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公開番号2020145924
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200910
出願番号2020096552
出願日20200603
発明の名称スイッチングレギュレータ
出願人エイブリック株式会社
代理人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20200814BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】消費電流の少ない過熱保護回路を備えたスイッチングレギュレータを提供する。
【解決手段】非同期整流型のスイッチングレギュレータ100において、所定の温度以上になると出力制御回路15に信号を出力してスイッチング素子3をオフさせる過熱保護回路20と、出力制御回路の制御信号がスイッチング素子をオンさせたことを受けて所定時間のカウントを開始し、カウント中は過熱保護回路を動作させる信号を出力するタイマー回路14と、を備える。過熱保護回路は、所定の期間のみ動作する間欠動作を行う。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
入力端子に入力される電源電圧からスイッチング素子によって出力端子に所望の出力電圧を出力するスイッチングレギュレータであって、
前記出力電圧を監視するエラーコンパレータと、
前記エラーコンパレータの出力信号に基づき、前記スイッチング素子のゲートに制御信号を出力する出力制御回路と、
所定の温度以上になると前記出力制御回路に信号を出力し、前記スイッチング素子をオフさせる過熱保護回路と、
前記出力制御回路の
制御信号が前記スイッチング素子をオンさせたことを受けて所定時間のカウントを開始し、カウント中は前記過熱保護回路を動作させる
信号を出力するタイマー回路と、を備え、
前記所定時間は、前記スイッチング素子がオンしている期間よりも長い
ことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
続きを表示(約 520 文字)【請求項2】
前記タイマー回路は、カウント中に前記出力制御回路から前記スイッチング素子をオンさせる制御信号が入力されると改めてカウントを開始し、前記過熱保護回路を動作させる信号を継続して出力する
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項3】
入力端子に入力される電源電圧からスイッチング素子によって出力端子に所望の出力電圧を出力するスイッチングレギュレータであって、
前記出力電圧を監視するエラーコンパレータと、
前記エラーコンパレータの出力信号に基づき、前記スイッチング素子のゲートに制御信号を出力する出力制御回路と、
所定の温度以上になると前記出力制御回路に信号を出力し、前記スイッチング素子をオフさせる過熱保護回路と、
前記出力制御回路の
制御信号が前記スイッチング素子をオフさせたことを受けて所定時間のカウントを開始し、カウント中は前記過熱保護回路を動作させる
信号を出力するタイマー回路と、を備え、
前記所定時間は、前記スイッチング素子がオフしている期間よりも短い
ことを特徴とするスイッチングレギュレータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、定電圧を出力するスイッチングレギュレータに関し、より詳しくは、温度を検出してスイッチング動作を停止する過熱保護回路を備えるスイッチングレギュレータに関する。
続きを表示(約 10,000 文字)【背景技術】
【0002】
近年、電池を搭載する電子機器においては、低消費電力化が進んでいる。特にスマートホン、携帯機器、ウェアラブル機器等においては、バッテリー駆動時間をより長くするため、電子機器の低消費電力化は、より一層強く要求されるようになっている。そのためその電子機器に内蔵される半導体集積回路においても消費電力の削減要求が著しい。
【0003】
一方、上記の人が直接扱う電子機器は、爆発・感電など人体に悪影響を及ぼさないような安全性が特に求められる。例えばバッテリー駆動の電子機器に内蔵され、電池電圧を入力電圧とするスイッチングレギュレータは、半導体集積回路内のチップ温度が上昇し所定温度以上の温度に達した場合、動作を止める過熱保護回路を備えるものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開平06−244414号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、安全性を確保するための保護回路を追加すると、その保護回路を動作させるための電力が必要となり、電子機器に求められる低消費電力化が阻害される。例えば、過熱保護回路を付加する従来のスイッチングレギュレータにおいては、温度を監視するために温度検出回路が常に動作している。そのため、スイッチングレギュレータに流れる電流が小さく、発熱する可能性が低い動作状態においても所定の電力を消費し続けてしまい、電力効率を悪化させてしまう、という課題があった。
【0006】
本発明においては、上記の従来技術の課題に対し、過熱保護回路を間欠的に動作することで、消費電力の低減を実現すると同時に、確実にスイッチングレギュレータを保護する方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
従来の課題を解決するため、本発明のスイッチングレギュレータは以下のような構成とした。
出力電圧を監視するエラーコンパレータと、エラーコンパレータの出力信号に基づき、スイッチング素子のゲートに制御信号を出力する出力制御回路と、所定の温度以上になると出力制御回路に信号を出力してスイッチング素子をオフさせる過熱保護回路と、を備え、過熱保護回路は、出力制御回路の出力信号に基づいた信号が入力され、所定の期間のみ動作する間欠動作を行う構成とした。
【発明の効果】
【0008】
本発明のスイッチングレギュレータは、出力制御回路が出力するスイッチング素子をオンする信号に基づいた所定の期間だけ過熱保護回路を間欠的に動作する構成としたので、過熱保護回路の特に軽負荷時の消費電流が削減できる、と言う効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本発明の第一の実施形態のスイッチングレギュレータの一例を示した回路図である。
第一の実施形態のタイマー回路の回路例を示した図である。
第一の実施形態のタイマー回路の動作例を示したタイミングチャートである。
第一の実施形態の過熱保護回路の回路例を示した図である。
(a)第一の実施形態のスイッチングレギュレータの第一の動作例における連続モード動作状態を示したタイミングチャートである。(b)第一の実施形態のスイッチングレギュレータの第一の動作例における不連続モード動作状態を示したタイミングチャートである。
(a)第一の実施形態のスイッチングレギュレータの第三の動作例における連続モード動作状態を示したタイミングチャートである。(b)第一の実施形態のスイッチングレギュレータの第三の動作例における不連続モード動作状態を示したタイミングチャートである。
第一の実施形態のタイマー回路の第三の動作例を示したタイミングチャートである。
本発明の第二の実施形態のスイッチングレギュレータの一例を示した回路図である。
本発明の第三の実施形態のスイッチングレギュレータの一例を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図1は、第一の実施形態のスイッチングレギュレータの一例を示した回路図である。図1の回路は、電源端子1に入力された入力電圧Vinを定電圧に変換し、出力電圧Voutとして出力端子7に出力する非同期整流型のスイッチングレギュレータ100である。
【0011】
本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、スイッチング素子であるPMOSトランジスタ3と、ダイオード4と、インダクタ5と、出力コンデンサ6と、エラーコンパレータ10と、オン時間制御回路11と、基準電圧回路12と、RS−FF回路13と、タイマー回路14と、出力制御回路15と、バッファー回路16と、分圧抵抗17および18と、過熱保護回路20と、を備える。
【0012】
分圧抵抗17および18は、出力電圧Voutに応じたフィードバック電圧VFBをフィードバック端子19より出力する。基準電圧回路12は、基準電圧VREFを出力する。エラーコンパレータ10は、フィードバック電圧VFBを基準電圧VREFと比較し、フィードバック電圧VFBが基準電圧VREF以下に低下すると、RS−FF回路13にセット信号を出力する。オン時間制御回路11は、RS−FF回路13の出力端子Qの出力信号に基づきRS−FF回路13にリセット信号を出力する。RS−FF回路13は、セット端子Sに供給されるセット信号とリセット端子Rに供給されるリセット信号に応じて出力端子Qから出力信号が出力される。出力制御回路15は、RS−FF回路13の信号を受けて、バッファー回路16を介し、PMOSトランジスタ3を制御し、出力電圧Voutを発生させる。
【0013】
過熱保護回路20は、スイッチングレギュレータの温度を監視し、スイッチングレギュレータが発熱し、過熱状態であると判定されると出力制御回路15に信号を出力する。スイッチングレギュレータにおいて、最も温度が高くなるのは、出力端子7に出力電圧及び出力電流を供給するPMOSトランジスタ3である。そこで過熱保護回路20の信号を受けた出力制御回路15は、バッファー回路16を介してPMOSトランジスタ3をオフさせることにより、スイッチングレギュレータを過熱から保護する。
【0014】
タイマー回路14は、出力制御回路15から出力される信号を受けてPMOSトランジスタ3がオンすると過熱保護回路20の動作を開始し、一定時間経過後(カウント時間と称す)に、過熱保護回路20の消費電流をゼロ、もしくは低減させる信号を出力する。
【0015】
図2は、第一の実施形態のタイマー回路14の一例を示した回路図である。
パルス発生回路41は、IN端子に入力される出力制御回路15の信号がLレベルになったときに、所定の期間のL信号を出力する。RS−FF回路61は、パルス発生回路41の信号がHレベルになった時に出力端子QからH信号を出力する。バイアス回路42、43、44、45は、RS−FF回路61のH信号を受けてオンする。コンデンサ46は、バイアス回路42の出力に接続され、バイアス回路42の電流によって充電される。コンデンサ48は、バイアス回路44の出力に接続され、バイアス回路44の電流によって充電される。
【0016】
ここで例えば、コンデンサ48は、コンデンサ46より大きい容量となっており、所定の電圧までの充電時間がコンデンサ46より長くなるよう設定されている。NMOSトランジスタ50は、コンデンサ46の充電電圧が閾値電圧以上になったときにオンする。NMOSトランジスタ51は、コンデンサ48の充電電圧が閾値電圧以上になったときにオンする。
【0017】
インバータ56は、NMOSトランジスタ50の出力のH/L信号を反転させた信号を、RS−FF回路60のセット端子SとNMOSトランジスタ53のゲートに出力する。インバータ57はNMOSトランジスタ51の出力のH/Lを反転させた信号をRS−FF回路60のリセット端子Rと、NMOSトランジスタ52、54のゲートに出力する。
【0018】
NMOSトランジスタ52、53は、コンデンサ46と並列に接続され、ゲートにH信号が入力されるとオンし、コンデンサ46の電荷を放電する。NMOSトランジスタ54は、コンデンサ48と並列に接続され、ゲートにH信号が入力されるとオンし、コンデンサ48の電荷を放電する。スイッチ47、49は、RS−FF回路61の出力するQ信号を受けてオフして、コンデンサ46とコンデンサ48が充電されるように制御する。
【0019】
RS−FF回路60は、以上のセット端子Sとリセット端子Rに入力される信号に基づき、Q端子より信号を出力し、クロック信号CLKを生成する。RS−FF回路61は、セット端子Sにパルス発生回路41の出力信号が入力され、リセット端子RにRS−FF回路60から出力するクロック信号CLKが入力され、出力端子Qから信号を出力する。
【0020】
次に、図3の第一の実施形態のタイマー回路14の動作例を示したタイミングチャートを元に、タイマー回路14の動作を説明する。
時刻t0に、タイマー回路14のIN端子に入力される出力制御回路15の出力信号がLレベルになると、パルス発生回路41が内部の遅延回路で決まる所定の短い期間にL信号パルスを出力する。このときには、コンデンサ46、48は放電され、充電電圧がLとなっている。
【0021】
時刻t1に、パルス発生回路41の信号がHレベルになるので、RS−FF回路61の出力端子QからH信号が出力される。スイッチ47、49がオフし、バイアス回路42、43、44、45がオンするので、コンデンサ46、48は充電を開始する。
【0022】
時刻t2に、バイアス回路42から供給される電流によってコンデンサ46の充電電圧が上昇し、NMOSトランジスタ50の閾値電圧Vtn1に達すると、NMOSトランジスタ50がオンする。従って、RS−FF回路60は、セット端子Sにインバータ56の
出力するH信号が入力されるので、出力端子QからH信号を出力する。インバータ56から出力されるH信号は、NMOSトランジスタ53をオンして、コンデンサ46を放電する。このとき、コンデンサ46より容量値が大きいコンデンサ48は、充電電圧がNMOSトランジスタ51の閾値電圧Vtn2に達しておらず、充電が継続している。
【0023】
時刻t3に、コンデンサ48の充電電圧がNMOSトランジスタ51の閾値電圧Vtn2に達すると、NMOSトランジスタ51がオンする。従って、RS−FF回路60は、リセット端子Rにインバータ57が出力するH信号が入力されるので、出力端子QからL信号を出力する。インバータ57から出力するH信号は、NMOSトランジスタ52、54をオンして、コンデンサ46、48を放電する。このとき、NMOSトランジスタ50はオフなので、RS−FF回路60は、セット端子Sにインバータ56を介してL信号が入力されているので、出力端子QからL信号を出力する。従って、RS−FF回路61はリセット端子RにL信号が入力されるので、出力端子QからL信号を出力する。
【0024】
以上説明したような動作を繰り返して、タイマー回路14は、過熱保護回路20を間欠動作させる。
なお、タイマー回路14は、PMOSトランジスタ3がオンすることをトリガーとしてH信号を出力すると同時にタイムカウントを始め、所定の時間後にL信号を出力する構成であればよく、この回路例に限定されない。例えば、インバータ54の信号を受けてワンショットパルスを発生するパルス発生回路を備えてても良い。
また、カウント時間とスイッチング周期の関係を調整する事で、状況に応じて間欠出力もしくは一定出力を選ぶ事ができる。
【0025】
図4は、本発明の過熱保護回路の一例を示した回路図である。過熱保護回路20は、感温素子21と、基準電圧回路22と、感温素子21の電圧と基準電圧回路22の出力電圧を比較することで温度検出を行うコンパレータ23と、感温素子21に電流を供給するバイアス回路24と、コンパレータ23に電流を供給するバイアス回路25と、バイアス回路24から感温素子21への電流供給を制御するスイッチ26と、バイアス回路25からコンパレータ23への電流供給を制御するスイッチ27と、を備える。スイッチ26は、感温素子21とバイアス回路24の間に設けられる。スイッチ27は、コンパレータ23とバイアス回路25の間に設けられる。
【0026】
出力制御回路15から出力される信号を受けて、PMOSトランジスタ3がオンすると、同時に、同じ信号を元にタイマー回路14からH信号を受け、スイッチ26とスイッチ27はオンになり、感温素子21およびコンパレータ23に電流が供給される。電流が供給され、感温素子21の電圧およびコンパレータ23が比較可能な状態に安定した後に、コンパレータ23が基準電圧回路22の出力電圧と感温素子21の電圧を比較することで温度判定を行う。過熱状態であると判定される場合には、感温素子21とコンパレータ23に電流供給を続け、温度検出を継続する。過熱状態でないと判定される場合には、PMOSトランジスタ3がオンしてから一定時間後に、スイッチ26およびスイッチ27がオフとなり、感温素子21とコンパレータ23への電流供給が停止する。
【0027】
感温素子としては、バンドギャップリファレンス回路に用いるバイポーラ素子を用いることも可能である。バンドギャップリファレンス回路に用いるバイポーラ素子の順方向電圧Vfは温度によって変化するので、温度によって変化しないように調整した基準電圧回路22の基準電圧とコンパレータ23で比較することにより、温度検出を行うことができる。
【0028】
図5は、第一の実施形態のスイッチングレギュレータの第一の動作例を示したタイミングチャートである。そして図5(a)は出力端子7に重負荷が接続された場合、図5(b
)は軽負荷が接続された場合の、PMOSトランジスタ3、タイマー回路14、過熱保護回路20のそれぞれの動作状態のタイミングチャートを表している。図5の第一の動作においては、タイマー回路14のカウント時間を、スイッチング周期よりも長く設定している。
【0029】
図5(a)においては、出力端子7に接続される負荷が重く、PMOSトランジスタ3が所定のスイッチング周期で発振動作を行う連続モード動作状態となっている。
まずPMOSトランジスタ3がオンになる時刻t0に、出力制御回路15から出力される信号を受けて、タイマー回路14がオンしタイムカウントを始める。それとともに過熱保護回路20の動作をオンさせる。
【0030】
時刻t0からスイッチング周期後の時刻t1においては、所定のカウント時間に達していないため、タイマー回路14はオンし続け、過熱保護回路20のオン動作を継続させる。ただ、時刻t1で再び出力制御回路15から出力される信号を受けて、ここから改めてタイムカウントが始まる。
【0031】
時刻t0からカウント時間後の時刻tcに達しても、時刻t1から始まるタイムカウントが継続しているので、タイマー回路14はオンし続け、過熱保護回路20のオン動作を継続させる。
【0032】
以上のようにタイマー回路14のカウント時間を、スイッチング周期よりも長く設定した第一の動作例においては、タイマー回路14がオンし続けるので、過熱保護回路20は間欠動作状態にはならず、常時動作を続ける。
【0033】
過熱保護回路20は、PMOSトランジスタ3がオンすると共にスイッチ26,27がオンすることで温度検出動作を開始し、スイッチングレギュレータが発熱し、過熱状態であると判定されると出力制御回路15に信号を出力する。そして出力制御回路15は過熱保護回路20の信号を受け信号を出力し、バッファー回路16を介してPMOSトランジスタ3を停止させ、発熱を抑制する。
【0034】
負荷が軽くなる図5(b)においては、出力電圧Voutの変動が小さくなり、PMOSトランジスタ3の動作が所定の周期の発振動作とならない不連続モード動作状態に移行し、周波数が減少する。このとき固定時間オンする信号を出力するCOT(Constant On Time)制御のスイッチングレギュレータにおいては、オン時間が固定なので、周波数の減少によってオフ時間が長くなる。
【0035】
スイッチング周期が長くなり、タイマー回路14のカウント時間を上回ると、図5(b)のように、時刻t0からスイッチング周期分の時間を経過した時刻t1よりも、カウント時間に到達する時刻tcが早く訪れるので、タイマー回路14は過熱保護回路20をオフさせる信号を出力する。その信号を受けて過熱保護回路20はオフし、次の時刻t1において再びPMOSトランジスタ3がオンするとともにオンとなる。すなわち過熱保護回路20は間欠的に動作する。したがって、負荷が軽くなり、周波数がある一定値以下になると、過熱保護回路20が間欠的に動作をすることとなり、過熱保護回路20の消費電力を低減することができる。
【0036】
第一の実施形態の第一の動作例では、最も温度上昇が懸念される連続モード動作状態において過熱保護回路20を常時動作させることで半導体集積回路の安全性を高めながら、温度上昇頻度が低い不連続モード動作状態において過熱保護回路20を間欠動作させ、消費電力低減を併せ持つ効果を期待できる。
【0037】
第一の実施形態のスイッチングレギュレータの第二の動作例はタイマー回路14のカウント時間を、スイッチング周期よりも短く設定した場合である。第二の動作例では、出力端子7に重負荷が接続され、所定のスイッチング周期で発振動作を行う連続モード動作状態になった場合においても、第一の動作例と異なりタイマー回路14がカウント時間毎に過熱保護回路20に停止信号を繰り返し送り続けるので、過熱保護回路20は間欠動作状態となり、第一の動作例に比べ、過熱保護回路20の消費電力を低減することができる。
【0038】
一方、出力端子7に軽負荷が接続され、出力電圧Voutの変動が小さくり、PMOSトランジスタ3の動作が所定の周期の発振動作とならない不連続モード動作状態に移行し、周波数が減少した場合も、第一の動作例と同様に過熱保護回路20は間欠的に動作する。
【0039】
第一の実施形態の第二の動作例では、連続モード動作状態・不連続モード動作状態において過熱保護回路20を間欠動作させることで、第一の動作例よりも高い消費電力低減効果を期待できる。そのため、連続動作モードにおいて大電流を必要とせず過熱状態がそれほど懸念されないスイッチングレギュレータにおいて好ましい動作例といえる。
【0040】
図6は、第一の実施形態のスイッチングレギュレータの第三の動作例を示したタイミングチャートである。この例では、タイマー回路14のタイムカウントの開始を、PMOSトランジスタ3がオフすると同時に始める。そして図6(a)は出力端子7に重負荷が接続された場合、図6(b)は軽負荷が接続された場合の、PMOSトランジスタ3、タイマー回路14、過熱保護回路20のそれぞれの動作状態のタイミングチャートを表している。
【0041】
図6(a)においては、出力端子7に接続される負荷が重く、PMOSトランジスタ3が所定のスイッチング周期で発振動作を行う連続モード動作状態となっている。
先ずPMOSトランジスタ3がオンになる時刻t0に、出力制御回路15から出力される信号がタイマー回路14に入力される。但し、ここではタイマー回路14はタイムカウントを開始せず、過熱保護回路20も起動しない。
【0042】
PMOSトランジスタ3がオフする時刻t1に、出力制御回路15から出力されるスイッチング3をオフさせる制御信号がタイマー回路14に同時に入力される。その信号を受け、タイマー回路14がオンしタイムカウントを始める。このときタイマー回路14は過熱保護回路20に制御信号を出力し、過熱保護回路20をオンさせる。
時刻t1からカウント時間後の時刻tcに達すると、タイマー回路14は過熱保護回路20に信号を出力し、過熱保護回路20をオフさせる。
【0043】
時刻t0からスイッチング周期後の時刻t2に達すると、出力制御回路15から出力される、PMOSトランジスタ3がオンするが、タイマー回路14はタイムカウントを開始せず、過熱保護回路20も起動しない。
【0044】
以上のように第三の動作例においては、第二の動作例と同様にタイマー回路14がオンとオフを繰り返し続けるので、過熱保護回路20は間欠動作状態となり、第一の動作例に比べ、過熱保護回路20の消費電力を低減することができる。
【0045】
負荷が軽くなる図6(b)においては、出力電圧Voutの変動が小さくなり、PMOSトランジスタ3の動作が所定の周期の発振動作とならない不連続モード動作状態に移行し、周波数が減少する。
【0046】
この動作状態においても、連続モード動作状態と同様に、PMOSトランジスタ3がオ
ンする時刻t0にはタイマー回路14はタイムカウントを開始せず、過熱保護回路20も起動しない。PMOSトランジスタ3がオフする時刻t1でタイマー回路14がタイムカウントを始め、過熱保護回路20をオンさせる。タイマー時間後の時刻tcに過熱保護回路20をオフさせる。このようにして、過熱保護回路20は間欠的に動作する。
【0047】
第一の実施形態の第三の動作例では、第二の動作例と同様に、連続モード動作状態・不連続モード動作状態のいずれにおいても過熱保護回路20を間欠動作させることで、第一の動作例よりも高い消費電力低減を効果を期待できる。そのため、連続動作モードにおいて大電流を必要とせず過熱状態がそれほど懸念されないスイッチングレギュレータにおいて好ましい動作例といえる。
【0048】
図7は、第一の実施形態のスイッチングレギュレータの第三の動作例を実現するためのタイマー回路14のタイミングチャートである。
パルス発生回路41は、PMOSトランジスタ3のオフ動作をトリガーとしてLパルスを発生させる。こうすることで、PMOSトランジスタ3がオフする時刻t0にコンデンサ46、48を放電し、そこからタイムカウントを始めることが可能となる。
【0049】
図8は、第二の実施形態のスイッチングレギュレータの回路例を示した図である。第二の実施形態では、第一の実施形態に対してタイマー回路14を用いず、過熱保護回路20の動作をPMOSトランジスタ3がオンするタイミングに同期させている。この例では、PMOSトランジスタであるPMOSトランジスタ3を動作させるL信号を出力制御回路15が出力した場合、そのL信号をインバータ59で反転させH信号として、過熱保護回路20に入力している。
【0050】
PMOSトランジスタ3がオフしているときに過熱保護回路20を動作させ、オンしてるときに停止させるような間欠動作を行う場合は、インバータ59を取り除くことで実現できる。
また、PMOSトランジスタ3がオフしている時間中の限定された時間において、過熱保護を動作させる場合も考えられる。
(【0051】以降は省略されています)

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