JP2012060714A - 集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 応答性と負荷短絡などによる素子の過熱防止とのバランスを調整する。
【解決手段】 直接、または外部接続される抵抗もしくは第１のコンデンサを介して所定の電位に接続される端子と、過電流状態であるか否かを判定する過電流判定回路と、過電流判定回路が過電流状態であると判定した場合に、端子に所定の電流を供給する電流供給回路と、過電流判定回路が過電流状態であると判定しない場合には、スイッチング素子の出力電圧を整流および平滑化した第２の直流電圧に応じたデューティ比のパルス幅変調信号に応じてスイッチング素子をスイッチング制御し、過電流判定回路が過電流状態であると判定した場合には、端子の電圧が所定の基準電圧に達するまでの間スイッチング素子をオフするスイッチング制御回路と、を有し、直接または抵抗を介して所定の電位に接続され、所定の電流が供給される場合の端子の電圧は、所定の基準電圧未満である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集積回路に関する。

例えば特許文献１の図９に示されているようなスイッチング電源回路は、負荷短絡時などにスイッチング素子に所定以上の過電流が流れ、スイッチング素子やその他の素子が破損するのを防止する、過電流保護機能を一般に備えている。例えば特許文献１の図１０に示されている過電流保護回路は、スイッチング素子に流れる電流値が所定の電流値に達すると、スイッチング素子をオフに制御するように動作する。

また、上記の過電流保護回路には、電流重畳が発生するという不都合があるため、特許文献１では、起動時間が長くなったり、負荷急変に対する応答が遅くなったりすることなく、当該不都合を解消する方法が開示されている。特許文献１の図２および図５に示されている過電流保護回路では、過電流保護動作時に、ダイオードやローサイドのスイッチング素子に流れるフライホイール電流が略０になるまで、ハイサイドのスイッチング素子のオンを停止する制御を行っている。

このようにして、スイッチング素子に流れる電流値を監視し、過電流を検出すると、その都度スイッチング素子をオフすることによって、オン時間を相対的に短くし、素子の破損を防止することができる。

特開２００４−３６４４８８号公報

しかしながら、上記のような過電流保護方法では、負荷短絡が継続している場合であっても、一時的に電流が増大した場合と同様に、スイッチング素子が比較的短時間で再びオンとなる。そのため、継続的な負荷短絡時には、スイッチング素子がオンとなる度に過電流が流れ、スイッチング素子やコイル（インダクタ）などが十分に放熱できない場合もある。

一方、ラッチオフ方式などと呼ばれる過電流保護方法では、所定の時間以上継続して過電流を検出した場合にスイッチング素子をオフし続けることによって、素子の破損を防止することができる。しかしながら、当該ラッチオフ方式では、リセット信号などによってリセットされるまでスイッチング素子がオフし続けるため、スイッチング電源回路の応答性が低下してしまう。

また、スイッチング電源回路を集積回路として構成する場合には、集積回路が所定以上に過熱すると、十分に放熱されるまでの間スイッチング素子をオフする、過熱保護機能を備えることが一般的である。しかしながら、この場合であっても、コイルは通常外付け部品となるため、コイルが過熱し、焼損してしまう場合もある。

前述した課題を解決する主たる本発明は、直接、または外部接続される抵抗もしくは第１のコンデンサを介して所定の電位に接続される端子と、第１の直流電圧をスイッチングするスイッチング素子に所定以上の電流が流れる過電流状態であるか否かを判定する過電流判定回路と、前記過電流判定回路が前記過電流状態であると判定した場合に、前記端子に所定の電流を供給する電流供給回路と、前記過電流判定回路が前記過電流状態であると判定しない場合には、前記スイッチング素子の出力電圧を整流および平滑化した第２の直流電圧に応じたデューティ比のパルス幅変調信号に応じて前記スイッチング素子をスイッチング制御し、前記過電流判定回路が前記過電流状態であると判定した場合には、前記端子の電圧が所定の基準電圧に達するまでの間前記スイッチング素子をオフするスイッチング制御回路と、を有し、直接または前記抵抗を介して前記所定の電位に接続され、前記所定の電流が供給される場合の前記端子の電圧は、前記所定の基準電圧未満であることを特徴とする集積回路である。
本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、スイッチング電源回路の応答性と負荷短絡などによる素子の過熱防止とのバランスを調整することができる。

本発明の一実施形態において、集積回路１ａの端子３２にコンデンサＣ１を外部接続した場合のスイッチング電源回路全体の構成を示す回路ブロック図である。 本発明の一実施形態において、集積回路１ａの端子３２に抵抗Ｒ１を外部接続した場合のスイッチング電源回路全体の構成を示す回路ブロック図である。 本発明の一実施形態におけるスイッチング電源回路の動作を説明する図である。 スイッチング電源回路の他の構成例を示す回路ブロック図である。 過電流状態であると所定の回数判定した場合にスイッチング素子２をオフし続ける集積回路の構成例を示す回路ブロック図である。 端子３２に内部接続されるコンデンサＣ２を備えた集積回路の構成例を示す回路ブロック図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝スイッチング電源回路全体の構成＝＝＝
以下、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態におけるスイッチング電源回路全体の構成について説明する。

図１および図２に示されているスイッチング電源回路は、集積回路１ａ、スイッチング素子２、ダイオード３、コイル４、コンデンサ５、および抵抗６、７を含み、さらに、集積回路１ａに外部接続されるコンデンサＣ１または抵抗Ｒ１を含んで構成されている。なお、以下においては、一例として、スイッチング素子２がＮＭＯＳ（N-channel Metal-Oxide Semiconductor：Ｎチャネル金属酸化膜半導体）トランジスタである場合について説明する。また、図１および図２は、集積回路１ａにそれぞれコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１を外部接続した場合を示している。

集積回路１ａは、電圧調整回路１１、スイッチング制御回路１２、電流源２１、スイッチ回路２２、２８、電流検出回路２３、過電流検出回路２４、過電流判定回路２５、コンパレータ（比較器）２６、およびインバータ（反転回路）２７を含んで構成されている。また、集積回路１ａは、端子３１ないし３４を備えている。

電圧調整回路１１には、端子３１を介して入力電圧Ｖｉｎ（第１の直流電圧）が入力されている。また、電圧調整回路１１からは、定電圧Ｖｒｅｇおよび基準電圧Ｖｒｅｆが出力されている。そして、定電圧Ｖｒｅｇは、スイッチング制御回路１２および電流源２１に供給され、基準電圧Ｖｒｅｆは、コンパレータ２６に供給されている。

電流源２１からは、電流Ｉ５（所定の電流）が出力されている。また、端子３２には、一端がグランド電位（所定の電位）に接続されたコンデンサＣ１（第１のコンデンサ）または抵抗Ｒ１が外部接続される。そして、当該端子３２には、スイッチ回路２２を介して電流Ｉ５が供給される。なお、本実施形態では、電流源２１およびスイッチ回路２２が電流供給回路に相当する。

過電流検出回路２４には、電流検出回路２３から検出電流Ｉ４が入力されている。また、過電流検出回路２４から出力される過電流検出信号ＤＴは、スイッチング制御回路１２および過電流判定回路２５に入力されている。そして、過電流判定回路２５から出力される過電流判定信号ＯＣは、スイッチング制御回路１２およびインバータ２７に入力されるとともに、スイッチ回路２２の制御信号となっている。

コンパレータ２６の反転入力には、基準電圧Ｖｒｅｆが印加され、非反転入力は、端子３２に接続されている。また、コンパレータ２６から出力される再起動信号ＲＳＴは、スイッチング制御回路１２および過電流判定回路２５に入力されている。

スイッチ回路２８の一端は、端子３２に接続され、他端は、グランド電位に接続されている。また、インバータ２７の出力信号（過電流判定信号ＯＣの反転信号）は、スイッチ回路２８の制御信号となっている。

スイッチング制御回路１２からは、スイッチング信号ＳＷ１が出力されている。また、スイッチング素子２のドレインには、入力電圧Ｖｉｎが入力され、ゲートには、端子３３を介してスイッチング信号ＳＷ１が入力されている。さらに、ダイオード３のアノードは、グランド電位に接続され、カソードは、スイッチング素子２のソースに接続されている。

コイル４の一端は、スイッチング素子２とダイオード３との接続点に接続され、他端は、コンデンサ５の一端に接続されている。また、コンデンサ５の他端は、グランド電位に接続されている。そして、コイル４とコンデンサ５との接続点は、出力電圧Ｖｏｕｔ（第２の直流電圧）を出力する、当該スイッチング電源回路の出力ノードとなっている。

抵抗６および７は、直列に接続され、抵抗６の一端が出力ノードに接続され、抵抗７の一端がグランド電位に接続されている。また、抵抗６および７の接続点は、端子３４に接続され、当該接続点の電圧が帰還電圧Ｖｆｂとしてスイッチング制御回路１２に入力されている。

＝＝＝スイッチング電源回路の動作＝＝＝
以下、図３を参照して、本実施形態におけるスイッチング電源回路の動作について説明する。

まず、図１に示したように、集積回路１ａの端子３２にコンデンサＣ１を外部接続した場合の動作について説明する。
集積回路１ａの電圧調整回路１１は、入力電圧Ｖｉｎから定電圧Ｖｒｅｇを生成し、スイッチング制御回路１２および電流源２１に供給する。また、定電圧Ｖｒｅｇは、スイッチング制御回路１２において、電源電圧として用いられるほか、スイッチング素子２をオンするための電圧（ブートストラップ電圧）の生成などに用いられる。さらに、電圧調整回路１１は、定電圧Ｖｒｅｇから基準電圧Ｖｒｅｆを生成し、コンパレータ２６に供給する。

スイッチング素子２は、スイッチング制御回路１２から出力されるスイッチング信号ＳＷ１に応じて、入力電圧Ｖｉｎをスイッチングして交流電圧に変換する。そして、ダイオード３、コイル４、およびコンデンサ５は、整流平滑回路を構成し、当該交流電圧を整流および平滑化して、直流電圧である出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、コイル４に流れる電流Ｉ３は、スイッチング素子２がオンの間流れる電流Ｉ１と、スイッチング素子２がオフの間ダイオード３に流れる電流Ｉ２との和となる。

抵抗６および７は、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧し、帰還電圧Ｖｆｂを生成する。また、スイッチング制御回路１２は、出力電圧Ｖｏｕｔが所望の目標電圧となるよう、帰還電圧Ｖｆｂに基づいてデューティ比が制御されたＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号を生成する。そして、当該ＰＷＭ信号は、検出電流Ｉ４の電流値が後述する基準電流値Ｉｒｅｆに達しない通常時（図３の期間Ａ）におけるスイッチング素子２のスイッチング制御に用いられる。

なお、スイッチング素子２は、ＮＭＯＳトランジスタであるので、スイッチング信号ＳＷ１がハイ・レベルの間オンとなり、スイッチング信号ＳＷ１がロー・レベルの間オフとなる。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧より低い場合には、ＰＷＭ信号がハイ・レベル、すなわち、スイッチング素子２がオンとなる期間が長くなり、出力電圧Ｖｏｕｔが上昇する。一方、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧より高い場合には、スイッチング素子２がオンとなる期間が短くなり、出力電圧Ｖｏｕｔが低下する。

電流検出回路２３は、電流検出用の抵抗やカレントミラー回路などを用いて、スイッチング素子２に流れる電流Ｉ１を検出し、検出電流Ｉ４を出力する。また、過電流検出回路２４は、負荷短絡などによって検出電流Ｉ４の電流値が基準電流値Ｉｒｅｆ（所定の電流値）に達したことを検出し、過電流検出信号ＤＴを出力する。例えば、過電流検出回路２４は、コンパレータなどを用いて、Ｉ４＜Ｉｒｅｆの間ロー・レベルとなり、Ｉ４≧Ｉｒｅｆの間ハイ・レベルとなる過電流検出信号ＤＴを出力する。このような過電流検出信号ＤＴを出力する電流検出回路２３および過電流検出回路２４は、例えば特許文献１の図１１と同様の構成とすることもできる。

過電流検出信号ＤＴは、スイッチング制御回路１２に入力されており、スイッチング制御回路１２は、図３の期間Ｂに示すように、過電流検出信号ＤＴがハイ・レベルとなる度にスイッチング信号ＳＷ１をロー・レベルとする。また、スイッチング信号ＳＷ１がロー・レベルとなると、スイッチング素子２がオフとなり、スイッチング素子２に電流Ｉ１が流れなくなるため、過電流検出信号ＤＴは、再びロー・レベルとなる。したがって、スイッチング制御回路１２は、当該パルス状の過電流検出信号ＤＴに応じてスイッチング素子２をオフすることによって、過電流判定回路２５が過電流状態であると判定するまでの間の素子の過熱を抑制している。

さらに、過電流検出信号ＤＴは、過電流判定回路２５にも入力されており、過電流判定回路２５は、過電流検出信号ＤＴに基づいて、スイッチング素子２に所定以上の電流が流れる過電流状態であるか否かを判定する。例えば、過電流判定回路２５は、カウンタ回路などを用いて、パルス状の過電流検出信号ＤＴが所定の回数（例えば８回）入力された場合に、過電流状態であると判定し、過電流判定信号ＯＣをハイ・レベルとする。なお、過電流判定回路２５は、負荷短絡による帰還電圧Ｖｆｂの下降を検出するなど、他の方法を用いて、過電流状態であるか否かを判定してもよい。また、当該他の方法を組み合わせて用いてもよい。

過電流判定信号ＯＣは、スイッチング制御回路１２に入力されており、スイッチング制御回路１２は、図３の期間Ｃに示すように、過電流判定信号ＯＣがハイ・レベルの間、スイッチング信号ＳＷ１をロー・レベルに保持する。したがって、スイッチング素子２はオンされなくなり、コイル４に流れる電流Ｉ３は略０まで減少する。

さらに、過電流判定信号ＯＣがハイ・レベルとなると、スイッチ回路２２がオン、スイッチ回路２８がオフとなり、コンデンサＣ１には、電流源２１から電流Ｉ５が供給される。したがって、コンデンサＣ１は、電流Ｉ５によって充電され、端子３２の電圧Ｖ３２（コンデンサＣ１の両端電圧）を時間ｔで微分すると、
ｄＶ３２／ｄｔ＝Ｉ５／Ｃ１
となるため、電圧Ｖ３２は、図３の期間Ｃに示すように、一定の傾きで上昇する。

コンパレータ２６は、電圧Ｖ３２を基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、電圧Ｖ３２が基準電圧Ｖｒｅｆに達すると、再起動信号ＲＳＴはハイ・レベルとなる。また、再起動信号ＲＳＴがハイ・レベルとなると、過電流判定信号ＯＣは、再びロー・レベルとなる。さらに、過電流判定信号ＯＣがロー・レベルとなると、スイッチ回路２２がオフ、スイッチ回路２８がオンとなり、コンデンサＣ１が放電され、電圧Ｖ３２は、図３の期間Ｄに示すように、速やかに低下し、再起動信号ＲＳＴは、再びロー・レベルとなる。そして、スイッチング制御回路１２は、再びＰＷＭ信号に応じてスイッチング素子２のスイッチング制御を開始する。

このようにして、過電流判定信号ＯＣがハイ・レベルとなると、電圧Ｖ３２が基準電圧Ｖｒｅｆに達するまでの間、スイッチング素子２のスイッチング制御を休止する。ここで、スイッチング制御の休止期間（図３の期間Ｃ）は、電圧Ｖ３２が基準電圧Ｖｒｅｆまで上昇する傾きに応じて定まるため、外部接続するコンデンサＣ１の容量に応じて調整することができる。

一方、図２に示したように、集積回路１ａの端子３２に抵抗Ｒ１を外部接続した場合には、過電流判定信号ＯＣがハイ・レベルの間、抵抗Ｒ１に電流Ｉ５が供給され、端子３２の電圧Ｖ３２（抵抗Ｒ１の両端電圧）は、
Ｖ３２＝Ｉ５×Ｒ１
となる。したがって、Ｖｒｅｆ＞Ｉ５×Ｒ１となるように抵抗Ｒ１の抵抗値を設定することによって、電圧Ｖ３２が基準電圧Ｖｒｅｆに達することはなく、スイッチング制御回路１２が再びスイッチング素子２のスイッチング制御を開始することはない。

以上のように、本実施形態のスイッチング電源回路は、集積回路１ａの端子３２にコンデンサＣ１を外部接続するか抵抗Ｒ１を外部接続するかによって、過電流状態であると判定した場合の動作を選択することができる。すなわち、コンデンサＣ１を外部接続した場合には、コンデンサＣ１の容量に応じて定まる休止期間だけスイッチング素子２のスイッチング制御を休止し、抵抗Ｒ１を外部接続した場合には、ラッチオフ方式と同様に、スイッチング素子２をオフし続ける。したがって、集積回路１ａの端子３２を用いて、スイッチング電源回路の応答性と負荷短絡などによる素子の過熱防止とのバランスを調整することができる。

＝＝＝スイッチング電源回路の他の構成例＝＝＝
上記実施形態では、スイッチング電源回路は、ＮＭＯＳトランジスタであるハイサイドのスイッチング素子２のみを備えているが、これに限定されるものではない。例えば図４に示すように、ローサイドのスイッチング素子８をさらに備えた構成としてもよい。この場合、瞬間的に両方のスイッチング素子が同時にオンとなるのを防止するような構成とすることが望ましい。さらに、ハイサイドのスイッチング素子をＰＭＯＳ（P-channel MOS：Ｐチャネル金属酸化膜半導体）トランジスタとした場合には、ブートストラップ電圧を生成するための回路が不要となる一方、オン抵抗を小さくするため、トランジスタのサイズを大きくする必要がある。

＝＝＝集積回路の他の構成例＝＝＝
上記実施形態では、スイッチング制御回路１２は、過電流判定回路２５が過電流状態であると判定した後、電圧Ｖ３２が基準電圧Ｖｒｅｆに達すると、再びスイッチング素子２のスイッチング制御を開始しているが、これに限定されるものではない。例えば、過電流判定回路２５が過電流状態であると所定の回数（例えば１６回）判定した場合にスイッチング素子２をオフし続けることによって、継続的な負荷短絡時にさらなる素子の過熱防止を図ることができる。

このような動作は、過電流判定信号ＯＣがハイ・レベルとなった回数をカウントするカウンタ回路を設けることによって実現することができる。また、例えば図５に示すように、電圧Ｖ３２が基準電圧Ｖｒｅｆに達した回数をカウントし、所定の回数だけカウントした後には再起動信号ＲＳＴをロー・レベルに保持するカウンタ回路２９によっても実現することができる。

上記実施形態では、集積回路１ａの端子３２にコンデンサＣ１または抵抗Ｒ１を外部接続することによって、過電流状態であると判定した場合の動作を選択しているが、これに限定されるものではない。例えば、電流源２１とスイッチ回路２２との間、またはスイッチ回路２２と端子３２との間に抵抗を接続することによって、スイッチング素子２をオフし続ける場合には、端子３２を直接グランド電位（所定の電位）に接続する構成とすることができる。

また、集積回路は、例えば図６に示すように、端子３２に内部接続されるコンデンサＣ２（第２のコンデンサ）をさらに備えた構成としてもよい。この場合、端子３２に何も外部接続しないことによって、コンデンサＣ２の容量に応じて予め設定された休止期間だけスイッチング素子２のスイッチング制御を休止することができる。さらに、端子３２にコンデンサＣ１を外部接続することによって、スイッチング制御の休止期間を調整することができる。

前述したように、図１および図２に示したスイッチング電源回路において、過電流状態であると判定した場合には、集積回路１ａの端子３２に電流Ｉ５を供給し、端子３２の電圧Ｖ３２が基準電圧Ｖｒｅｆに達するまでの間スイッチング素子２のスイッチング制御を休止することによって、端子３２にコンデンサＣ１を外部接続した場合には、コンデンサＣ１の容量に応じて定まる休止期間だけスイッチング素子２のスイッチング制御を休止し、抵抗Ｒ１を外部接続した場合には、スイッチング素子２をオフし続けることができる。したがって、集積回路１ａの端子３２を用いて、スイッチング電源回路の応答性と負荷短絡などによる素子の過熱防止とのバランスを調整することができる。

また、過電流検出信号ＤＴが所定の回数入力された場合に過電流状態であると判定することによって、一時的な電流増大ではなく、継続的な負荷短絡などの発生を確実に判定することができる。

また、過電流状態であると判定しない場合には、ＰＷＭ信号に応じてスイッチング素子２をスイッチング制御するとともに、パルス状の過電流検出信号ＤＴが入力される度にスイッチング素子２をオフすることによって、過電流状態であると判定するまでの間の素子の過熱を抑制することができる。

また、図５に示したスイッチング電源回路において、過電流状態であると所定の回数判定した場合にスイッチング素子２をオフし続けることによって、継続的な負荷短絡時にさらなる素子の過熱防止を図ることができる。

また、図６に示したスイッチング電源回路において、集積回路１ｄの端子３２に内部接続されるコンデンサＣ２をさらに備えた構成とすることによって、端子３２に何も外部接続しない場合には、コンデンサＣ２の容量に応じて予め設定された休止期間だけスイッチング素子２のスイッチング制御を休止し、端子３２にコンデンサＣ１を外部接続した場合には、スイッチング制御の休止期間を調整することができる。

なお、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

１ａ〜１ｄ 集積回路
２、８ スイッチング素子
３ ダイオード
４ コイル
５ コンデンサ
６、７ 抵抗
１１ 電圧調整回路
１２ スイッチング制御回路
２１ 電流源
２２、２８ スイッチ回路
２３ 電流検出回路
２４ 過電流検出回路
２５ 過電流判定回路
２６ コンパレータ（比較器）
２７ インバータ（反転回路）
２９ カウンタ回路
３１〜３５ 端子
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｒ１ 抵抗

Claims (5)

1. 直接、または外部接続される抵抗もしくは第１のコンデンサを介して所定の電位に接続される端子と、
   第１の直流電圧をスイッチングするスイッチング素子に所定以上の電流が流れる過電流状態であるか否かを判定する過電流判定回路と、
   前記過電流判定回路が前記過電流状態であると判定した場合に、前記端子に所定の電流を供給する電流供給回路と、
   前記過電流判定回路が前記過電流状態であると判定しない場合には、前記スイッチング素子の出力電圧を整流および平滑化した第２の直流電圧に応じたデューティ比のパルス幅変調信号に応じて前記スイッチング素子をスイッチング制御し、前記過電流判定回路が前記過電流状態であると判定した場合には、前記端子の電圧が所定の基準電圧に達するまでの間前記スイッチング素子をオフするスイッチング制御回路と、
   を有し、
   直接または前記抵抗を介して前記所定の電位に接続され、前記所定の電流が供給される場合の前記端子の電圧は、前記所定の基準電圧未満であることを特徴とする集積回路。
2. 前記スイッチング素子に流れる電流値が所定の電流値に達したことを検出し、過電流検出信号を出力する過電流検出回路をさらに有し、
   前記過電流判定回路は、前記過電流検出信号が所定の回数入力された場合に、前記過電流状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
3. 前記スイッチング制御回路は、前記過電流判定回路が前記過電流状態であると判定しない場合には、前記パルス幅変調信号に応じて前記スイッチング素子をスイッチング制御するとともに、前記過電流検出信号に応じて前記スイッチング素子をオフすることを特徴とする請求項２に記載の集積回路。
4. 前記スイッチング制御回路は、前記過電流判定回路が前記過電流状態であると所定の回数判定した場合には、前記スイッチング素子をオフし続けることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の集積回路。
5. 前記端子に内部接続される第２のコンデンサをさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の集積回路。

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