WO2005109589A1

WO2005109589A1 - 過電流検出回路及びこれを有する電源装置

Info

Publication number: WO2005109589A1
Application number: PCT/JP2005/008164
Authority: WO
Inventors: Hirokazu Oki; Yuzo Ide
Original assignee: Rohm Co., Ltd
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2005-11-17
Also published as: TW200538902A; KR100871947B1; US20070223164A1; CN100502189C; US7468877B2; KR20070007178A; CN1950981A; JP2005323413A; TWI366084B

Abstract

　負荷（２５）に電流を出力するトランジスタ（２）の過電流状態を検出する過電流検出回路（３５）において、起動時と定常時とを区別する起動監視部（３１）と、トランジスタ（２）の過電流状態を監視する過電流監視部（３３）と、負荷（２５）への出力電圧の正常／異常を検出する出力電圧監視部（３４）と、を備えている。過電流監視部（３１）は、起動監視部（３１）及び過電流監視部（３３）からの情報を参照しつつ、過電流検出値を変更する。

Description

明細書

過電流検出回路及びこれを有する電源装置

技術分野

[0001] 本発明は、電源装置等に用いられる過電流検出回路に関する。特に負荷に電流を出力するスイッチング素子を備えた電源装置等に用いられる過電流検出回路に関する。また、本発明は、その過電流検出回路を有する電源装置に関する。

背景技術

[0002] 図 4は、従来の過電流検出回路を備えた電源装置 100の電気的構成を示した図である。入力電圧 Vaが Pチャンネル（P形半導体）の MOSトランジスタ（絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ） 101のソース電極に供給され、そのドレイン電極は、ダイォード 105の力ソード及び過電流検出回路 104の入力側に接続されるとともに、インダクタ 106を介してコンデンサ 107の一端と負荷 102の一端に接続されている。ダイォード 105のアノード、コンデンサ 107の他端及び負荷 102の他端はそれぞれ接地されている。

[0003] 過電流検出回路 104は、 MOSトランジスタ 101のドレイン電極の電圧と自身の内部に設けられた基準電圧とを比較することにより、 MOSトランジスタ 101のドレイン電流が過電流となっていないか (前記基準電圧により定まる過電流検出値以上となっていないか)を監視し、その結果を制御部 103に与える。制御部 103は、負荷 102に印加される出力電圧 VLを監視して、該出力電圧 VLが一定になるように、 MOSトランジスタ 101のゲート電極の電圧を制御する。また、制御部 103は、過電流検出回路 104 の出力を受けることにより、 MOSトランジスタ 101の過電流状態を認知する。また、入力電圧 Vaは、制御回路 103及び過電流検出回路 104にも、それぞれの電源電圧として与えられている。

[0004] この電源装置 100における過電流保護の方式としては、主に 3つの方式 (後述する第 1の方式乃至第 3の方式)が存在する。第 1の方式は、一度過電流を検知すると、その後 MOSトランジスタ 101の遮断状態が維持されるようにする方式である。この遮断状態を解除するためには、一旦入力電圧 Vaの供給を止めてから、再度入力電圧 Vaを投入する必要がある。

[0005] しかし、上記第 1の方式を採用すると、電源装置 100の起動時に流れる比較的大きな電流 (突入電流）によって、その過電流保護が機能してしまった場合、出力電圧 V Lが OVになってしまい、電源装置 100が起動しない（起動不良が起こる）。この起動不良は、負荷 102の入力容量が大き、場合は顕著である。

[0006] また、仮にそのような起動不良を解消するために、過電流検出回路 104における過電流検出値を突入電流の最大値より大きく設定すると、負荷 102が変動等に起因して過電流検出値に近、電流（究極的には過電流検出値と等、電流）が MOSトランジスタ 101に流れ続けても、 MOSトランジスタ 101が遮断されない。このことは、 MO Sトランジスタ 101だけでなぐダイオード 105、インダクタ 106及び負荷 102等の破損 (熱破損)を招き、電源装置 100の信頼性を低下させる。また、それら部品の破損を防止するためには、パワー MOSトランジスタ 101、ダイオード 105、インダクタ 106 ( 場合によっては、負荷 102)等に電流定格を大きなものを採用せざるを得ず、実装面積の増大やコストアップを招く。

[0007] 第 2の方式は、定電流垂下方式と呼ばれるもので、出力電圧 VLの如何によらず M OSトランジスタ 101のドレイン電流が一定値 (つまり、過電流検出値)以上とならないように制御する方式である。この第 2の方式において、例えば負荷 102が短絡した場合は、 MOSトランジスタ 101の遮断状態が維持されることなぐ MOSトランジスタ 101 のドレイン電流は過電流検出値 (または、過電流検出値以下）に維持される。この第 2 の方式を採用すると、第 1の方式で見られるような起動不良は起こらない。

[0008] また、第 3の方式は、下記特許文献 1に示すように、所定時間により動作モードを切り換えるもので、リモート ON/OFF端子からの電源起動信号をスイッチングコントロール部が入力して、メインスイッチング部が動作を開始し、メインスイッチング部の電流を検出し、過電流が発生すると過電流保護回路が作動してスイッチングコントロール部を制御する電源装置において、当該電源起動信号を入力し、タイマー設定時間 tl 以内では「過負荷時の過電流保護設定値」を送出し、タイマー設定時間 tl経過後では定格出力の「定常の過電流保護設定値」に切り換える信号を過電流保護回路に出力するタイマー回路を設けたことを特徴とする過電流保護機能を有する電源装置が開示されている (例えば、特許文献 1を参照)。

[0009] 特許文献 1 :特開平 8— 65879号公報（日本国）

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 一般的に、上記第 2の方式における過電流検出値は、電源起動時の突入電流の最大値よりもやや大きくする力、あるいは同程度としており、これによつて上記第 1の方式で見られるような起動不良を起こすことなぐ速や力な電源起動を実現している。しかしながら、この過電流検出値は定常状態（出力電圧 VLが一定の目標電圧に安定化された状態）にとつては必要以上に大きすぎるものであり、定常状態において負荷 102が短絡等した場合は、その必要以上に大きい過電流検出値に相当するドレイン電流が MOSトランジスタ 101に流れ続けるため、結局、上述したような電源装置の信頼性の低下や、実装面積の増大、コストアップを招く。

[0011] また、特許文献 1に記載の従来構成例においては、タイマー設定時間 tl経過後では、定格出力の「定常の過電流保護設定値」に切り換える信号が過電流保護回路に与えられる。つまり、タイマー設定時間 tl経過後は、「定常の過電流保護設定値」に固定される。

[0012] ところが、負荷が必要とする電流は一定ではなぐ起動時以外でも短時間（例えば、数 msec)に大きな電流（充電電流）を必要とする容量性負荷やサージ状の大電流を引き込むモータ等が負荷として接続されることも一般的である。特許文献 1に記載の従来構成例において、起動時以外にこのような大きな電流が流れると過電流保護が機能してしまい、出力電圧が一時的 (例えば、数 msec)に定格（目標電圧）に達しなくなつたり、保護機能の特性によっては出力電圧が OVになったりしてしまう。

[0013] 一時的（例えば、数 msec)であっても出力電圧が定格に達しなくなるということは、特にマイコン等を含む負荷の安定動作にとっては致命的である。また、「起動時以外に大きな電流が流れることにより過電流保護が機能してしまい、一時的であっても出力電圧が定格に達しなくなる」という問題は、特許文献 1に記載の従来構成例においてのみ生じるものではなぐ図 4における従来例で上記第 2の方式を採用し、その過電流検出値を無理に小さく設定した場合にも生じるものである。 [0014] 本発明は、上記の点に鑑み、電源装置等の状態に応じて最適な過電流保護を実現できる過電流検出回路を提供することを目的とする。また、本発明は、その過電流検出回路を有する電源装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0015] 上記目的を達成するために本発明に係る過電流検出回路は、負荷に電流を出力するスイッチング素子の過電流状態を検出する過電流検出回路であって、当該過電流検出回路に対して電源投入して力の時間が、所定時間を超えるときに定常状態信号を出力する一方、前記所定時間未満のときに起動状態信号を出力する起動監視部と、第 1過電流検出値と該第 1過電流検出値より大きい第 2過電流検出値との 2 段階の過電流検出値を設定可能であって、前記スイッチング素子の過電流状態を監視する過電流監視部と、前記負荷への出力電圧に応じたを所定電圧と比較することにより、前記出力電圧の正常 Z異常を検出し、その検出結果を前記過電流監視部に与える出力電圧監視部とを備え、前記過電流監視部は、前記出力電圧が異常であり、且つ前記定常状態信号が出力されているとき、前記過電流検出値として前記第 1 過電流検出値を設定する一方、前記出力電圧が正常であるか、又は前記起動状態信号が出力されているとき、前記過電流検出値として前記第 2過電流検出値を設定する。

[0016] このように構成することにより、負荷等の短絡に起因して出力電圧が異常となり、且つ定常状態信号が出力されているとき (即ち、起動時ではないとき）には、過電流検出値として比較的小さな値を有する第 1過電流検出値が設定される。従って、スイツチング素子及び負荷に安定ィ匕電圧を供給するために用いられる部品 (ダイオードやインダクタであり、図 1においてはダイオード 22やインダクタ 23等）等の発熱は比較的小さなものに抑えられ、当該過電流検出回路を備えた電源装置の信頼性を向上せしめることができる。

[0017] また、スイッチング素子や、負荷に安定ィ匕電圧を供給するために用いられる部品として、電流定格も小さなものを採用できるようになるため、実装面積の軽減やコストダゥンを実現することができる。

[0018] また、起動時においては、起動監視部が起動状態信号を出力するため、過電流検出値として比較的大きな値を有する第 2過電流検出値が設定される。従って、この第 2過電流検出値を適当に設定すれば (例えば、電源起動時の突入電流の最大値よりもやや大きくするか、あるいは同程度とすれば）、上記従来の第 1の方式で見られるような起動不良を起こさせることがなぐ速やかに出力電圧を目標とする電圧に到達させることができる。

[0019] また、出力電圧が正常であるとき (即ち、出力電圧が一定電圧以上に立ち上がっており、負荷に短絡等の異常が発生していないとき）は、過電流検出値として比較的大きな値を有する第 2過電流検出値が設定される。従って、起動時以外でも短時間 (例えば、数 msec)に大きな充電電流を必要とする容量性負荷やサージ状の大電流を引き込むモータ等が負荷となっていても、過電流保護動作は機能せず、出力電圧が一時的（例えば、数 msec)に定格に達しなくなるという事態を引き起こすこともない。

[0020] この際、過電流検出回路を備えた電源装置の信頼性を維持するためには、例えば長時間（例えば、 1分）にわたつて負荷を短絡してもスイッチング素子等が破損しないことが必要となる。そして、例えばその必要性を満たすように上記第 1過電流検出値は設定されることとなる。即ち、第 1過電流検出値に相当する電流を長時間（例えば、 1分）にわたつてスイッチング素子に流しても、スイッチング素子等は破損 (熱破損）することはないのである。

[0021] 従って、出力電圧が正常である（即ち、出力電圧が一定電圧以上に立ち上がっており、負荷に短絡等の異常が発生していない）ときに、容量性負荷等に第 1過電流検出値を超える第 2過電流検出値電流を流しても、それが短時間（例えば、数 msec以下)であれば、スイッチング素子等は破損 (熱破損)することはないため、電源装置の高い信頼性は維持される。

[0022] また、例えば上記構成において、前記出力電圧監視部は、前記出力電圧に応じた電圧の大きさと所定の検出電圧の大きさとを比較し、前記出力電圧に応じた電圧の大きさが前記検出電圧の大きさより大きいときには、前記出力電圧は正常であると検出する一方、前記出力電圧に応じた電圧の大きさが前記検出電圧の大きさより小さいときには、前記出力電圧は異常であると検出して、その検出結果を前記過電流監視部に与えるようにしてもょ、。 [0023] また、例えば上記構成において、前記起動監視部は、当該過電流検出回路に対して電源投入して力ゝらの時間に対応する電圧を出力しつつ前記電源投入時における前記出力電圧の立ち上がりがソフトスタートするように前記スイッチング素子を制御するソフトスタート回路を備えるとともに、該ソフトスタート回路の出力する電圧に基づいて、前記定常状態信号または前記起動状態信号を出力するようにしてもょ、。

[0024] 一般的な電源装置は、ソフトスタート回路を備えている。従って、上記構成とすることにより、上記起動監視部を構成するにあたって別途タイマー回路等を設ける必要がなぐ上記特許文献 1に記載の構成に比べて、回路の簡素化、実装面積の低減及びコストダウンを実現することができる。

[0025] また、例えば上記構成において、前記起動監視部は、前記電源投入後において容量性素子に所定の電流を流すことによって生じた電圧に基づいて、前記定常状態信号または前記起動状態信号を出力するようにしてもょ、。

[0026] 上記「電源投入後にお!/、て容量性素子に所定の電流を流すことによって生じた電圧」は、一般的な電源装置に備えられているソフトスタート回路等が出力可能である。従って、上記起動監視部を構成するにあたって別途タイマー回路等を設ける必要がないため、上記特許文献 1に記載の構成に比べて、回路の簡素化、実装面積の低減及びコストダウンを実現することができる。

[0027] また、例えば上記構成において、前記第 1過電流検出値及び前記第 2過電流検出値は、前記スイッチング素子への入力電圧を基準として定められている。

[0028] また、例えば上記構成にぉ、て、前記過電流監視部が出力する、前記スイッチング素子の過電流状態に関わる信号に応じて、前記スイッチング素子を制御する制御部を更に備えるようにしてもよい。

[0029] また、本発明に係る電源装置は、上記構成の過電流検出回路と、前記スイッチング素子と、前記スイッチング素子の出力側の電圧を平滑化して前記負荷へ出力する平滑回路とを備えている。

[0030] 上記電源装置は、上記構成の過電流検出回路を備えているため、上述したように電源装置の信頼性が高くなる。また、スイッチング素子や平滑回路を構成する部品として、電流定格も小さなものを採用できるようになるため、実装面積の軽減やコストダゥンを実現することができる。発明の効果

[0031] 上述した通り、本発明に係る過電流検出回路によれば、電源装置等の状態に応じて最適な過電流保護を実現できる。これにより、電源装置等の信頼性を向上させることができるとともに、電源装置等の実装面積の低減及びコストダウンを実現することができる。

図面の簡単な説明

[0032] [図 1]本発明の第 1実施形態に係る過電流検出回路及びこれを有する電源装置の回路図である。

[図 2]図 1における電源装置の各電圧波形、電流波形を示す図である。

[図 3]本発明の第 2実施形態に係る過電流検出回路及びこれを有する電源装置の回路図である。

[図 4]従来の過電流検出回路を備えた電源回路の回路図である。

符号の説明

[0033] 1、 51、 100 電源装置

2、 52、 101 MOSトランジスタ

3 ゲートドライバ

4 PWMコンパレータ

5 エラーアンプ

6 三角波発生回路

7、 8、 9 コンノレータ

10 アンド回路

11、 12、 15、 16、 17 電圧源

13 スィッチ回路

14 インバータ

18、 20、 21、 53 抵抗

19、 24、 107 コンデンサ

22、 105 ダイオード 23、 106 インダクタ

25、 102 負荷

28、 58 集積回路素子

30、 103 制御部

31、 37 起動監視部

32、 36 ソフ卜スター卜回路

33 過電流監視部

34 出力電圧監視部

35、 38、 104 過電流検出回路

60 定電流源

Vinゝ Va 入力電圧

Vo、 VL 出力電圧

SS、 INV、 SW 端子

発明を実施するための最良の形態

[0034] < <第 1実施形態 > >

以下、本発明に係る過電流検出回路及びこれを有する電源装置の第 1実施形態について説明する。図 1は、第 1実施形態に係る電源装置 1の回路構成図である。

[0035] (図 1 :構成の説明）

外部から供給される入力電圧 Vinは、スイッチング素子としての Pチャンネル MOSトランジスタ 2のソース電極に供給され、そのドレイン電極はコンパレータ 7の反転入力端子（一）、ダイオード 22の力ソード及びインダクタ 23の一端に接続されている。インダクタ 23の他端は、負荷 25に印加される出力電圧 Voを平滑ィ匕するためのコンデンサ 24と負荷 25との並列回路を介して接地されている。また、ダイオード 22のアノードは接地されている。このように、 MOSトランジスタ 2のドレイン電極から負荷 25に電流が出力（電力が供給)されるよう構成されており、ダイオード 22、インダクタ 23及びコンデンサ 24は、 MOSトランジスタ 2の出力側の電圧（ドレイン電極の電圧）を平滑ィ匕して負荷 25へ出力する平滑回路を構成している。

[0036] また、出力電圧 Voは抵抗 20と抵抗 21との直列回路を介して接地されており、抵抗 20と抵抗 21の接続点は、エラーアンプ 5の反転入力端子（一）及び出力電圧 Voの正常 Z異常を監視するためのコンパレータ 9の非反転入力端子（+ )に、それぞれ接続されている。電圧源 15、 16及び 17は、それぞれ誤差基準電圧 Ver、 SS (ソフトスタート)検出電圧 Vss及び検出電圧 Vabを発生している。電圧源 15、 16及び 17がそれぞれ発生した電圧は、 GND (接地）を基準として、エラーアンプ 5の第 2の非反転入力端子（+ )、コンパレータ 8の反転入力端子（-)及びコンパレータ 9の反転入力端子（一）にそれぞれ与えられている。また、 Ver>Vssの関係が成り立つ。

[0037] また、エラーアンプ 5の第 2の非反転入力端子（+ )は、抵抗 18を介して自身の第 1 の非反転入力端子（ + )、コンパレータ 8の非反転入力端子（ + )及びコンデンサ 19 の一端に接続されている。また、コンデンサ 19の他端は接地されている。

[0038] PWMコンパレータ 4の反転入力端子（一）及び非反転入力端子（+ )には、それぞれエラーアンプ 5の出力電圧及び三角波発生回路 6が出力する三角波状の電圧が与えられており、 PWMコンパレータ 4はパルス幅変調された MOSトランジスタ 2に対する制御信号をゲートドライバ 3に出力する。

[0039] コンパレータ 8の出力（ α )はアンド回路 10の一方の入力端子に与えられ、コンパレータ 9の出力はインバータ 14により反転された後、アンド回路 10の他方の入力端子に与えられている。アンド回路の出力（ j8 )は、スィッチ回路を制御する制御電圧として、スィッチ回路 13に与えられている。

[0040] 本発明における第 1過電流検出値に対応する電圧 VI、第 2過電流検出値に対応する電圧 V2をそれぞれ出力する電源源 11、 12の各一端には入力電圧 Vinが与えられており、各他端はそれぞれスィッチ回路 13の第 1固定端子、第 2固定端子に接続されている。ここで、 VI <V2の関係が成り立つている（即ち、第 1過電流検出値より第 2過電流検出値の方が大きい)。また、スィッチ回路 13の共通端子はコンパレータ 7の非反転入力端子（+ )に接続されており、コンパレータ 7の出力は MOSトランジスタ 2の過電流状態を示す電圧としてゲートドライバ 3に与えられている。ここにおいて、「過電流状態」とは、 MOSトランジスタ 2のドレイン電流が定められた過電流検出値 (第 1過電流検出値または第 2過電流検出値)以上となって、コンパレータ 7の出力が高電位 (ハイ）となる状態を、う。 [0041] ゲートドライバ 3の出力側は、 MOSトランジスタ 2のゲート電極に接続されている。ゲートドライバ 3は、コンパレータ 7の出力する電圧（MOSトランジスタ 2の過電流状態を示す）を参照しつつ、 PWMコンパレータ 4が出力する制御信号に従って MOSトランジスタ 2をオン Zオフ制御する。

[0042] また、 MOSトランジスタ 2と、ゲートドライバ 3と、 PWMコンパレータ 4と、エラーアンプ 5と、三角波発生回路 6と、コンパレータ 7、 8、 9とアンド回路 10と、電圧源 11、 12 と、スィッチ回路 13と、インバータ 14と、電圧源 15、 16、 17と、抵抗 18とは、同一のノ^ケージ内に設けられて一つの集積回路素子 28を構成しており、その集積回路素子 28に含まれるゲートドライバ 3等は、全て入力電圧 Vinを電源として駆動して、る。その際、集積回路素子 28の端子 SS、 INV、 SWは、それぞれコンパレータ 8の非反転入力端子（+ )、エラーアンプ 5の反転入力端子（一）、 MOSトランジスタのドレイン電極に接続されている。

[0043] 但し、集積回路素子 28の内部に設けられる部品と外部に設けられる部品を区別したのは、あくまで例示であって、例えば、 MOSトランジスタ 2を集積回路素子 28の外部に設け、入力電圧 Vin以外の電圧を電源電圧として集積回路素子 28に供給するようにしてもよいし、コンパレータ 9を集積回路素子 28に設けずに集積回路素子 28の外部に接続するようにしてもょ、し、コンデンサ 19を集積回路素子 28の内部に設けるようにしてもよい。尚、図 1においては、スィッチ回路 13の共通端子が第 1固定端子 (電圧源 11側）に接続されている状態を、例示している。

[0044] (図 1 :動作の説明）

エラーアンプ 5は、第 1の非反転入力端子（+ )及び第 2の非反転入力端子（+ )に加わる電圧の双方より、反転入力端子（一）に加わる電圧が低いという条件 (以下、「条件 1」という）が成立するときに、条件 1が成立しない場合と比べて高い電圧を出力するように構成されており、条件 1が成立するときに、条件 1が成立しない場合と比べて MOSトランジスタ 2がオンする時間的割合が大きくなるように、ドライバー 3等は構成されている。

[0045] 出力電圧 Voが抵抗 20と抵抗 21とにより分圧された電圧が、誤差基準電圧 Ver及び端子 SSに加わる電圧と比較され、定常状態（出力電圧 Voが目標電圧 Vtarに安定化された状態）においては、それら 3つの電圧が等しくなるように MOSトランジスタ 2は制御される。即ち、誤差基準電圧 Verと抵抗 21及び抵抗 22の分圧比とにより、出力電圧 Voが安定すべき目標電圧 Vtarは決定されており、主にエラーアンプ 5、 PW Mコンパレータ 4、三角波発生回路 6及びゲートドライバ 3から構成される制御部 30の働きによって、出力電圧 Voは目標電圧 Vtarに安定ィ匕される。つまり、制御部 30は、出力電圧 Voが目標電圧 Vtarで保たれるように（安定化されうように）、 MOSトランジスタ 2をオン Zオフ制御する。

[0046] 過電流監視部 33は、主として電圧源 11、電圧源 12、スィッチ回路 13及びコンパレータ 7から構成されており、 MOSトランジスタ 2の過電流状態を監視する。また、上述したように、過電流監視部 33は、第 1過電流検出値と該第 1過電流検出値より大きい第 2過電流検出値との 2段階の過電流検出値が設定可能となっている。

[0047] 出力電圧監視部 34は、主としてコンパレータ 9及び電圧源 17から構成されている。

抵抗 20及び抵抗 21の抵抗値をそれぞれ Rl、 R2とすると、出力電圧監視部 34は、出力電圧 Voの抵抗 20及び抵抗 21とによる分圧 (Vo -R2/ (Rl +R2)；出力電圧 V oに応じた電圧）を検出電圧 Vabと比較し、 Vo -R2/ (Rl +R2) >Vabが成立するときには、出力電圧 Voは正常であると検出する一方、 Vo 'R2Z (Rl +R2)く Vabが成立するときには、出力電圧 Voは異常であると検出する。換言すれば、出力電圧 Vo を電圧 (Vab ' (R1 +R2) ZR2)と比較することにより、出力電圧 Voの正常 Z異常を検出する。そして、その検出結果をインバータ 14及びアンド回路 10を介して過電流監視部 33に与えている。

[0048] また、電源装置 1においては、出力電圧 Voが正である例を示している力勿論出力電圧 Voが負であるようにも電源装置 1は変形可能である。その場合を含めて考えると、出力電圧監視部 34は、出力電圧 Voの抵抗 20及び抵抗 21とによる分圧 (Vo 'R2 / (Rl +R2)；出力電圧 Voに応じた電圧）の絶対値 (大きさ）を検出電圧 Vabの絶対値 (大きさ）と比較し、 I Vo -R2/ (Rl +R2) I > I Vab Iが成立するときには、出力電圧 Voは正常であると検出する一方、 I Vo 'R2Z (Rl +R2) | < | Vab |が成立するときには、出力電圧 Voは異常であると検出する。

[0049] 尚、インバータ 14は出力電圧監視部 34の一部であると捉えることもできるし、上記過電流監視部 33の一部であると捉えることもできる。また、アンド回路 10は過電流監視部 33の一部であると捉えることもできる。

[0050] ソフトスタート回路 32は、主として電圧源 15、抵抗 18及びコンデンサ 19から構成されており、電源投入時 (入力電圧 Vinの投入時）における出力電圧 Voの立ち上がり力 Sソフトスタートするように（出力電圧 Voが徐々に立ち上るように） MOSトランジスタ 2 を制御するための回路である。このソフトスタート回路 32がなければ (即ち、抵抗 18 力 SOオームであれば）、電源投入時において負荷 25等へ大きな突入電流が流れて、出力電圧 Voが急激に立ち上がる。し力しながら、このソフトスタート回路 32とエラーァンプ 5の機能とにより、電源投入時における負荷 25等への突入電流が比較的 (ソフトスタート回路 32がない場合と比べて)小さくなり、出力電圧 Voはソフトスタート回路 32 力、場合よりも、緩やかにたち上がる (徐々に立ち上がる)。つまり「電源投入時における出力電圧 Voの立ち上がりがソフトスタートする」とは、電源投入時において、ソフトスタート回路 32がない場合と比べて出力電圧 Voが緩やかに立ち上がることを意味し、これにより、インダクタ 23やコンデンサ 24や負荷 25の入力電流の定格値を小さくすることができる。また、このソフトスタート回路 32の存在により、エラーアンプ 5の応答遅れ等に起因する出力電圧 Voのオーバーシュートが軽減される。

[0051] 起動監視部 31は、主として上記ソフトスタート回路 32、コンパレータ 8及び電源源 1 6から構成される。

[0052] 過電流検出回路 35は、主として起動監視部 31、過電流監視部 33及び出力電圧監視部 34から構成されており、 MOSトランジスタ 2の過電流状態を検出する。また、制御部 30も過電流検出回路 35に含まれると考えてもよい。過電流検出回路 35に対する電源は、入力電圧 Vinに一致する。

[0053] また、ソフトスタート回路 32において、端子 SSとの接続点の電位は過電流検出回路 35への電源投入後、上昇し始める。その端子 SSに加わる電圧は、電源投入してからの時間に対応しており、その電圧の上昇率は誤差基準電圧 Ver、抵抗 18の抵抗値及びコンデンサ 19の静電容量で定まる。換言すれば、端子 SSに加わる電圧は、電源投入後において容量性素子であるコンデンサ 19に、誤差基準電圧 Ver、抵抗 1 8の抵抗値及びコンデンサ 19の静電容量で定まる電流を流すことによって生じた電圧である。

[0054] そして、端子 SSにカ卩わる電圧を SS検出電圧 Vssと比較した結果をコンパレータ 8 が出力する。つまり、起動監視部 31は、過電流検出回路 35に対して電源投入してからの時間力検出電圧 Vssで定まる時間を超えるときに高電位 (ハイ)の電圧 (本発明における「定常状態信号」に相当する）をコンパレータ 8から出力する一方、検出電圧 Vssで定まる時間以下 (ある、は未満）のときに低電位 (ロー）の電圧 (本発明における「起動状態信号」に相当する）をコンパレータ 8から出力する。

[0055] また、端子 SSに加わる電圧はソフトスタート回路 32が出力する電圧であるとの捉えることもできる。従って、起動監視部 31は、そのソフトスタート回路 32が出力する電圧 (端子 SSに加わる電圧）に基づ、て過電流検出回路 35に対して電源投入してからの時間を検出し、その検出された時間に応じて前記「定常状態信号」または「起動状態信号」を出力するものとも言える。また、エラーアンプ 5は、ソフトスタート回路 32が出力する電圧に基づいて、電源投入時の出力電圧 Voを制御する。

[0056] コンパレータ 7の反転入力端子には、入力電圧 Vinから MOSトランジスタ 2のオン抵抗の抵抗値 Ronとドレイン電流 Idとの積を引、た電圧 (Vin -Ron · Id)が加わる。また、コンパレータ 7の非反転入力端子（+ )には、アンド回路 10の出力がハイのときに (Vin—V2)が印加され、アンド回路 10の出力がローのときに (Vin— VI)が印加されるように、スィッチ回路 13は構成されている。

[0057] アンド回路 10の出力がハイのとき、即ち、出力電圧 Voが異常であり（ I Vo'R2Z( R1 +R2) I < I Vab Iが成立し）、且つコンパレータ 8 (起動監視部 31)より「定常状態信号」（ハイの出力信号)が出力されているとき、過電流監視部 33は、その過電流検出値として第 1過電流検出値 (I )を設定する。つまり、過電流監視部 33は、

Liml

電圧 (Ron 'Id)と電圧 VIとを比較し、その比較結果をゲートドライバ 3に与える。ここにおける第 1過電流検出値とは、 I =VlZRonである。

Liml

[0058] そして、コンパレータ 7は、 Ron'Idく VIが成立するときはロー信号をゲートドライバ 3に与える。このときは、 MOSトランジスタ 2は過電流状態でないとして、通常の制御（出力電圧 Voを目標電圧 Vtarに保つ制御)を行う。

[0059] 逆に、 Ron'Id>Vl (あるいは Ron'Id≥Vl)が成立するとき（過電流状態であるとき）、コンパレータ 7はハイ信号をゲートドライバ 3に与える。このとき、ゲートドライバ 3 は、過電流検出回路 35により過電流状態であることが検出されたとして、 MOSトランジスタ 2を遮断する。これにより、ー且 Ron'Id>Vl (あるいは Ron'Id≥Vl)は成立しなくなるが、制御部 30の機能により、再度 MOSトランジスタ 2はオンされる。そして、再び Ron · Id > VI (ある!/、は Ron · Id≥ VI)が成立すれば、再度 MOSトランジスタ 2 は遮断される。

[0060] このように、ゲートドライバ 3を含む制御部 30は、 MOSトランジスタ 2のドレイン電流 I dが過電流検出値で定まる電流値 (VlZRon)以下になるように MOSトランジスタ 2 を制御している。この制御方式は、出力電圧 Voの如何によらずドレイン電流を一定値以下にするものであるため、定電流垂下方式である。

[0061] 一方、アンド回路 10の出力がローのとき、即ち、出力電圧 Voが正常であるか（ I V o -R2/ (Rl +R2) I > I Vab Iが成立するか）、又はコンパレータ 8 (起動監視部 3 1)より「起動状態信号」（ローの出力信号)が出力されているとき、過電流監視部 33 は、その過電流検出値として第 2過電流検出値 (I )を設定する。つまり、過電流監

Lim2

視部 33は、電圧 (Ron'Id)と電圧 V2とを比較し、その比較結果をゲートドライバ 3に与える。ここにおける第 2過電流検出値とは、 I

Lim2 =V2ZRonである。

[0062] そして、コンパレータ 7は、 Ron'Id<V2が成立するときに、ロー信号をゲートドライバ 3に与え、逆に、 Ron'Id>V2 (あるいは Ron'Id≥V2)が成立するとき（過電流状態であるとき）に、ハイ信号をゲートドライバ 3に与える。コンパレータ 7の出力に応じたゲートドライバ 3を含む制御部 30の動作は、アンド回路 10の出力がハイのときと同じである。

[0063] 尚、 MOSトランジスタ 2のオン抵抗の抵抗値 Ronに対して、例えば 100倍のオン抵抗の抵抗値を有する検出用 MOSトランジスタ（不図示）に、 I · 1Z100のドレイン

Liml

電流を流すと、検出用 MOSトランジスタのドレインソース電極間には電圧 Ron'I ( = 100Ron-I · 1Ζ100)が生じる。この電圧 Ron'I を、自身の出力電圧 VI し iml Liml Limi

とするようにして、電圧源 11は構成されるようにすればよ!、。

[0064] 例えば、 MOSトランジスタ 2を、 100個の単位セルトランジスタのドレイン、ソース及びゲートをそれぞれ並列接続することにより単一の MOSトランジスタとして形成し、検出用 MOSトランジスタ（不図示）を、単一の単位セルトランジスタより形成するようにすれば、検出用 MOSトランジスタのオン抵抗の抵抗値は約 100'Ronとなる。但し、 M OSトランジスタ 2を構成する単位セルトランジスタ及び前記検出用 MOSトランジスタ（不図示)を構成する単位セルトランジスタは、全て同一の半導体基板上に同一の製造プロセスを用いて形成されている。また、電圧源 12も電圧源 11と同様に構成される。

[0065] (図 2 :波形を用いた説明）

次に、電源装置 1における各電圧波形、電流波形を示した図 2を用いて、過電流検出回路 35及び電源装置 1の動作を説明する。

[0066] 図 2【こお!ヽて、実線 40、 41、 42、 43、 44、 45、 46ίま、それぞれ人力電圧 Vinの電圧波形、端子 SSに加わる電圧波形、コンパレータ 8の出力；図 1参照）の電圧波形、 MOSトランジスタ 2のドレイン電流 (Id)波形、過電流検出値、出力電圧 Voの波形、アンド回路 10の出力（j8；図 1参照)の電圧波形を示す。

[0067] まず、タイミング T1において入力電圧 Vinが投入される。すると、コンデンサ 19の充電が開始され、端子 SSに加わる電圧が上昇を開始する。また、電源投入直後は、出力電圧 Voは 0Vであるため、制御部 30は、出力電圧 Voを目標電圧 Vtarに上昇させるべく MOSトランジスタ 2を制御する。この MOSトランジスタ 2に対する制御により、ドレイン電流 Idが流れるが、ソフトスタート回路 32の機能によってドレイン電流 Idは比較的緩やかに増加し、出力電圧 Voも比較的緩やかに立ち上がる（タイミング T1〜T3 の期間を参照)。ソフトスタート回路 32の動作により、端子 SSに加わる電圧は、出力電圧 Voとおおよそ同期して上昇することとなる。

[0068] また、コンパレータ 8の出力 )がロー（Lo)であるため、アンド回路 10の出力（j8 ) もローとなる。従って、過電流検出値は第 2過電流検出値 (V2ZRon)となっている。

[0069] タイミング T2において、端子 SSに加わる電圧が SS検出電圧 Vssに達し、コンパレータ 8の出力（α )は、ロー力もハイに切り替わる。尚、このタイミング Τ2においては、出力電圧 Voが余裕をもって正常 Ζ異常の閾値である Vab (Rl +R2) ZR2を超えるように、電源装置 1の各部品は構成されている。従って、この時点におけるアンド回路 10の出力（|8 )はローである。 [0070] タイミング T3において、ドレイン電流 Idが第 2過電流検出値に達すると、 MOSトランジスタ 2はゲートドライバ 3を介して遮断されるので、ドレイン電流 Idは第 2過電流検出値を超えない。この第 2過電流検出値は、通常、電源装置 1の起動時 (入力電圧 Vin が印加された後、初めて出力電圧 Voが OVから目標電圧 Vtarに向力う時）における突入電流の最大値よりやや大きいか、または同程度に設定される。そのように設定すること〖こより、出力電圧 Voは速やかに目標電圧 Vtarに達する。図 2は、過電流保護動作の説明のために、第 2過電流検出値に突入電流の最大値が達するように記載している。

[0071] また、起動時において、負荷 25に突入電流が流れる期間は短時間（例えば、数 10 μ sec〜数 msec以下)であるため、過電流検出値として比較的大きな値を有する第 2 過電流検出値を設定していても、 MOSトランジスタ 2、ダイオード 22及びインダクタ 2 3等の発熱量は少ない（同時に、集積回路素子 28全体の発熱量は少ない)。従って、それらの部品が破損 (熱破損)することはないため、電源装置 1の高い信頼性は維持される。

[0072] タイミング T4にお!/、て、出力電圧 Voが目標電圧 Vtarに達する。タイミング T4〜T5 の間は、出力電圧 Voが目標電圧 Vtarに安定化された定常状態となっており、起動時におけるような突入電流は流れて、な、ため、ドレイン電流 Idは比較的小さな値になっている。

[0073] タイミング T5において、負荷 25が短絡されたとすると、出力電圧 Voは Vab (Rl +R 2) ZR2より小さい 0Vまで降下する。このとき、コンパレータ 9の出力はローとなるから、アンド回路 10の出力（ β )はハイとなる。その結果、過電流検出値は、第 1過電流検出値 (VlZRon)に切り替わる。

[0074] そうすると、出力電圧 Voが 0Vであるのにも拘らず、ドレイン電流 Idの最大値は第 2 過電流検出値よりも小さな第 1過電流検出値に抑えられることとなる（タイミング T5〜 Τ6間を参照)。仮にタイミング Τ5〜Τ6の期間が長時間（例えば、 1分間）に及んでも、 MOSトランジスタ 2やダイオード 22、インダクタ 23等が破損しないような値を第 1過電流検出値として設定しておけば、電源装置 1の信頼性は極めて高くなる。

[0075] また、第 1過電流検出値を適切に設定することにより、電源装置 1の信頼性を維持しつつも、 MOSトランジスタ 2、ダイオード 22及びインダクタ 23等の部品に、電流定格のより小さなものを採用できるようになるため、実装面積の低減やコストダウンを実現することも可能である。

[0076] タイミング T6にお、て、負荷 25の短絡が解除され、出力電圧 Voは再び上昇を開始する。

[0077] 続いて、タイミング T7において、出カ電圧¥₀が¥&1) (1^1 +1^2) 71^2に達し、アンド回路 10の出力（ β )がローに切り替わるとともに、過電流検出値が第 2過電流検出値に切り替わる。その後、タイミング Τ7とタイミング Τ8の間において、出力電圧 Voは再度、目標電圧 Vtarに達する。

[0078] 尚、タイミング T6以降に、出力電圧 Voが目標電圧 Vtarまで上昇する過程においては、出力電圧 Voの立ち上がりがソフトスタートするようになっていないが、ソフトスタートするようにするには、以下（1)及び（2)を満たすように、図 1における回路を変形すればよい。

(1)タイミング T5におけるように、出力電圧 Voが 0Vとなっている状態においては、 SS端子に加わる電圧がー且、 0Vに落ちるようにする。

(2)電源投入後、一度コンパレータ 8の出力がハイになれば、以後アンド回路 10の一方の入力端子 (インバータ 14の出力が接続されていない入力端子）には、常時ノ、ィ信号が加わるようにするラッチ回路 (不図示）を、コンパレータ 8の出力からアンド回路 10の一方の入力端子に伸びる線路に挿入する。

[0079] 次に、タイミング T8において、負荷 25の必要とする電流が増大し、一時的に出力電圧 Voが目標電圧 Vtar未満になる（但し、 Vab (Rl +R2) ZR2以上）とする。すると、制御部 30は、ドレイン電流 Idを第 1過電流検出値より大きな値にまで増加させて、出力電圧 Voを目標電圧 Vtarに一致させようとする（タイミング T8〜T9の期間）。このときにおいては、過電流検出値としては第 2過電流検出値が設定されているため、過電流保護機能は動作せず、出力電圧 Voは速やかに目標電圧 Vtarに回復する。

[0080] 十分に長!、時間で平均した負荷 25の消費電流は安定的であっても、短時間（例えば、数 msec等）に着目すれば、起動時以外でも負荷 25が必要とする電流が大きく変動することは通常である。この変動は、負荷 25が起動時以外でも短時間（例えば、数 msec)に大きな充電電流を必要とする容量性負荷である場合やサージ状の大電流を引き込むモータ等である場合は顕著である。しかし、過電流検出値として比較的大きな値の第 2過電流検出値が設定されているため、そのような変動によっては過電流保護動作が機能せず、出力電圧 Voは常に目標電圧 Vtarに維持される (厳密には、速やかに目標電圧 Vtarに回復する）。

[0081] < <第 2実施形態 > >

次に、本発明に係る過電流検出回路及びこれを有する電源装置の第 2実施形態について説明する。図 3は、第 2実施形態に係る電源装置 51の回路構成図である。図 3において、図 1と同一の部分は同一の符号を付して説明を省略する。

[0082] 電源装置 51が、電源装置 1と相違する点のみを説明する。電源装置 51においては、集積回路素子 28に代えて集積回路素子 58が備えられおり、集積回路素子 58には、 MOSトランジスタ 2に相当するスイッチング素子は設けられていない。 MOSトランジスタ 2に相当するスイッチング素子としては、集積回路素子 58の外部に Pチャンネルの MOSトランジスタ 52が備えられている。ゲートドライバ 3の出力は、この MOSトランジスタ 52のゲート電極に与えられており、ゲートドライバ 3は MOSトランジスタ 52のォン Zオフ制御を行う。

[0083] 入力電圧 Vinは、抵抗値が R3の抵抗 53を介して MOSトランジスタ 52のソース電極に与えられ、 MOSトランジスタ 52のドレイン電極は、ダイオード 22の力ソード及びインダクタ 23の一端に接続されている。また、抵抗 53と MOSトランジスタ 52のソース電極との接続点は、コンパレータ 7の反転入力端子（一）に接続されている。

[0084] また、電源装置 1におけるソフトスタート回路 32に代えてソフトスタート回路 36が設けられている。このソフトスタート回路 36は、主として定電流源 60、抵抗 61及びコンデンサ 19から構成されている。定電流源 60の一端には電圧 Vinが与えられており、定電流源 60の他端は、抵抗 61を介してエラーアンプ 5の第 1の非反転入力端子（+ )、コンパレータ ₈の非反転入力端子（+ )、及び端子 SSに共通接続されている。端子 SSは、電源装置 1と同様、コンデンサ 19を介して接地されている。尚、電源装置 1 では設けられていた抵抗 18は、電源装置 51では存在しない。

[0085] 定電流源 60の出力する一定の電流により、電源投入時にコンデンサ 19が充電される。このソフトスタート回路 36は、電源装置 1におけるソフトスタート回路 32と同様の機能を有するものであり、電源投入時 (入力電圧 Vinの投入時）における出力電圧 V oの立ち上がりがソフトスタートするように（出力電圧 Voが徐々に立ち上るように） MO Sトランジスタ 52を制御するための回路である。

[0086] 起動監視部 37は、主として上記ソフトスタート回路 36、コンパレータ 8及び電源源 1 6から構成され、電源装置 1における起動監視部 39と同様の動作を行う。過電流検出回路 38は、主として起動監視部 37、過電流監視部 33及び出力電圧監視部 34から構成されており、 MOSトランジスタ 52の過電流状態を検出する。また、制御部 30も過電流検出回路 38に含まれると考えてもよい。過電流検出回路 38に対する電源は、入力電圧 Vinに一致する。

[0087] 上記のように構成した場合は、 MOSトランジスタ 52のドレイン電流 Idと抵抗 53の抵抗値 R3との積である電圧 (R3， Id)力電圧 VIまたは電圧 V2と比較されることとなる。即ち、過電流検出回路 35にとつては、コンパレータ 7により電圧 VIまたは電圧 V2と比較される電圧が、電圧 (R3 'Id)に代わっている（第 1実施形態においては電圧 (R on 'Id) )だけである。

[0088] 従って、電源装置 51のように構成しても、電源装置 1と同様の動作が実現され、電源装置 1と同様に信頼性向上等、様々な効果が得られる。また、電源装置 51のように構成した場合は、 MOSトランジスタ 52のオン抵抗の抵抗値に関係なぐ正確に過電流検出を行うことができる（なぜなら、抵抗値 R3とドレイン電流 Idとの積に基づいて過電流検出を行うから)。従って、 MOSトランジスタに代えて、接合型電界効果トランジスタゃバイポーラトランジスタをスイッチング素子として採用することもできる。

[0089] また、電圧源 11、電圧源 12の双方、または一方を集積回路素子 58の外部に設けるようにして、過電流検出値を用途に合わせて自由に設定できるようにしてもよい。

[0090] < <変形等 > >

電源装置 1及び電源装置 51においては、抵抗 20と抵抗 21との接続点の電圧がコンパレータ 9の非反転入力端子（+ )に加わるようにしている力出力電圧 Voがそのままコンパレータ 9の非反転入力端子（+ )に加わるように、図 1及び図 3の回路構成を変形してもよい。 [0091] また、電源装置 1のソフトスタート回路 32と電源装置 51のソフトスタート回路 36は、相互に置換可能である。

[0092] また、本発明は、電源装置 1 (図 1参照)や電源装置 51 (図 3)に限らず、様々なスィツチングレギユレータゃ DC— DCコンバータ等を備えた電源装置に適用可能である

。更にまた、本発明は、 3端子レギユレータ等のシリーズレギユレータ（ドロッパ型レギユレータ)を備えた電源装置にも適用可能である。

産業上の利用可能性

[0093] 本発明は、過電流保護機能を必要とする電源装置やハイサイドスィッチ等に好適であり、特に、高い信頼性が必要となることが多い車載用の電源装置や、容量性の負荷に電流を出力する電源装置に好適である。

Claims

請求の範囲

[1] 負荷に電流を出力するスイッチング素子の過電流状態を検出する過電流検出回路であって、

当該過電流検出回路に対して電源投入して力の時間が、所定時間を超えるときに定常状態信号を出力する一方、前記所定時間未満のときに起動状態信号を出力する起動監視部と、

第 1過電流検出値と該第 1過電流検出値より大きい第 2過電流検出値との 2段階の過電流検出値を設定可能であって、前記スイッチング素子の過電流状態を監視する過電流監視部と、

前記負荷への出力電圧に応じた電圧を所定電圧と比較することにより、前記出力電圧の正常 Z異常を検出し、その検出結果を前記過電流監視部に与える出力電圧監視部とを備え、

前記過電流監視部は、前記出力電圧が異常であり、且つ前記定常状態信号が出力されているとき、前記過電流検出値として前記第 1過電流検出値を設定する一方、前記出力電圧が正常である力、又は前記起動状態信号が出力されているとき、前記過電流検出値として前記第 2過電流検出値を設定することを特徴とする過電流検出回路。

[2] 前記出力電圧監視部は、前記出力電圧に応じた電圧の大きさと所定の検出電圧の大きさとを比較し、前記出力電圧に応じた電圧の大きさが前記検出電圧の大きさより大きいときには、前記出力電圧は正常であると検出する一方、前記出力電圧に応じた電圧の大きさが前記検出電圧の大きさより小さいときには、前記出力電圧は異常であると検出して、その検出結果を前記過電流監視部に与えることを特徴とする請求項 1に記載の過電流検出回路。

[3] 前記起動監視部は、当該過電流検出回路に対して電源投入してからの時間に対応する電圧を出力しつつ前記電源投入時における前記出力電圧の立ち上がりがソフトスタートするように前記スイッチング素子を制御するソフトスタート回路を備えるとともに、該ソフトスタート回路の出力する電圧に基づいて、前記定常状態信号または前記起動状態信号を出力することを特徴とする請求項 1または請求項 2に記載の過電流検出回路。

[4] 前記起動監視部は、前記電源投入後において容量性素子に所定の電流を流すことによって生じた電圧に基づいて、前記定常状態信号または前記起動状態信号を出力することを特徴する請求項 1または請求項 2に記載の過電流検出回路。

[5] 前記第 1過電流検出値及び前記第 2過電流検出値は、前記スイッチング素子への入力電圧を基準として定められていることを特徴する請求項 1または請求項 2に記載の過電流検出回路。

[6] 前記過電流監視部が出力する、前記スイッチング素子の過電流状態に関わる信号に応じて、前記スイッチング素子を制御する制御部を更に備えて、ることを特徴する請求項 1または請求項 2に記載の過電流検出回路。

[7] 請求項 1または請求項 2に記載の過電流検出回路と、

前記スイッチング素子と、

前記スイッチング素子の出力側の電圧を平滑化して前記負荷へ出力する平滑回路とを備えたことを特徴とする電源装置。