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公開番号2021125963
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210830
出願番号2020017934
出願日20200205
発明の名称スイッチング電源
出願人新日本無線株式会社
代理人特許業務法人栄光特許事務所
主分類H02M 3/155 20060101AFI20210802BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】過電流による発熱を加味して、スイッチング電源が備えるインダクタを小型化できるスイッチング電源を提供する。
【解決手段】スイッチング電源であって、スイッチング電源の出力電圧を制御するためのトランジスタと、トランジスタのオンオフを制御する制御回路と、トランジスタを流れる電流を検出する電流検出回路と、電流が閾値電流以上である過電流である場合、トランジスタの出力電圧がフィードバックされたフィードバック電圧に基づいて、過電流からスイッチング電源を保護するための過電流保護動作を開始するまでの移行時間又は過電流保護動作の動作モードを切り替えて、過電流保護動作を実行する保護回路と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
スイッチング電源であって、
前記スイッチング電源の出力電圧を制御するためのトランジスタと、
前記トランジスタのオンオフを制御する制御回路と、
前記トランジスタを流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記電流が閾値電流以上である過電流である場合、前記トランジスタの出力電圧がフィードバックされたフィードバック電圧に基づいて、前記過電流から前記スイッチング電源を保護するための過電流保護動作を開始するまでの移行時間又は前記過電流保護動作の動作モードを切り替えて、前記過電流保護動作を実行する保護回路と、
を備えるスイッチング電源。
続きを表示(約 980 文字)【請求項2】
前記保護回路は、前記トランジスタのオンオフの制御を停止して前記トランジスタをオフの状態にする前記過電流保護動作を実行する、
請求項1に記載のスイッチング電源。
【請求項3】
前記フィードバック電圧が高い程、前記移行時間が長く、
前記フィードバック電圧が低い程、前記移行時間が短い、
請求項2に記載のスイッチング電源。
【請求項4】
前記保護回路は、
前記フィードバック電圧が第1の閾値電圧以上である場合、前記移行時間を第1の時間に設定し、
前記フィードバック電圧が前記第1の閾値電圧よりも小さい第2の閾値電圧以上且つ前記第1の閾値電圧未満である場合、前記移行時間を前記第1の時間よりも短い第2の時間に設定する、
請求項2又は3に記載のスイッチング電源。
【請求項5】
前記保護回路は、前記フィードバック電圧が第2の閾値電圧以上前記第1の閾値電圧未満であり、且つ前記第1の時間の経過前に、前記フィードバック電圧が前記第2の閾値電圧未満となった場合、前記第2の時間の経過に応じて、前記第2の時間に対応する過電流保護動作を行う、
請求項4に記載のスイッチング電源。
【請求項6】
前記移行時間は、前記トランジスタのオンオフ制御を行うためのパルスのパルス数に応じて定まる、
請求項2〜5のいずれか1項に記載のスイッチング電源。
【請求項7】
前記保護回路は、
前記フィードバック電圧に基づいて、前記移行時間を切り替え、
前記移行時間の経過後にヒカップ動作を実行する、
請求項1〜6のいずれか1項に記載のスイッチング電源。
【請求項8】
前記保護回路は、前記フィードバック電圧に基づいて、ヒカップ動作とラッチ動作とを切り替える、
請求項1〜6のいずれか1項に記載のスイッチング電源。
【請求項9】
前記制御回路は、前記電流が前記過電流である場合、前記トランジスタのオンオフ制御を行うためのパルスのうち前記過電流であったパルスの周期内において前記トランジスタをオフに制御する、
請求項1〜8のいずれか1項に記載のスイッチング電源。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、過電流保護機能を有するスイッチング電源に関する。
続きを表示(約 7,300 文字)【背景技術】
【0002】
従来、過電流保護機能を有するスイッチング電源装置が知られている(特許文献1参照)。特許文献1のスイッチング電源装置301は、駆動回路11、帰還回路12、及びスイッチング制御用IC202を備える。スイッチング制御用IC202は、そのOUT端子から駆動回路11へ矩形波信号を出力する。帰還回路12は出力端子PO(+)−PO(G)間の電圧の分圧値と基準電圧との比較によって帰還信号を発生し、スイッチング制御用IC202のフィードバック端子FBへ入力する。フィードバック端子FBとグランド端子GNDとの間にはキャパシタC4及びツェナーダイオードD4が接続されている。ツェナーダイオードD4は選択的に接続され、ツェナーダイオードD4の有無によってフィードバック端子FBの電圧が変化する。この電圧の検出によって過電流保護動作をラッチ方式とするか、ヒカップ方式とするかを選択する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2011−182537号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1では、過電流保護動作を行うまでの時間が考慮されていない。そのため、出力短絡時などの出力電流が過大である場合にヒカップ動作への移行時間が長い場合、過電流による発熱を考慮したインダクタを選択する必要がある。そのため、インダクタが大型化し、スイッチング電源装置が大型化し得る。
【0005】
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであって、過電流による発熱を加味して、スイッチング電源が備えるインダクタを小型化できるスイッチング電源を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一態様は、スイッチング電源であって、前記スイッチング電源の出力電圧を制御するためのトランジスタと、前記トランジスタのオンオフを制御する制御回路と、前記トランジスタを流れる電流を検出する電流検出回路と、前記電流が閾値電流以上である過電流である場合、前記トランジスタの出力電圧がフィードバックされたフィードバック電圧に基づいて、前記過電流から前記スイッチング電源を保護するための過電流保護動作を開始するまでの移行時間又は前記過電流保護動作の動作モードを切り替えて、前記過電流保護動作を実行する保護回路と、を備えるスイッチング電源である。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、過電流による発熱を加味して、スイッチング電源が備えるインダクタを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
実施形態におけるスイッチング電源の一例を示す構成図
第1保護制御回路の第1構成例を示すブロック図
第1保護制御回路の第1動作例を説明するための波形図
第1保護制御回路の第2動作例を説明するための波形図
第1保護制御回路の第2構成例を示すブロック図
第1保護制御回路の第3動作例を説明するための波形図
第1保護制御回路の第4動作例を説明するための波形図
第1保護制御回路の第3構成例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係るスイッチング電源を具体的に開示した実施形態(以下、「本実施形態」という)を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【0010】
図1は、本開示の実施形態におけるスイッチング電源の一例を示す構成図である。
【0011】
スイッチング電源1は、電源IC5に、コイルL1、ショットキーバリアダイオードSBD1及びコンデンサC
OUT
が外付けで接続された降圧型のスイッチング電源である。降圧型のスイッチング電源1では、コイルL1及びコンデンサC
OUT
が端子SW1に直列に接続される。コイルL1及びコンデンサC
OUT
の間には、抵抗R
ESR
が接続される。コイルL1には、負荷3が接続される。コイルL1には、負荷3と並列に、抵抗R
B1
,R
B2
が直列接続される。抵抗R
B1
と抵抗R
B2
との接続点は、電源IC5のフィードバック端子としての端子FB1を介して、エラーアンプ20に接続される。負荷3は、ランプ等の無誘導負荷であってもよいし、モータ等の誘導負荷であってもよい。
【0012】
スイッチング電源1では、直流電源2から入力電圧V
IN
が電力ラインLNを介して電源IC5の端子VIN1に供給される。電力ラインLNには、バイパスコンデンサC
IN
が電源IC5と並列に接続される。
【0013】
スイッチング電源1は、電圧を変換する。スイッチング電源1の電源IC5は、例えば、トランジスタMPと、ソフトスタート回路10と、エラーアンプ20と、PWM比較器30と、FF(Flip-Flop)回路40と、第1保護制御回路50と、ロジック回路60と、電流検出回路70と、第2保護制御回路80と、スロープ補償回路90と、加算器95と、を備える。電源IC5は、集積回路の一例である。第1保護制御回路50及びロジック回路60は、過電流保護動作に関する情報を決定し、過電流保護動作を実行する保護回路を構成する。ソフトスタート回路10、エラーアンプ20、PWM比較器30、FF回路40、及びロジック回路60は、トランジスタMPのオンオフを制御する制御回路を構成する。
【0014】
トランジスタMPは、例えばPMOSトランジスタ(単に「PMOS」とも称する)である。トランジスタMPには、ロジック回路60の出力電圧がゲート電圧として印加される。トランジスタMPは、ソースが端子VIN1に接続され、ドレインが端子SW1に接続される。トランジスタMPのソースがバックゲートに接続される。トランジスタMPがオンした場合、直流電源2からの電流がトランジスタMP、コイルL1、コンデンサC
OUT
に流れて、コンデンサC
OUT
が充電される。
【0015】
ソフトスタート回路10は、スイッチング電源1の起動後、PWM比較器30の制御により徐々に出力電圧V
OUT
を上げるよう制御する。スイッチング電源1の動作期間は、ソフトスタート回路10の出力に応じて、ソフトスタート期間と、ソフトスタート期間終了後に継続する定常期間と、に区分される。定常期間では、定常のPWM制御が実施される。ソフトスタート回路10は、ソフトスタート期間において、PWM比較器30における電圧を変換するためのデューティ比を制限する。ソフトスタート回路10は、エラーアンプ20の非反転入力端子に接続される。
【0016】
エラーアンプ20は、非反転入力端子に入力される基準電圧V
REF
と、反転入力端子に入力される端子FB1のフィードバック電圧V
FB
との差分を増幅する差動増幅器である。よって、エラーアンプ20の出力電圧は、基準電圧V
REF
とフィードバック電圧V
FB
との差分に比例する。基準電圧V
REF
は、設定電圧よりも低い電圧とする。基準電圧V
REF
とフィードバック電圧V
FB
との差分が大きい程(つまり出力電圧V
OUT
が値0に近い程)、エラーアンプ20の出力電圧が大きくなる。基準電圧V
REF
とフィードバック電圧V
FB
との差分が小さい程(つまり出力電圧V
OUT
が設定電圧に近い程)、エラーアンプ20の出力電圧が小さくなる。エラーアンプ20は、負帰還回路として動作するので、フィードバック電圧V
FB
を基準電圧V
REF
に維持するように、つまり出力電圧V
OUT
を設定電圧に維持するように電圧を制御する。また、エラーアンプ20は、ソフトスタート期間では、ソフトスタート回路10からのSST信号の電圧を基準電圧V
REF
とすることで、エラーアンプ20の出力電圧を制限する。SST信号は、ソフトスタート期間においてPWMで用いられるデューティを制御するための信号である。
【0017】
また、エラーアンプ20の反転入力端子と出力端子との間に、位相補償回路が配置されてよい。位相補償回路は、例えば位相補償コンデンサ21と抵抗22が直列に接続された回路である。位相補償回路によって、電圧フィードバックループの安定性を図る。
【0018】
PWM比較器30は、非反転入力端子に加算器95の出力電圧を入力し、反転入力端子にエラーアンプ20の出力電圧を入力する。PWM比較器30は、加算器95の出力電圧及びエラーアンプ20の出力電圧に基づいて、電圧を変換するためのデューティ比を決定する。PWM比較器30は、決定されたデューティ比を含む出力電圧をFF回路40へ出力する。
【0019】
FF回路40は、発振回路(OSC:Oscillator)からのクロック信号OSCと、PWM比較器30の出力電圧とを入力する。クロック信号は、PWM信号の周期の決定に用いられる。PWM信号は、Highの電圧及びLowの電圧により示される。PWM信号のHigh電圧とLow電圧とは、PWM信号の周期及びデューティ比に基づく。FF回路40は、発振回路の出力電圧(クロック信号OSCの電圧)によりセットされ、PWM比較器30の出力電圧によりリセットされ、PWM信号をロジック回路60に出力する。FF回路40は、例えばRSフリップフロップである。例えば、エラーアンプ20の出力電圧が高い程、PWM信号のデューティ比が大きくなり、スイッチング電源1の出力電圧V
OUT
が大きくなる。エラーアンプ20の出力電圧が低い程、PWM信号のデューティ比が小さくなり、出力電圧V
OUT
が小さくなる。PWM信号は、例えばパルス信号である。
【0020】
第1保護制御回路50は、過電流保護に関する処理を行う。第1保護制御回路50は、フィードバック電圧V
FB
を入力し、フィードバック電圧V
FB
に基づいて各種の過電流保護動作を行う。この過電流保護動作は、ヒカップ動作、ラッチ動作、等を含む。第1保護制御回路50は、過電流保護動作を行うための第1保護制御信号をロジック回路60に出力する。第1保護制御信号は、Highの電圧及びLowの電圧により示される。第1保護制御信号がHighの電圧であることは、ロジック回路60にトランジスタMPのオンオフ制御の停止を指示することに相当する。
【0021】
ヒカップ動作は、過電流に対応する過小なフィードバック電圧V
FB
(閾値電圧th1以下の電圧)が検出された場合に、トランジスタMPのオンオフ制御を停止してトランジスタMPをオフの状態とし、一定時間後にトランジスタMPのオンオフ制御を再開して電圧供給を再開する動作である。ヒカップ動作は反復して行われてよく、つまりトランジスタMPのオンオフ制御の停止と再開を反復して実施されてよい。ラッチ動作は、トランジスタMPのオンオフ制御を停止してトランジスタMPをオフの状態とし、一定時間経過してもトランジスタMPのオンオフ制御を再開しない動作である。
【0022】
また、第1保護制御回路50は、ヒカップ動作やラッチ動作に関する詳細な方式を決定する。この詳細な方式では、過電流保護動作としてヒカップ動作を選択するかラッチ動作を選択するか、過電流保護動作としてのヒカップ動作又はラッチ動作に移行するまでの移行時間、ヒカップ動作の後にラッチ動作に移行するか否か、等を決定する。移行時間は、パルス信号としてのPWM信号のカウント数で代用されてもよい。第1保護制御回路50は、時間を計測する際、FF回路40からのPWM信号を取得し、PWM信号の状態を参照してカウントしてよい。第1保護制御回路50の詳細については後述する。
【0023】
ロジック回路60は、レベルシフト動作、保護動作、停止動作、等を行う。ロジック回路60は、レベルシフト動作では、ロジック回路60に入力されたPWM信号を、トランジスタMPを駆動するレベルの信号に変換し、レベルシフトされたPWM信号をトランジスタMPに出力する。ロジック回路60は、保護動作では、デバイス(例えばトランジスタMP)への加熱等を抑制して、デバイスを保護する。ロジック回路60は、停止動作では、トランジスタMPを駆動するドライバを停止させ、レベルシフトされたPWM信号をトランジスタMPへ伝達しない。つまり、ロジック回路60は、停止動作では、トランジスタMPのオンオフ制御を停止し、トランジスタMPをオフの状態にする。
【0024】
また、ロジック回路60は、保護動作又は停止動作では、第1保護制御回路50の出力信号及び第2保護制御回路80の出力信号に基づいて、過電流保護動作を行う。過電流保護動作では、トランジスタMPのオンオフ制御が停止され、トランジスタMPがオフの状態とされる。この過電流保護動作は、ヒカップ動作、ラッチ動作、を含んでよい。ロジック回路60は、第2保護制御回路80の出力信号が過電流であることを示す場合、第1保護制御回路50が出力する第1保護制御信号に基づいて、ヒカップ動作又はラッチ動作を行ってよい。
【0025】
電流検出回路70は、トランジスタMPを流れるドレイン電流に相当するセンス電流を検出し、この検出結果を示す電流検出信号を第2保護制御回路80及び加算器95に出力する。
【0026】
第2保護制御回路80は、過電流の有無を示すOCP信号をロジック回路60に出力する。OCP信号は、Highの電圧及びLowの電圧により示される。第2保護制御回路80によりセンス電流が過電流であることが検出(単に過電流検出ともいう)された場合、つまり電流検出回路70により検出された検出電流が過電流を検出するための閾値電流Ith以上である場合、第2保護制御回路80は、OCP信号の電圧をHighとする。センス電流が過電流でないことを第2保護制御回路80が検出した場合、第2保護制御回路80は、OCP信号の電圧をLowとする。また、OCP信号の電圧がHighとなった後に、ヒカップ動作においてトランジスタMPのオンオフ制御が再開されると、第2保護制御回路80は、OCP信号の電圧をLowとする(図3等参照)。
【0027】
また、第2保護制御回路80は、センス電流が過電流であることを検出した場合、センス電流に基づいて、パルスバイパルス動作の実施をロジック回路60に指示する。パルスバイパルス動作は、PWM制御を行うためのパルスのうち、過電流であったパルスの周期内においてトランジスタMPをオフに制御する動作である。そして、クロック信号に従ったPWM信号のオンタイミングとなると、再度トランジスタMPをオンにする。ロジック回路60は、ロジック回路60からの指示に応じて、パルスバイパルス動作を行うよう、トランジスタMPのオンオフ制御を制限する。
【0028】
また、第2保護制御回路80は、過電流を検出したことを、第1保護制御回路50に通知する。これにより、第1保護制御回路50は、例えば過電流検出からの経過時間を計測可能となる。
【0029】
スロープ補償回路90は、スロープ補償を行うためのスロープ補償信号を加算器95に出力する。スロープ補償信号は、例えば所定のランプ波形の信号である。加算器95は、スロープ補償回路90からのスロープ補償信号と電流検出回路70からの電流検出信号を加算し、加算信号をPWM比較器30の非反転入力端子に出力する。スロープ補償信号に基づく加算信号を加味することで、PWM制御の安定化を図ることができる。
【0030】
次に、第1保護制御回路50の具体的な構成例及びその動作例について説明する。ここでは、第1構成例の第1保護制御回路50を第1保護制御回路50Aとも記載し、第2構成例の第1保護制御回路50を第1保護制御回路50Bとも記載し、第3構成例の第1保護制御回路50を第1保護制御回路50Cとも記載する。なお、各構成例及び各構成例による各動作の少なくとも一部が組み合わされてもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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