Ｉ_ＯＵＴが電流制限値Ｉ_ＴＨ未満である状態においては、制御回路２０は、ステップＳ２４及びステップＳ２５を繰り返すことにより、内部タイマによる測定を継続する。

そして、制御回路２０は、例えばタイミングＴ１において入力電圧Ｖ_ＩＮが急上昇することに伴って出力電流Ｉ_ＯＵＴが上昇し、タイミングＴ１３において出力電流Ｉ_ＯＵＴが電流制限値Ｉ_ＴＨ以上となった場合には（ステップＳ２５でＹｅｓ）、その時点におけるＰＷＭ制御部２１のデューティ比である直前デューティ比Ｄ_Ｌを取り込んで記憶する（ステップＳ２）。

また、制御回路２０は、出力電流Ｉ_ＯＵＴの更なる上昇を防止するため、ＰＷＭ制御部２１からスイッチング素子ＳＷへのパルスの出力をスキップする（ステップＳ２７）。これにより、制御回路２０は、入力端子Ｔ_ＩＮから出力端子Ｔ_ＯＵＴへの電流が遮断され、図７のタイミングＴ１３に示されるように、出力電流Ｉ_ＯＵＴが停止することになる。

また、復帰デューティ比Ｄ_Ｒは、本実施形態においては、上記した出力電圧Ｖ_ＯＵＴに基づく出力継続制御と同様に、ステップＳ２６で取り込まれた直前デューティ比Ｄ_Ｌに１未満の係数αをかけて算出される（ステップＳ２８）。例えば、係数α＝０．９とすれば、制御回路２０は、復帰デューティ比Ｄ_Ｒ＝直前デューティ比Ｄ_Ｌ×０．９として設定することにより、パルススキップの直前の出力電流Ｉ_ＯＵＴに対応する直前デューティ比Ｄ_Ｌよりも小さいデューティ比でＰＷＭ制御を再開することができ、出力電流Ｉ_ＯＵＴの更なる上昇を容易に抑制することができる。

復帰デューティ比Ｄ_Ｒが設定された後、制御回路２０は、図７のタイミングＴ１４で示されるように、パルススキップの期間が所定の時間ΔＴとなった場合に、スイッチング素子ＳＷに対するＰＷＭ制御部２１のＰＷＭ制御を再開する（ステップＳ２９）。ここで、所定の時間ΔＴは、ＰＷＭ制御のパルスの１回分以上の時間として任意に設定することができる。

ＰＷＭ制御が再開すると、ＰＷＭ制御部２１は、入力電圧Ｖ_ＩＮの上昇を反映させたデューティ比に調整しながらＰＷＭ制御を行うことにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴをあらためて目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}に復帰させることができ、これに伴い出力電流Ｉ_ＯＵＴについても過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ未満の状態で安定することになる。

これに対し、図７のタイミングＴ１５からタイミングＴ１６までの期間で示されるように、出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上となる状態が第１期間Ｔｄ１以上となった場合（ステップＳ２４でＹｅｓ）、制御回路２０は、出力電流Ｉ_ＯＵＴが電流制限値Ｉ_ＴＨ未満であったとしても、ステップＳ２２における過電流保護機能の保留を解除してシャットダウンする（ステップＳ３０）。

これにより、スイッチング電源装置１は、電流制限値Ｉ_ＴＨ以上の出力電流Ｉ_ＯＵＴを外部負荷３に出力させないようにしつつ、出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上となる状態が第１期間Ｔｄ１以上継続しないようにして外部負荷３を保護する。

以上のように、本発明に係るスイッチング電源装置１は、入力変動や負荷変動が生じた場合であっても、パルススキップを行うことにより過電圧保護機能に伴うラッチオフの発生を抑制しつつ、出力電流Ｉ_ＯＵＴ及び出力電圧Ｖ_ＯＵＴの更なる上昇を回避することができる。また、スイッチング電源装置１は、ＰＷＭ制御の復帰時において、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ
が目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}から大きく低下することを抑制することができる。従って、本発明に係るスイッチング電源装置１によれば、急峻な入出力変動に対しても保護機能に伴う出力停止を抑制して電力を安定供給することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、直前デューティ比Ｄ_Ｌに係数αをかけて復帰デューティ比Ｄ_Ｒを算出する態様を例示したが、入力電圧検出部２８で検出された入力電圧Ｖ_ＩＮに基づいて復帰デューティ比Ｄ_Ｒを算出する場合には、ＰＷＭ制御の再開時における変動後の入力電圧を復帰デューティ比Ｄ_Ｒに直接反映させることができるため、目標電圧Ｖ_{ＴＡＲＧＥＴ}に対して適切なデューティ比でＰＷＭ制御を再開することができる。

また、上記の実施形態では、出力電流Ｉ_ＯＵＴに基づく出力継続制御として、出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上となる状態が第１期間Ｔｄ１以上継続する場合に過電流保護機能の保留を解除する態様を例示したが、出力電流Ｉ_ＯＵＴが過電流閾値Ｉ_ＯＣＰ以上となる状態が所定の第２期間Ｔｄ２に所定回数発生した場合に過電流保護機能の保留を解除してもよい。

１スイッチング電源装置
２外部電源
３外部負荷
１０スイッチング回路
２０制御回路
２１ＰＷＭ制御部
２２ＰＷＭスキップ設定部
２３出力電圧検出部
２４電圧制限比較器
２５出力電流検出部
２６電流制限比較器
ＳＷスイッチング素子

Claims

入力された電圧をスイッチング素子により目標電圧に変換して出力するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路の出力電圧に基づいて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部を含み、前記出力電圧が所定のラッチオフ閾値以上である場合にシャットダウンする制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記スイッチング回路の出力電流及び前記出力電圧の少なくとも一方からなる帰還信号と所定の制限値とをアナログコンパレータで比較する制限比較器と、前記帰還信号が前記制限値以上となる場合に前記ＰＷＭ制御部から前記スイッチング素子へ出力されるパルスをスキップさせるＰＷＭスキップ設定部と、を含み、
前記ＰＷＭ制御部は、出力される前記パルスをスキップした後、前記出力電圧が前記目標電圧未満に低下する前に、前記パルスをスキップする直前の直前デューティ比よりも小さい復帰デューティ比で前記パルスの出力を再開する、スイッチング電源装置。
前記制御回路は、前記パルスをスキップしてから所定の解除時間が経過したことを条件として、前記パルスの出力を再開する、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
前記制御回路は、前記帰還信号が前記出力電圧を含む場合に、前記目標電圧以上で且つ前記制限値未満に設定された所定の解除電圧まで前記出力電圧が低下したことを条件として、前記パルスの出力を再開する、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
前記制御回路は、前記パルスの出力を再開する前に、前記ラッチオフ閾値を超えない範囲で前記制限値を上昇させ、前記出力電圧が前記目標電圧まで低下したことを条件として、前記制限値を初期化する、請求項２又は３に記載のスイッチング電源装置。
前記制御回路は、前記制限値を初期化する前に前記出力電圧が前記制限値以上となる度に、前記パルスのスキップと前記制限値の上昇とを段階的に繰り返す、請求項４に記載のスイッチング電源装置。
前記復帰デューティ比は、前記直前デューティ比に１未満の係数をかけて算出される、請求項１乃至５のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
前記制御回路は、前記スイッチング回路の入力電圧を検出する入力電圧検出部を備え、
前記復帰デューティ比は、前記パルスの出力を再開する直前の前記入力電圧に基づいて算出される、請求項１乃至５のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
前記制御回路は、前記帰還信号が前記出力電流を含む場合に、前記出力電流が前記制限値よりも低く設定された所定の過電流閾値以上となる場合にシャットダウンする過電流保護機能を有し、前記出力電流が前記過電流閾値以上である状態が所定の第１期間継続するまでシャットダウンを保留する、請求項１乃至７のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
前記制御回路は、前記帰還信号が前記出力電流を含む場合に、前記出力電流が前記制限値よりも低く設定された所定の過電流閾値以上となる場合にシャットダウンする過電流保護機能を有し、前記出力電流が前記過電流閾値以上である状態が所定の第２期間に所定回数発生するまでシャットダウンを保留する、請求項１乃至７のいずれかに記載のスイッチング電源装置。