[go: up one dir, main page]

JP2026010865A - 電源制御装置 - Google Patents

電源制御装置

Info

Publication number
JP2026010865A
JP2026010865A JP2024110947A JP2024110947A JP2026010865A JP 2026010865 A JP2026010865 A JP 2026010865A JP 2024110947 A JP2024110947 A JP 2024110947A JP 2024110947 A JP2024110947 A JP 2024110947A JP 2026010865 A JP2026010865 A JP 2026010865A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
circuit
switching control
low
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2024110947A
Other languages
English (en)
Inventor
瞬 福島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rohm Co Ltd
Original Assignee
Rohm Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rohm Co Ltd filed Critical Rohm Co Ltd
Priority to JP2024110947A priority Critical patent/JP2026010865A/ja
Publication of JP2026010865A publication Critical patent/JP2026010865A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

【課題】ブートコンデンサの充電の過不足を検出するモニタ回路の小型化等を図る。
【解決手段】ハイサイド及びローサイドトランジスタのオン/オフ制御を通じ、それらの接続ノードに生じたスイッチ電圧(Vsw)をコイル及び出力コンデンサを用いて整流及び平滑化することで、入力電圧(Vin)から出力電圧(Vout)を得る。ハイサイド及びローサイドトランジスタ間の接続ノードに対してブートコンデンサを介して接続されるブート端子にブート電圧(Vboot)が加わる。モニタ回路(17)は、スイッチ電圧から見たブート電圧の高さを監視対象電圧とし、ローサイドトランジスタのオン期間においてのみ監視対象電圧を観測する。
【選択図】図1

Description

本開示は、電源制御装置に関する。
ハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタを直列接続して構成される出力段回路と、ハイサイドトランジスタのゲートを駆動するハイサイドドライバと、ローサイドトランジスタのゲートを駆動するローサイドドライバとを有するスイッチング電源装置において、ハイサイドドライバの高電位側の電源電圧を生成するためにブートストラップ回路とも称される得る昇圧回路が利用される(例えば下記特許文献1参照)。
特開2020-123643号公報
[概要]
この種の昇圧回路に関わる電源制御装置の構成に関して改善の余地がある。
本開示の一態様に係る電源制御装置は、直流/直流変換によって入力電圧から出力電圧を生成するよう構成されたスイッチング電源装置に設けられる電源制御装置であって、前記入力電圧の印加端とスイッチ端子との間に設けられたハイサイドトランジスタ及び前記スイッチ端子と前記入力電圧より低いグランド電位を持つグランド端子との間に設けられたローサイドトランジスタを有する出力段回路が前記スイッチング電源装置に設けられ、前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン/オフ制御を通じて前記スイッチ端子に生じたスイッチ電圧が整流及び平滑化されることで前記出力電圧が生成され、当該電流制御装置は、前記ハイサイドトランジスタのゲートを駆動するよう構成されたハイサイドドライバと、前記ローサイドトランジスタのゲートを駆動するよう構成されたローサイドドライバと、前記出力電圧に応じた帰還電圧に基づき前記ローサイドドライバ及び前記ハイサイドドライバを用いて前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン/オフ状態を制御するよう構成されたスイッチング制御回路と、前記スイッチ端子に対しブートコンデンサを介して接続され、前記ハイサイドドライバでの高電位側の電源電圧として機能するブート電圧が加わるよう構成されたブート端子と、前記ローサイドトランジスタのオン期間において前記スイッチ端子を低電位側にして前記ブートコンデンサに充電電流を供給するよう構成された整流素子と、前記スイッチ電圧から見た前記ブート電圧の高さを監視対象電圧として監視するよう構成されたモニタ回路と、を備え、前記モニタ回路は、前記ローサイドトランジスタのオン期間のみにおいて前記監視対象電圧を観測し、前記スイッチング制御回路は、前記監視対象電圧が閾電圧を達したことを示す低電圧解除信号が前記モニタ回路から供給されるまで前記ハイサイドトランジスタをオフに維持する。
図1は、本開示の第1実施形態に係るスイッチング電源装置の全体構成図である。 図2は、本開示の第1実施形態に係り、電源制御装置内における幾つかの信号の関係を示す図である。 図3は、本開示の第1実施形態に係り、監視対象電圧と保護信号との関係を示す図である。 図4は、本開示の第1実施形態に係り、通常モードとスリープモードの説明図である。 図5は、本開示の第1実施形態に係り、PWM回路の内部構成例を示す図である。 図6は、本開示の第1実施形態に係り、パルス幅変調方式にて制御信号が生成される様子を示す図である。 図7は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_1に係り、スイッチング制御が開始される近辺のタイミングチャートである。 図8は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_1に係り、スイッチング制御が開始される近辺の他のタイミングチャートである。 図9は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_2に係り、逆流検出回路の構成図である。 図10は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_2に係り、逆流検出回路の電流閾値が可変設定される様子を示す図である。 図11は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_2に係り、スイッチング制御が開始される近辺のタイミングチャートである。 図12は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_3に係り、ロジック回路の状態遷移図である。 図13は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_4に係り、ロジック回路の状態遷移図である。 図14は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_4に係り、スイッチング制御の再開に関わる動作シーケンス図である(スイッチング制御の再開前においてブートコンデンサの充電制御が行われるケース)。 図15は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_4に係り、スイッチング制御の再開に関わる動作シーケンス図である(スイッチング制御の再開前においてブートコンデンサの充電制御が行われないケース)。 図16は、本開示の第1実施形態に属する実施例EX1_5に係り、スイッチング電源装置の全体構成図である。 図17は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_1に係り、モニタ回路の構成を示す図である。 図18は、図17のレベルシフタの構成図である。 図19は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_2に係り、モニタ回路の構成を示す図である。 図20は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_3に係り、モニタ回路の構成を示す図である。 図21は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_3に係り、コンパレータから出力される検出信号と、保護信号と、の関係を示す図である。 図22は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_3に係り、スイッチング制御が開始される近辺のタイミングチャートである。 図23は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_3に係り、スイッチング制御が開始される近辺の他のタイミングチャートである。 図24は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_3に係り、スイッチング制御が開始される近辺の更に他のタイミングチャートである。 図25は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_4に係り、モニタ回路の構成を示す図である。 図26は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_4に係り、スイッチング制御の再開に関わる動作シーケンス図である(スイッチング制御の再開前においてブートコンデンサの充電制御が行われるケース)。 図27は、本開示の第2実施形態に属する実施例EX2_4に係り、スイッチング制御の再開に関わる動作シーケンス図である(スイッチング制御の再開前においてブートコンデンサの充電制御が行われないケース)。
[詳細な説明]
以下、本開示の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。尚、本明細書では、記述の簡略化上、情報、信号、物理量、機能部、回路、素子又は部品等を参照する記号又は符号を記すことによって、該記号又は符号に対応する情報、信号、物理量、機能部、回路、素子又は部品等の名称を省略又は略記することがある。例えば、後述の“Vboot”によって参照されるブート電圧は(図1参照)、ブート電圧Vbootと表記されることもあるし、電圧Vbootと略記されることもあり得るが、それらは全て同じものを指す。
まず、本開示の実施形態の記述にて用いられる幾つかの用語について説明を設ける。グランドとは、基準となる0V(ゼロボルト)の電位(electric potential)を有する基準導電部(reference conductor)を指す又は0Vの電位そのものを指す。基準導電部は金属等の導体を用いて形成されて良い。0Vの電位をグランド電位と称することもある。本開示の実施形態において、特に基準を設けずに示される電圧はグランドから見た電位を表す。
レベルとは電位のレベル(高さ)を指し、任意の注目した信号又は電圧についてハイレベルはローレベルよりも高い電位を有する。任意の注目した信号について、注目した信号がハイレベルを有するとき、注目した信号の反転信号はローレベルを有し、注目した信号がローレベルを有するとき、注目した信号の反転信号はハイレベルを有する。任意の注目した信号又は電圧において、ローレベルからハイレベルへの切り替わりをライズエッジと称することがあり、ハイレベルからローレベルへの切り替わりをフォールエッジと称することがある。
MOSFETに例示されるFET(電界効果トランジスタ)として構成された任意のトランジスタについて、オン状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が導通している状態を指し、オフ状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が非導通となっている状態(遮断状態)を指す。FETに分類されないトランジスタについても同様である。MOSFETは、特に記述無き限り、エンハンスメント型のMOSFETであると解される。MOSFETは“metal-oxide-semiconductor field-effect transistor”の略称である。また、特に記述なき限り、任意のMOSFETにおいて、バックゲートはソースに短絡されていると考えて良い。以下、任意のトランジスタについて、オン状態、オフ状態を、単に、オン、オフと表現することもある。また任意のトランジスタについて、トランジスタがオン状態とされる期間をオン期間と称し、トランジスタがオフ状態とされる期間をオフ期間と称する。
ハイレベル又はローレベルの信号レベルを持つ任意の信号について、当該信号のレベルがハイレベルとされる期間をハイレベル期間と称し、当該信号のレベルがローレベルとされる期間をローレベル期間と称する。ハイレベル又はローレベルの電圧レベルを持つ任意の電圧についても同様である。
任意の回路素子、配線、ノードなど、回路を形成する複数の部位間についての接続とは、特に記述なき限り、電気的な接続を指すと解して良い。
対比されるべき任意の2つの電圧が電圧v1及びv2であるとした場合、“v1>v2”は電圧v1が電圧v2よりも高いことを表し、“v1<v2”は電圧v1が電圧v2よりも低いことを表し、“v1=v2”は電圧v1の値が電圧v2の値と同じであることを表す。電圧以外の物理量を含む他の式についても同様である。
<<第1実施形態>>
本開示の第1実施形態を説明する。図1は第1実施形態に係るスイッチング電源装置1の全体構成図である。スイッチング電源装置1は、スイッチング電源装置1の動作を制御する電源制御装置10と、電源制御装置10の外部に設けられるディスクリート部品群と、を備える。ディスクリート部品群には、コイルL1と、出力コンデンサCoutと、ブートコンデンサCbootと、帰還抵抗R1及びR2と、が含まれる。スイッチング電源装置1は、外部から供給される入力電圧Vinより所望の出力電圧Voutを生成する降圧型のスイッチング電源装置(DC/DCコンバータ)として構成される。出力端子OUTに出力電圧Voutが生じる。即ち、出力端子OUTは出力電圧Voutの印加端(出力電圧Voutが加わる端子)である。出力電圧Voutは出力端子OUTに接続された負荷LDに供給される。
過渡状態を除き、入力電圧Vin及び出力電圧Voutは正の直流電圧であって、出力電圧Voutは入力電圧Vinよりも低い。例えば入力電圧Vinが12Vであるとき、帰還抵抗R1及びR2の抵抗値を調整することで12V未満の所望の目標電圧Vtg(例えば3.3Vや5V)にて出力電圧Voutを安定化させることができる。尚、出力端子OUTを介して負荷LDに供給される電流を負荷電流Ioutと称する。負荷電流Ioutはスイッチング電源装置1の出力電流に相当する。
電源制御装置10は、半導体基板上に形成された半導体集積回路を有する半導体チップと、半導体チップを収容する筐体(パッケージ)と、筐体から電源制御装置10の外部に対して露出する複数の外部端子と、を備えた電子部品である。半導体チップを樹脂にて構成された筐体(パッケージ)内に封入することで電源制御装置10が形成される。電源制御装置10に設けられる各回路及び各素子を半導体チップに含めることができる。図1には、電源制御装置10に設けられる複数の外部端子の一部として、入力端子IN、スイッチ端子SW、グランド端子GND、帰還端子FB及びブート端子BOOTのみが示されているが、他の外部端子(パワーグッド端子及びイネーブル端子など)も電源制御装置10に設けられ得る。電源制御装置10の外部端子の数及び筐体の種類は任意である。
電源制御装置10の外部構成について説明する。電源制御装置10の外部より入力電圧Vinが入力端子INに供給される。スイッチ端子SWと出力端子OUTとの間にコイルL1が直列に介在する。即ち、コイルL1の第1端はスイッチ端子SWに接続され、コイルL1の第2端は出力端子OUTに接続される。出力端子OUTは出力コンデンサCoutを介してグランドに接続される。即ち、出力コンデンサCoutの第1端は出力端子OUTに接続され、出力コンデンサCoutの第2端はグランドに接続される。また出力端子OUTは帰還抵抗R1の第1端に接続され、帰還抵抗R1の第2端は帰還抵抗R2の第1端に接続され、帰還抵抗R2の第2端はグランドに接続される。帰還抵抗R1及びR2間の接続ノードが帰還端子FBに接続される。負荷LDは第1端及び第2端は夫々出力端子OUT及びグランドに接続される。負荷LDは出力電圧Voutに基づいて駆動する任意の負荷である。グランド端子GNDはグランドに接続される。ブートコンデンサCbootの第1端はブート端子BOOTに接続され、ブートコンデンサCbootの第2端はスイッチ端子SWに接続される。尚、コイルL1に流れる電流をコイル電流ILと称する。スイッチ端子SWからコイルL1を介して出力端子OUTに向かう向きに流れるコイル電流ILは正の極性を有し、出力端子OUTからコイルL1を介してスイッチ端子SWに向かう向きに流れるコイル電流ILは負の極性を有する。
電源制御装置10の内部構成について説明する。電源制御装置10は、出力段回路MMと、出力段回路MMを制御及び駆動するための制御駆動ブロックと、を備える。電源制御装置10における制御駆動ブロックは、PWM回路12及びロジック回路13を有するスイッチング制御回路11と、ハイサイドドライバ14と、ローサイドドライバ15と、逆流検出回路16と、モニタ回路17と、軽負荷検出コンパレータ18と、スイッチング管理回路19と、ダイオードDbootと、を備える。
出力段回路MMは、ハイサイドトランジスタであるトランジスタMHとローサイドトランジスタであるトランジスタMLとを備える。トランジスタMH及びMLはNチャネル型のMOSFETにより構成される。トランジスタMH及びMLは、入力端子INとグランド端子GND(換言すればグランド)との間に直列接続された一対のスイッチング素子であり、それらの内、トランジスタMHは出力トランジスタとして機能し、トランジスタMLは同期整流トランジスタとして機能する。トランジスタMHはトランジスタMLよりも高電位側に設けられる。具体的には、トランジスタMHのドレインは入力電圧Vinの印加端である入力端子INに接続されて、入力電圧Vinの供給を受ける。トランジスタMHのソース及びトランジスタMLのドレインはスイッチ端子SWに共通接続される。トランジスタMLのソースはグランド端子GNDに接続される(従ってグランドに接続される)。但し、トランジスタMLのソースとグランド端子GNDとの間に電流検出用の抵抗が挿入される場合もある。
スイッチング制御回路11はドライバ14及び15を用いて出力段回路MMのスイッチング制御を行う。出力段回路MMのスイッチング制御では、トランジスタMH及びMLが交互にオン、オフとなるようにトランジスタMH及びMLがスイッチングされる。出力段回路MMのスイッチング制御によりスイッチ端子SWに矩形波状のスイッチ電圧Vswが現れる。コイルL1及び出力コンデンサCoutは、スイッチ端子SWに現れる矩形波状のスイッチ電圧Vswを整流及び平滑化して出力電圧Voutを生成する整流平滑回路を構成する。帰還抵抗R1及びR2は出力電圧Voutを分圧することで出力電圧Voutに応じた帰還電圧Vfbを生成する帰還電圧生成回路を構成する。帰還電圧Vfbは出力電圧Voutに比例し、出力電圧Voutの上昇、低下に伴って帰還電圧Vfbも上昇、低下する。帰還電圧Vfbは帰還端子FBに入力される。
出力電圧Voutそのものを帰還電圧Vfbとして用いる変形を行っても良い。何れにせよ、帰還電圧Vfbは出力電圧Voutに応じた電圧である。また帰還電圧生成回路(R1、R2)は電源制御装置10内に設けられていても良く、この場合、帰還端子FBは出力端子OUTに接続される。
尚、特に図示しないが、入力電圧Vinに基づき1以上の内部電源電圧を生成する内部電源回路が電源制御装置10に設けられている。電源制御装置10内の各回路は内部電源電圧又は入力電圧Vinを駆動電圧として用いて駆動できる。1以上の内部電源電圧の中に所定の正の直流電圧値を持つ電源電圧VDDが含まれる。スイッチング制御回路11はグランド電位を基準に電源電圧VDDに基づいて駆動する。但し、電源制御装置10の外部電圧源から電源制御装置10に対して電源電圧VDDが供給される場合があっても良い。
トランジスタMH、MLのゲートには、駆動信号として夫々ゲート信号GH、GLが供給され、トランジスタMH及びMLはゲート信号GH及びGLに応じてオン、オフされる。ゲート信号GHのハイレベル期間においてトランジスタMHはオン状態となり、ゲート信号GHのローレベル期間においてトランジスタMHはオフ状態となる。同様に、ゲート信号GLのハイレベル期間においてトランジスタMLはオン状態となり、ゲート信号GLのローレベル期間においてトランジスタMLはオフ状態となる。
基本的には、トランジスタMH及びMLが交互にオン、オフされるが、トランジスタMH及びMLが共にオフ状態に維持されることもある。即ち、出力段回路MMの状態は、出力ハイ状態、出力ロー状態及び両オフ状態(Hi-Z状態)の何れかとなる。出力ハイ状態では、トランジスタMHがオン状態であって且つトランジスタMLがオフ状態である。出力ロー状態では、トランジスタMHがオフ状態であって且つトランジスタMLがオン状態である。両オフ状態では、トランジスタMH及びMLが共にオフ状態である。トランジスタMH及びMLが同時にオン状態とされることは無い。スイッチング制御回路11によるスイッチング制御において、トランジスタMH及びMLを交互にオン、オフするとは、出力ロー状態及び出力ハイ状態間の遷移の間に、デッドタイム等を考慮した両オフ状態が介在することを含む概念である。尚、トランジスタMH及びMLの内、少なくとも一方は電源制御装置10の外部に設けられていても良い。出力段回路MMの全体が電源制御装置10の外部に設けられることもある。
スイッチング制御回路11は帰還端子FBに接続されて帰還電圧Vfbを受ける。スイッチング制御回路11は、ドライバ14及び15と協働して、帰還電圧Vfbに基づきゲート信号GH及びGLのレベル制御を通じトランジスタMH及びMLの夫々のオン/オフ状態を制御し、これによって出力端子OUTに所望の出力電圧Voutを発生させる。スイッチング制御回路11は帰還電圧Vfbが基準電圧Vref1と一致するように、パルス幅変調方式にて出力段回路MMの出力デューティを調整する。“Vfb=Vref1”が成立するとき、出力電圧Voutの値は目標電圧Vtgの値と一致する。出力デューティとは、出力段回路MMが出力ハイ状態となる期間と出力段回路MMが出力ロー状態となる期間との和に対する、出力段回路MMが出力ハイ状態となる期間の比を表す。基準電圧Vref1は所定の正の直流電圧値を持つ。電源制御装置10には入力電圧Vin又は電源電圧VDDに基づき1以上の基準電圧を生成する基準電圧生成回路(不図示)が設けられる。基準電圧Vref1及び後述の任意の基準電圧は基準電圧生成回路にて生成される。
スイッチング制御回路11にはPWM回路12及びロジック回路13が設けられる。PWM回路12に対して帰還電圧Vfb及び基準電圧Vref1が入力される。PWM回路12は帰還電圧Vfbが基準電圧Vref1と一致するように(換言すれば、帰還電圧Vfb及び基準電圧Vref1間の誤差がゼロに向かうように)、パルス幅変調信号である制御信号Spwmを生成してロジック回路13に出力する。スイッチング制御回路11にてスイッチング制御が行われる期間において、ロジック回路13は制御信号Spwmに応じた駆動指示信号INH及びINLを出力する。ロジック回路13からの駆動指示信号INHはハイサイドドライバ14に供給される。ロジック回路13からの駆動指示信号INLはローサイドドライバ15に供給される。
ハイサイドドライバ14はブート配線W_bootとトランジスタMHのゲート及びソースに接続される。ブート配線W_bootはブート端子BOOTに接続される。ブート配線W_boot及びブート端子BOOTに加わる電圧をブート電圧Vbootと称する。ハイサイドドライバ14は、トランジスタMHのソース電位を基準に(従ってスイッチ電圧Vswの電位を基準に)ハイレベル又はローレベルのゲート信号GHをトランジスタMHのゲートに供給することでトランジスタMHのゲートを駆動し、これによってトランジスタMHの状態をオン又はオフに設定する。ブート電圧Vboot、スイッチ電圧Vswは、夫々、ハイサイドドライバ14における高電位側の電源電圧、低電位側の電源電圧として機能する。ローサイドドライバ15は電源電圧VDDの印加端とトランジスタMLのゲート及びソースに接続される。ローサイドドライバ15は、トランジスタMLのソース電位(従ってグランド電位を基準に)を基準にハイレベル又はローレベルのゲート信号GLをトランジスタMLのゲートに供給することでトランジスタMLのゲートを駆動し、これによってトランジスタMLの状態をオン又はオフに設定する。
図2に信号Spwm、INH、INL、GH及びGLの関係を示す。信号Spwm、INH及びINLは、ハイレベル又はローレベルの何れかのレベルを持つ二値信号である。信号Spwm、INH及びINLにおいて、ハイレベルは電源電圧VDDの電位を持ち、ローレベルはグランド電位を持つ。ゲート信号GH及びGLの夫々もハイレベル又はローレベルを有する。ゲート信号GHのハイレベルはブート電圧Vbootの電位を有し、ゲート信号GHのローレベルはスイッチ電圧Vswの電位を有する。ゲート信号GLのハイレベルは電源電圧VDDの電位を有し、ゲート信号GLのローレベルはグランド電位を有する。
スイッチング制御回路11にてスイッチング制御が行われるとき、ロジック回路13は、制御信号Spwmのハイレベル期間にて駆動指示信号INHをハイレベルに設定する一方で駆動指示信号INLをローレベルに設定し、制御信号Spwmのローレベル期間にて駆動指示信号INHをローレベルに設定する一方で駆動指示信号INLをハイレベルに設定する。ハイサイドドライバ14は、駆動指示信号INHのハイレベル期間においてハイレベルのゲート信号GHをトランジスタMHのゲートに供給することでトランジスタMHをオン状態に設定し、駆動指示信号INHのローレベル期間においてローレベルのゲート信号GHをトランジスタMHのゲートに供給することでトランジスタMHをオフ状態に設定する。ローサイドドライバ15は、駆動指示信号INLのハイレベル期間においてハイレベルのゲート信号GLをトランジスタMLのゲートに供給することでトランジスタMLをオン状態に設定し、駆動指示信号INLのローレベル期間においてローレベルのゲート信号GLをトランジスタMLのゲートに供給することでトランジスタMLをオフ状態に設定する。
尚、実際には、出力段回路MMの状態を出力ロー状態から出力ハイ状態に遷移させる際に、微小なデッドタイムだけ両オフ状態を経てから出力ハイ状態に遷移するよう、ロジック回路13にて駆動指示信号INH及びINLのレベル変化タイミングが調整される。出力段回路MMの状態を出力ハイ状態から出力ロー状態に遷移させる際も同様であるが、説明の便宜上及び簡略化上、ここでは、デッドタイムの存在を無視する。また厳密には、駆動指示信号INHがローレベルからハイレベルに切り替わった後、ハイサイドドライバ14の駆動能力及びトランジスタGHの入力容量等に応じた時間をかけてゲート信号GHがローレベルからハイレベルに切り替わるが、ここでは、説明の簡略化上、そのような時間の存在をゼロとみなして無視する。ゲート信号GHのハイレベルからローレベルへの切り替わりも同様であり、ゲート信号GLにおけるハイレベル及びローレベル間の切り替わりも同様である。
逆流検出回路16(図1参照)は、トランジスタMLのオン期間中に逆流電流の有無を検出して、その検出結果を示す逆流検出信号Srvsを生成する。逆流検出信号Srvsはロジック回路13に供給される。逆流電流とは、出力端子OUTからコイルL1、スイッチ端子SW及びトランジスタMLを介してグランドに流れ込む電流であり、負のコイル電流ILに相当する。スイッチング制御の実行期間において、ロジック回路13は、逆流電流が検知されたときにトランジスタMLをオンからオフに切り替えて逆流電流を遮断することで軽負荷時の効率を向上させることができる。
モニタ回路17は、スイッチ電圧Vswから見たブート電圧Vbootの高さを監視し、その監視結果を示す保護信号S_UVLOを出力する。保護信号S_UVLOはブート電圧Vbootに関わる低電圧保護信号である。モニタ回路17からの保護信号S_UVLOはロジック回路13に入力される。以下では、スイッチ電圧Vswから見たブート電圧Vbootの高さを監視対象電圧Vmntと称する。故に“Vmnt=Vboot-Vsw”である。
図3に監視対象電圧Vmntと保護信号S_UVLOとの関係を示す。保護信号S_UVLOはハイレベル又はローレベルを持つ二値信号である。ハイレベルの保護信号S_UVLOは電源電圧VDDの電位を持ち、ローレベルの保護信号S_UVLOはグランド電位を持つ。モニタ回路17において、各々に正の電圧値を持つ閾電圧Vth_UVLO及びヒステリシス幅ΔHYSが予め設定される。モニタ回路17は監視対象電圧Vmntを閾電圧Vth_UVLOと比較する機能を持つ。モニタ回路17は、“Vmnt<Vth_UVLO-ΔHYS”の成立期間においてハイレベルの保護信号S_UVLOを出力する。電圧(Vth_UVLO-ΔHYS)は、閾電圧Vth_UVLOよりヒステリシス幅ΔHYSだけ低い電圧を指す。保護信号S_UVLOがハイレベルを有する状態を起点に監視対象電圧Vmntが増大することで、“Vmnt<Vth_UVLO”の成立状態から“Vth_UVLO<Vmnt”又は“Vth_UVLO≦Vmnt”の成立状態に切り替わると、モニタ回路17は保護信号S_UVLOのレベルをハイレベルからローレベルに切り替える。保護信号S_UVLOがローレベルを有する状態を起点に監視対象電圧Vmntが低下することで、“Vth_UVLO-ΔHYS<Vmnt”の成立状態から“Vmnt<Vth_UVLO-ΔHYS”又は“Vmnt≦Vth_UVLO-ΔHYS”の成立状態に切り替わると、モニタ回路17は保護信号S_UVLOのレベルをローレベルからハイレベルに切り替える。このように、モニタ回路17にヒステリシス特性を設けることが望ましいが、ヒステリシス幅ΔHYSをゼロとすることも可能である。ロジック回路13は、保護信号S_UVLOがローレベルを有する期間のみにおいてスイッチング制御を行うよう構成され、保護信号S_UVLOのハイレベル期間においてスイッチング制御を禁止する。
軽負荷検出コンパレータ18(図1参照)は軽負荷状態を検出するための比較器である。軽負荷状態とは、負荷電流Ioutが比較的小さい状態に相当する。軽負荷検出コンパレータ18は、自身の非反転入力端子に入力される帰還電圧Vfbと自身の反転入力端子に入力される基準電圧Vref2とを比較して、その比較結果を示すスリープ信号SLPを出力する。この比較においてはヒステリシスが設定されている。帰還電圧Vfbが基準電圧Vref2よりも低くスリープ信号SLPがローレベルである状態を起点として、コンパレータ18は、帰還電圧Vfbが基準電圧Vref2よりも高くなるとハイレベルのスリープ信号SLPを出力し、その後、帰還電圧Vfbが電圧(Vref2-ΔHYS2)よりも低くなるとスリープ信号SLPのレベルをハイレベルからローレベルに切り替える。電圧(Vref2-ΔHYS2)は基準電圧Vref2よりも正のヒステリシス電圧ΔHYS2だけ低い電圧である。
基準電圧Vref1と比べて電圧(Vref2-ΔHYS2)の方が高くて良い。そうすると、帰還電圧Vfbが基準電圧Vref1と一致しているときに出力電圧Voutが所定の目標電圧Vtgにて安定化されるのであるから、出力電圧Voutが目標電圧Vtgを相応に超えているときに限り、スリープ信号SLPがハイレベルとなる。但し、基準電圧Vref1と電圧(Vref2-ΔHYS2)とが一致していても良い。
スリープ信号SLPはロジック回路13に与えられる。ロジック回路13は、後述の指令信号SW_ENがハイレベルを有するとの前提の下、スリープ信号SLPに基づき自身を含むスイッチング制御回路11の動作モード(以下単に動作モードと称する)を通常モード又はスリープモードに設定できる。図4に、出力電圧Vout、帰還電圧Vfb、スリープ信号SLP、スイッチング制御及び動作モードの関係の例を示す。出力電圧Voutが所定電圧Vth_SLPと一致するときに帰還電圧Vfbが基準電圧Vref2と一致し、且つ、出力電圧Voutが電圧(Vth_SLP-ΔHYS3)と一致するときに帰還電圧Vfbが電圧(Vref2-ΔHYS2)と一致するものとする。ヒステリシス幅ΔHYS2及びΔHYS3は共に正の所定電圧値を持つ。電圧(Vth_SLP-ΔHYS3)は所定電圧Vth_SLPよりヒステリシス幅ΔHYS3だけ低い電圧を表す。ここで “Vtg<Vth_SLP-ΔHYS3<Vth_SLP”である。但し、“Vth_SLP-ΔHYS3=Vtg”であり得る。
電源制御装置10の起動を経て出力電圧Voutが目標電圧Vtgに達した後、負荷電流Ioutが十分に大きい状態を起点に動作モードの切り替えを説明する。負荷電流Ioutが相応に大きく、出力電圧Voutが目標電圧Vtgにて安定化している安定化状態ではスリープ信号SLPがローレベルにある。後述の指令信号SW_ENがハイレベルを有するとの前提の下、安定化状態においてローレベルのスリープ信号SLPに基づきロジック回路13は動作モードを通常モードに設定する。通常モードでは信号Spwmに基づき上述のスイッチング制御が実行される。
安定化状態から軽負荷状態に移行した後、ローレベルのスリープ信号SLPに基づきスイッチング制御が継続されると、出力電圧Voutが目標電圧Vtgを超えて上昇して所定電圧Vth_SLPに達することで、スリープ信号SLPにライズエッジが生じる。ロジック回路13は、スリープ信号SLPのライズエッジを契機に動作モードを通常モードからスリープモードに切り替える。スリープモードにおいて、ロジック回路13は、スイッチング制御を停止させるスリープ制御(スイッチング停止制御)を行う。スリープモードにおけるスイッチング制御の停止では、制御信号Spwmに依らず、ゲート信号GH及びGLの双方をローレベルに維持することでトランジスタMH及びMLの双方をオフ状態に維持する。
その後、出力電圧Voutが電圧(Vth_SLP-ΔHYS3)を下回るまで低下するとスリープ信号SLPにフォールエッジが生じる。後述の指令信号SW_ENがハイレベルを有するとの前提の下、ロジック回路13は、スリープ信号SLPのフォールエッジを契機に動作モードをスリープモードから通常モードに切り替える。この際、軽負荷状態が維持されているならば、通常モードへの切り替えに伴ってスイッチング制御が再開されるものの、短時間で出力電圧Voutが所定電圧Vth_SLPに達することになる。結果、軽負荷状態が維持されている間は、スイッチング制御の停止及び再開が繰り返されて出力電圧Voutが概ね電圧Vth_SLP及び電圧(Vth_SLP-ΔHYS3)間を往復することになる。このような制御により、軽負荷時にスイッチング制御が間欠的に実行されることになりスイッチングロスの低減を通じて効率の向上が図られる。尚、ロジック回路13はスリープモードにおいてスイッチング制御回路11内の幾つかの回路の動作を停止させることで消費電力の削減を図って良い。
スイッチング管理回路19(図1参照)は、スイッチング制御の実行又は停止を指令する指令信号SW_ENをスイッチング制御回路11に供給する。指令信号SW_ENは、スリープ信号SLPと同様、ハイレベル又はローレベルを有する二値信号である。ハイレベルの指令信号SW_ENはスイッチング制御の実行を指令する実行指令信号として機能し、ローレベルの指令信号SW_ENはスイッチング制御の停止を指令する停止指令信号として機能する。スイッチング管理回路19はスリープ信号SLPに基づいて指令信号SW_ENを生成して良く、この場合、スリープ信号SLPの反転信号が指令信号SW_ENであって良い。或いは、電源制御装置10の外部から電源制御装置10に供給されたイネーブル信号に基づき指令信号SW_ENのレベルが決定されても良い。当該イネーブル信号は電源制御装置10の外部端子に含まれるイネーブル端子への入力信号であっても良い。スリープ信号SLPと上記イネーブル信号の組み合わせから指令信号SW_ENのレベルが決定されても良い。更に或いは、電源制御装置10の外部装置から電源制御装置10に供給されるコマンド信号に基づき指令信号SW_ENのレベルが決定されても良い。
指令信号SW_ENのローレベル期間においてロジック回路13は出力段回路MMを両オフ状態に維持する。ロジック回路13は指令信号SW_ENのハイレベル期間においてのみ出力段回路MMのスイッチング制御を行い得る。即ち指令信号SW_ENがハイレベルを有し且つスリープ信号SLPがローレベルを有する期間において、PWM回路12はPWM周波数を有する制御信号Spwmを生成及び出力し、当該制御信号Spwmを受けてロジック回路13は出力段回路MMのスイッチング制御を行う。指令信号SW_ENがハイレベルを有していてもスリープ信号SLPがハイレベルを有する期間では、図4を参照して説明したように、スイッチング制御が停止されて出力段回路MMは両オフ状態に保たれる。尚、指令信号SW_ENのローレベル期間においてPWM回路12は制御信号Spwmをローレベルに維持するものとする。
以下、第1実施形態及び後述の他の実施形態において、特に記述なき限り、スリープ信号SLPはローレベルを有するものとする。
ダイオードDbootのアノードは電源電圧VDDの印加端に接続されて電源電圧VDDの供給を受ける。ダイオードDbootのカソードはブート配線W_bootに接続される。このため、トランジスタMLのオン期間においてダイオードDbootが導通し、電源電圧VDDの印加端からダイオードDboot及びブート端子BOOTを通じてブートコンデンサCbootに充電電流が供給される。トランジスタMLのオフ期間においてダイオードDbootは非導通である。ブートコンデンサCbootへの充電電流の供給によりブートコンデンサCbootの両端間電圧は増大する。但し、ブートコンデンサCbootの両端間電圧の上限は電圧(VDD-Vf)である。VfはダイオードDbootの順方向電圧を表す。ブートコンデンサCboot及びダイオードDbootを含んで構成されるブートストラップ回路の設置により、スイッチング制御が継続実行されている期間では、電圧(Vboot-Vsw)の大きさは概ね電圧(VDD-Vf)の大きさ程度に保たれる。電圧(VDD-Vf)はトランジスタMHのゲート閾値電圧よりも十分に大きいため、トランジスタMHを適正に駆動できる。
ダイオードDbootは、トランジスタMLのオン期間において導通しスイッチ端SWを低電位側にしてブートコンデンサCbootに充電電流を供給する整流素子として機能する。当該整流素子としてダイオードDbootの代わりにMOSFETから成るスイッチング素子を用いるようにしても良い。即ち例えば、当該整流素子としてダイオードDbootの代わりに、電源電圧VDDの印加端に接続されたドレイン及びブート配線W_bootに接続されたソースを有するPチャネル型のMOSFETを設けておいても良い。この場合、ロジック回路13は、トランジスタMLのオン期間においてのみ整流素子としてのMOSFETがオンとなるよう、当該MOSFETのオン、オフを制御すれば良い。
図5にPWM回路12の構成例を概略的に示す。図5のPWM回路12は、主要な構成要素として、エラーアンプ31と、差動アンプ32と、ランプ電圧生成回路33と、コンパレータ(PWMコンパレータ)34と、を備える。エラーアンプ31及び差動アンプ32は電流出力型のトランスコンダクタンスアンプである。
エラーアンプ31の反転入力端子は帰還端子FBに接続されて帰還電圧Vfbの供給を受ける。エラーアンプ31の非反転入力端子には所定の基準電圧Vref1が供給される。エラーアンプ31は帰還電圧Vfb及び基準電圧Vref1間の差分に応じた誤差電圧Verrを配線35に発生させる。エラーアンプ31は、“Vfb<Vref1”の成立時には自身の出力端子から配線35に向けて電流を出力することで誤差電圧Verrを上昇させ、“Vfb>Vref1”の成立時には配線35から自身の出力端子に向けて電流を引き込むことで誤差電圧Verrを低下させる。特に図示しないが、配線35及びグランド間には誤差電圧Verrの位相を補償する位相補償回路が設けられる。
電源制御装置10に設けられた電流センサ(不図示)によりコイル電流ILが検出されてコイル電流ILの値を示す電流検出信号Isnsを生成される。電流検出信号Isnsは電圧信号であるため、電流検出信号Isnsが表す電圧を、電圧Isnsと称することがある。例えば電流センサは、トランジスタMLのソースとグランド端子GNDとの間に設けられたセンス抵抗を有し、トランジスタMLのオン期間においてセンス抵抗の電圧降下をサンプリングすることで電圧Isnsを生成する。即ち、トランジスタMLに流れる電流を検出することを通じてコイル電流ILを検出することができる。但し、電流センサは、トランジスタMHに流れる電流を検出することを通じて又はコイルL1に流れる電流を直接検出することを通じて電圧Isnsを生成するようにしても良い。
差動アンプ32は、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を備える。差動アンプ32の出力端子は配線36に接続される。差動アンプ32の非反転入力端子は配線35に接続されて誤差電圧Verrの供給を受け、差動アンプ32の反転入力端子には電圧Isnsが供給される。差動アンプ32は誤差電圧Verr及び電圧Isns間の差分に応じた対比電圧Vcを配線36に発生させる。差動アンプ32は、“Isns<Verr”の成立時には自身の出力端子から配線36に向けて電流を出力することで対比電圧Vcを上昇させ、“Isns>Verr”の成立時には配線36から自身の出力端子に向けて電流を引き込むことで対比電圧Vcを低下させる。特に図示しないが、配線36及びグランド間には対比電圧Vcの位相を補償する位相補償回路が設けられる。
ランプ電圧生成回路33は、所定のPWM周期にて周期的に電圧値が変化するランプ電圧Vrampを生成する。PWM周期はPWM周波数の逆数に相当する。ランプ電圧Vrampは、例えば三角波又はのこぎり波の電圧波形を持つ。ランプ電圧Vrampの変動の周期がPWM周期である。ここでは図6に示す如く、各PWM周期において、ランプ電圧Vrampは、下限電圧値Vramp_MINを起点に時間経過と共に線型的に単調増加し、上限電圧値Vramp_MAXに達すると瞬時に下限電圧値Vramp_MINに戻るものとする。“Vramp_MIN<Vramp_MAX”が成立する。
コンパレータ34の非反転入力端子は配線36に接続されて対比電圧Vcの供給を受ける。コンパレータ34の反転入力端子にはランプ電圧Vrampが供給される。コンパレータ34は、対比電圧Vcをランプ電圧Vrampと比較して比較結果を示す制御信号Spwmを出力する。制御信号Spwmは、対比電圧Vcがランプ電圧Vrampよりも高い期間においてハイレベルを有し、対比電圧Vcがランプ電圧Vrampよりも低い期間においてローレベルを有する。
図5のPWM回路12を有する電源制御装置10では、出力電圧Voutとコイル電流ILの双方に基づき出力帰還制御を行う電流モード制御方式が採用される。コイル電流ILに応じた電圧Isnsが差動アンプ32に帰還入力されており、差動アンプ32の作用により、誤差電圧Verrが上昇するとコイル電流ILが増大し、誤差電圧Verrが低下するとコイル電流ILが減少する。図5の回路構成は例に過ぎず、電源制御装置10において様々な制御方式(例えば電圧モード制御方式、パルス周波数変調方式、コンスタントオンタイム制御方式)が採用されて良い。
上述のブートストラップ回路の設置により、スイッチング制御が継続実行されている期間では、電圧(Vboot-Vsw)の大きさが概ね電源電圧VDDの大きさ程度に保たれる。しかしながら、スイッチング電源装置1では、出力段回路MMが比較的長い時間に亘って両オフ状態とされる場合がある。出力段回路MMが両オフ状態とされる期間中においてブートコンデンサCbootの放電が進むことでブート電圧Vbootの低下度合いが大きくなると、トランジスタMHを適正に駆動できなくなる。ブート電圧Vbootの低下はハイサイドドライバ14の動作速度の低下をもたらし、ハイサイドドライバ14の動作速度低下は、トランジスタMHのターンオフの遅延を通じ、トランジスタMH及びMLの同時オンによる貫通電流を発生させ得る。
その対策として、ブートコンデンサCbootが必要な程度に充電されているかを確認する機能を、モニタ回路17に担わせる。即ちロジック回路13は、スイッチング制御を開始するにあたり、スイッチング制御の開始前に出力段回路MMを出力ロー状態に設定し、電圧(Vboot-Vsw)に相当する監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達したことを示す信号、即ちローレベルの保護信号S_UVLOがモニタ回路17から出力されるまでスイッチング制御の実行を待機する。そして、ローレベルの保護信号S_UVLOをモニタ回路17から受けた後に、ロジック回路13はスイッチング制御を開始する。
第1実施形態は以下の実施例EX1_1~EX1_5を含む。実施例EX1_1~EX1_5において、監視対象電圧Vmntに基づく動作に関わる詳細な構成例及び動作例等を説明する。第1実施形態にて上述した事項は、特に記述無き限り且つ矛盾無き限り、以下の実施例EX1_1~EX1_5に適用される。但し、各実施例において、第1実施形態で上述した事項と矛盾する事項については各実施例での記載が優先されて良い。また矛盾無き限り、実施例EX1_1~EX1_5の内、任意の実施例に記載した事項を、他の任意の実施例に適用することもできる(即ち複数の実施例の内の任意の2以上の実施例を組み合わせることも可能である)。
<<実施例EX1_1>>
実施例EX1_1を説明する。図7に、実施例EX1_1に係り、スイッチング制御が開始される近辺のタイミングチャートを示す。図7には、上方から下方に向けて、指令信号SW_EN、制御信号Spwm、ゲート信号GH、ゲート信号GL、スイッチ電圧Vsw、コイル電流IL、監視対象電圧Vmnt、保護信号S_UVLO、出力電圧Voutの波形が示される。時間の進行につれて時刻tA1、tA2、tA3が、この順番で訪れる。時刻tA1より前において指令信号SW_ENは長時間に亘ってローレベルに維持される。時刻tA1の直前において、コイル電流ILは0A(ゼロアンペア)であって且つ出力電圧Voutは0V(ゼロボルト)であり、また監視出力電圧Vmntは十分に低いため、保護信号S_UVLOはハイレベルを有する。実施例EX_1に係るスイッチング制御回路11は、ブートコンデンサCbootを充電させる制御として充電制御CC1を実行する。充電制御CC1の意義は、後述の実施例EX1_2に係る充電制御CC2との対比において明らかとなる。
時刻tA1において指令信号SW_ENにライズエッジが生じる。指令信号SW_ENのライズエッジに応答して、PWM回路12はPWM周波数を有する制御信号Spwmの生成及び出力動作を開始する。図7の例では、時刻tA1にて制御信号Spwmにライズエッジが生じる。実施例EX1_1に係るロジック回路13は、指令信号SW_ENのライズエッジに応答し、時刻tA1にて出力段回路MMを両オフ状態から出力ロー状態に切り替える。出力段回路MMが出力ロー状態とされることでブートコンデンサCbootの充電により監視対象電圧Vmntが上昇してゆき、時刻tA2にて監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達することで保護信号S_UVLOにフォールエッジが発生する。尚、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達するとは、“Vmnt<Vth_UVLO”の成立状態から“Vmnt>Vth_UVLO”又は“Vmnt≧Vth_UVLO”の成立状態に遷移することを指す。
保護信号S_UVLOのフォールエッジを受けてロジック回路13はスイッチング制御の実行を許可する状態(換言すれば出力段回路MMを出力ハイ状態に設定することを許可する状態)に至り、以後、PWM周波数を有する制御信号Spwmに応じて出力段回路MMに対するスイッチング制御を実行する。図7の例では、時刻tA2にて制御信号Spwmはローレベルを有しており、制御信号Spwmにおける次回のライズエッジは時刻tA3にて発生する。故にロジック回路13は、保護信号S_UVLOのフォールエッジに応答して時刻tA2にて出力段回路MMを出力ロー状態から両オフ状態に切り替えた後、時刻tA3における制御信号Spwmのライズエッジを契機に出力段回路MMを両オフ状態から出力ハイ状態に切り替え、以後、制御信号Spwmに従ったスイッチング制御を継続実行する。
実施例EX1_1に係るロジック回路13は、指令信号SW_ENのライズエッジを受けると、逆流電流の発生有無に依らず(従って逆流検出信号Srvsに依らず)保護信号S_UVLOにフォールエッジが発生するまで出力段回路MMを出力ロー状態に保つ。このため、出力電圧Voutが相応に高い電圧を有した状態において、指令信号SW_ENにライズエッジが生じた場合、比較的大きな負のコイル電流ILが発生する場合がある。
図8に、実施例EX1_1に係り、スイッチング制御が開始される近辺の他のタイミングチャートを示す。図8には、上方から下方に向けて、指令信号SW_EN、制御信号Spwm、ゲート信号GH、ゲート信号GL、スイッチ電圧Vsw、コイル電流IL、監視対象電圧Vmnt、保護信号S_UVLO、出力電圧Voutの波形が示される。時間の進行につれて時刻tB1、tB2が、この順番で訪れる。スイッチング制御が実行された後、スイッチング制御回路11の動作モードがスリープモードに設定されることなどにより、或る程度の時間だけ指令信号SW_ENがローレベルに維持され、その後に時刻tB1に至る。時刻tB1の直前において、コイル電流ILは0A(ゼロアンペア)である。また時刻tB1の直前において、監視出力電圧Vmntが十分に低いがために保護信号S_UVLOはハイレベルを有するが、出力電圧Voutは目標電圧Vtgに近い正の電圧を持つ。
時刻tB1において指令信号SW_ENにライズエッジが生じる。指令信号SW_ENのライズエッジに応答して、PWM回路12はPWM周波数を有する制御信号Spwmの生成及び出力動作を開始する。図8の例では、時刻tB1にて制御信号Spwmにライズエッジが生じる。実施例EX1_1に係るロジック回路13は、指令信号SW_ENのライズエッジに応答し、時刻tB1にて出力段回路MMを両オフ状態から出力ロー状態に切り替える。出力段回路MMが出力ロー状態とされることでブートコンデンサCbootの充電により監視対象電圧Vmntが上昇してゆき、時刻tB2にて監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達することで保護信号S_UVLOにフォールエッジが発生する。
保護信号S_UVLOのフォールエッジを受けてロジック回路13はスイッチング制御の実行を許可する状態(換言すれば出力段回路MMを出力ハイ状態に設定することを許可する状態)に至り、以後、PWM周波数を有する制御信号Spwmに応じて出力段回路MMに対するスイッチング制御を実行する。図8の例では、時刻tB2にて制御信号Spwmはハイレベルを有しているため、ロジック回路13は、時刻tB2にて制御信号Spwmに従い出力段回路MMを出力ロー状態から出力ハイ状態に切り替える。即ち、ロジック回路13は時刻tB2から出力段回路MMに対するスイッチング制御を再開し、以後、スイッチング制御を継続実行する。
図8の例では、時刻tB1から監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達するまで(即ち時刻tB2まで)出力段回路MMが出力ロー状態に維持されることから、比較的大きな負のコイル電流ILが発生する。絶対値が過大なコイル電流ILはトランジスタMLの保護にとって好ましくない。また大きな負のコイル電流ILに伴う出力電圧Voutの過度の低下が負荷LDの正常動作に悪影響を及ぼす可能性もある。
尚、実施例EX1_1に係るロジック回路13は、指令信号SW_ENのライズエッジを契機に、一定時間(例えば2マイクロ秒)だけ出力段回路MMを出力ロー状態に設定し、その後に制御信号Spwmに応じたスイッチング制御を行うものであっても良い。この際、指令信号SW_ENのライズエッジを契機とする出力段回路MMの出力ロー状態により、監視対象電圧Vmntが余裕をもって閾電圧Vth_UVLOに達することが見込まれるよう上記一定時間が予め定められるものとする。この方法によっても、負の大きなコイル電流IL及び出力電圧Voutの過度の低下が発生し得る。
<<実施例EX1_2>>
実施例EX1_2を説明する。実施例EX1_2では、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達するまでの期間において、過大な負のコイル電流ILが抑制されるよう逆流検出回路16を利用する。
図9に逆流検出回路16の構成を示す。図9の逆流検出回路16はコンパレータ41と抵抗42~44と電流源45とを備える。抵抗42は、トランジスタMLのオン期間においてトランジスタMLに流れる電流、即ち、コイル電流ILを検出するためのセンス抵抗である。尚、図9では、例として、コイル電流ILの極性が正である状況が図示されている(後述の図10でも同様)。センス抵抗42の第1端はトランジスタMLのソースに接続され、センス抵抗42の第2端はグランドに接続される。抵抗43の第1端はセンス抵抗42の第1端に接続され、抵抗43の第2端はコンパレータ41の非反転入力端子に接続される。抵抗44の第1端はセンス抵抗42の第2端に接続され(従って図9の構成ではグランドに接続され)、抵抗44の第2端はノード46に接続されると共にコンパレータ41の反転入力端子に接続される。抵抗43及び44は互いに同じ抵抗値を持つ。電流源45は電源電圧VDDの印加端とノード46との間に挿入され、電源電圧VDDの印加端からノード46に向けて規定のシフト電流Isftを供給可能に構成される。
ロジック回路13の制御の下、シフト電流Isftがシフト電流Isft1とシフト電流Isft2とで切り替え可能となるよう電流源45が構成される(図10参照)。ここで、シフト電流Isft1よりもシフト電流Isft2の方が大きい。シフト電流Isft1はゼロであっても良いし、ゼロに近い微小電流値を有していても良い。シフト電流Isft1がゼロである場合にあっては、電流源45及びノード46間にスイッチを設けて、スイッチのオン/オフ制御により、電流源45からノード46へのシフト電流Ishtがシフト電流Isft2又はゼロ間で切り替えられても良い。
トランジスタMLのオン期間においてコイルILの大きさ及び極性に応じた電圧降下がセンス抵抗42の両端間に発生する。コンパレータ41の非反転入力端子における電圧を電圧Vaと称し、コンパレータ41の反転入力端子における電圧を電圧Vbと称する。コンパレータ41は電圧Va及びVbを比較し、“Va>Vb”の成立時にはハイレベルの逆流検出信号Srvsを出力し、“Va<Vb”の成立時にはローレベルの逆流検出信号Srvsを出力する。“Va=Vb”の成立時において逆流検出信号Srvsはハイレベル又はローレベルを有する。逆流検出信号SrvsはトランジスタMLのオン期間においてのみ有意な情報を持ち、トランジスタMLのオフ期間において逆流検出信号Srvsは無効である。
図10を参照し、ロジック回路13は、ブート電圧Vbootに関わるUVLO解除期間においてシフト電流Isft1をシフト電流Isftに設定する一方、ブート電圧Vbootに関わるUVLO有効期間においてシフト電流Isft2をシフト電流Isftに設定する。UVLO有効期間は、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達しておらず、故に保護信号S_UVLOがハイレベルを有する期間である。UVLO解除期間は、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLO以上に高まった後、監視対象電圧Vmntが(電圧Vth_UVLO-ΔHYS)以上に維持される期間である。UVLO解除期間における逆流検出信号Srvsを特に逆流検出信号Srvs1と称し、UVLO有効期間における逆流検出信号Srvsを特に逆流検出信号Srvs2と称する。後述の図11の例において、時刻tC1から時刻tC4の直前までの期間はUVLO有効期間に属し、時刻tC4以降の期間はUVLO解除期間に属する。UVLO有効期間においてスイッチング制御は非実行であり、UVLO解除期間にのみスイッチング制御が実行される。
トランジスタMLのオン期間において、コンパレータ41は、コイル電流ILが負の極性を有し且つコイル電流ILの大きさ(絶対値)が電流閾値Ith以上である場合に、ハイレベルの逆流検出信号Srvsを出力する。トランジスタMLのオン期間において、コンパレータ41は、コイル電流ILが正の極性を有する場合、コイル電流ILがゼロである場合、又は、コイル電流ILが負の極性を有するもののコイル電流ILの大きさ(絶対値)が電流閾値Ith_rvs未満である場合、ローレベルの逆流検出信号Srvsを出力する。シフト電流Isftをシフト電流Isft1及びIsft2間で切り替えることで電流閾値Ithも切り替わる。UVLO解除期間、即ち“Isft=Isht1”である期間における電流閾値Ithは電流閾値Ith1である。UVLO有効期間、即ち“Isft=Isht2”である期間における電流閾値Ithは電流閾値Ith2である。電流閾値Ith1及びIth2は正の値を持ち、電流閾値Ith2の方が電流閾値Ith1よりも大きい。“Isft2>Isft1”とすることで“Ith2>Ith1”が実現される。
UVLO解除期間に属する期間であって且つ出力段回路MMのスイッチング制御が制御信号Spwmに応じて行われる期間において、ロジック回路13は逆流検出信号Srvs1のレベルを監視し、トランジスタMLがオンに設定されているときに逆流検出信号Srvs1のライズエッジが生じると逆流抑止動作J1を実行する。逆流抑止動作J1においてロジック回路13は制御信号Spwmのレベルに依らず、即時、出力段回路MMの状態を出力ロー状態から両オフ状態に切り替える。逆流抑止動作J1の実行後、制御信号Spwmにライズエッジが生じると、ロジック回路13は出力段回路MMの状態を両オフ状態から出力ハイ状態に切り替える。逆流抑止動作J1により軽負荷時の効率を向上させることができる。
一方、UVLO有効期間において、ロジック回路13は逆流検出信号Srvs2のレベルを監視し、トランジスタMLがオンに設定されているときに(即ち出力段回路MMが出力ロー状態に設定されているときに)逆流検出信号Srvs2のライズエッジが生じると逆流制限動作J2を実行する。逆流制限動作J2において、ロジック回路13は、出力段回路MMの状態を出力ロー状態より両オフ状態に切り替えた後、所定の待機時間Tw(例えば50ナノ秒)だけ出力段回路MMを両オフ状態に維持してから出力ロー状態に戻す。これにより、ブートコンデンサCbootの充電の際に、負の過大なコイル電流ILを抑制できる。
図11に、実施例EX1_2に係り、スイッチング制御が開始される近辺のタイミングチャートを示す。図11には、上方から下方に向けて、指令信号SW_EN、制御信号Spwm、ゲート信号GH、ゲート信号GL、スイッチ電圧Vsw、コイル電流IL、監視対象電圧Vmnt、保護信号S_UVLO、出力電圧Voutの波形が示される。時間の進行につれて時刻tC1、tC2、tC3、tC4が、この順番で訪れる。既に述べたように、時刻tC1から時刻tC4の直前までの期間はUVLO有効期間に属し、時刻tC4以降の期間はUVLO解除期間に属する(図10を適宜参照)。
スイッチング制御が実行された後、スイッチング制御回路11の動作モードがスリープモードに設定されることなどにより、或る程度の時間だけ指令信号SW_ENがローレベルに維持され、その後に時刻tC1に至る。時刻tC1の直前において、コイル電流ILは0A(ゼロアンペア)である。また時刻tC1の直前において、監視出力電圧Vmntが十分に低いがために保護信号S_UVLOはハイレベルを有するが、出力電圧Voutは目標電圧Vtgに近い正の電圧を持つ。
時刻tC1において指令信号SW_ENにライズエッジが生じる。指令信号SW_ENのライズエッジに応答して、PWM回路12はPWM周波数を有する制御信号Spwmの生成及び出力動作を開始する。図11の例では、時刻tC1にて制御信号Spwmにライズエッジが生じる。実施例EX1_2に係るロジック回路13は、指令信号SW_ENのライズエッジに応答し、時刻tC1にて出力段回路MMを両オフ状態から出力ロー状態に切り替える。出力段回路MMが出力ロー状態とされることでブートコンデンサCbootの充電により監視対象電圧Vmntが上昇してゆく。一方で、出力電圧Voutが比較的高い状態にてトランジスタMLがオンとされることで負のコイル電流ILが発生し、時刻tC1よりコイル電流ILの大きさ(絶対値)が増大してゆく。
監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達する前の時刻tC2において、トランジスタMLがオンに設定された状態で逆流検出回路16により特定逆流状態が検出される。特定逆流状態とは、コイル電流ILが負の極性を持ちつつコイル電流ILの大きさ(絶対値)が電流閾値Ith2以上となる状態である。UVLO有効期間において逆流検出信号Srvs2にライズエッジが生じることが、特定逆流状態の検出(特定逆流状態であるとの検出)に相当する。故に時刻tC2において逆流検出信号Srvs2(図10参照)にライズエッジが生じる。ロジック回路13は、出力段回路MMが出力ロー状態に設定された状態において監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達する前に特定逆流状態が検出されると(即ち逆流検出信号Srvs2にライズエッジが生じると)、上述の逆流制限動作J2を実行する。故に、ロジック回路13は、時刻tC2にて出力段回路MMの状態を出力ロー状態より両オフ状態に切り替え、その後、所定の待機時間Twだけ出力段回路MMの状態を両オフ状態に維持してから出力ロー状態に戻す。出力段回路MMの状態が出力ロー状態に戻される時刻が時刻tC3である。従って時刻tC2及びtC3間の時間差が待機時間Twに相当する。
時刻tC3にて出力段回路MMの状態が出力ロー状態に戻されることでブートコンデンサCbootの充電が再開されて監視対象電圧Vmntの上昇が再開する。図11の例では、時刻tC3の後、特定逆流状態が再度検出されることなく、時刻tC4にて監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達することで保護信号S_UVLOにフォールエッジが発生する。保護信号S_UVLOのフォールエッジを受けてロジック回路13はスイッチング制御の実行を許可する状態(換言すれば出力段回路MMを出力ハイ状態に設定することを許可する状態)に至り、帰還電圧Vfbに応じて生成される信号であって且つPWM周波数を有する制御信号Spwmに基づき出力段回路MMに対するスイッチング制御を開始する。即ち、ロジック回路13は時刻tC4から出力段回路MMに対するスイッチング制御を再開し、以後、スイッチング制御を継続実行する。図11の例では、時刻tC4にて制御信号Spwmはハイレベルを有しているため、ロジック回路13は時刻tC4にて制御信号Spwmに従い出力段回路MMを出力ロー状態から出力ハイ状態に切り替える。
図11の例では、時刻tC2を起点に行われる逆流制限動作J2によりコイル電流ILの大きさはゼロに向けて減少してゆく。尚、図11のタイミングチャートでは、時刻tC2及びtC3の期間の前半において負のコイル電流ILがトランジスタMHの寄生ダイオードを通じて流れることでスイッチ電圧Vswが入力電圧Vinと当該寄生ダイオードの順方向電圧の和に等しくなり、その後、時刻tC2及びtC3の期間の後半において“IL=0”となることでスイッチ電圧Vswが出力電圧Vout付近で共振する様子が示される。特定逆流状態の検出後、一定時間(Tw)を経てトランジスタMLを再びオンすると、コイル電流ILの大きさは再び0Aから増大し始める。このように、逆流制限動作J2によって負のコイル電流ILの大きさが制限されるため、負のコイル電流ILが過大となることは無くなる。また、UVLO有効期間においてコイル電流ILを時間積分した分の電荷が出力コンデンサCoutから引き抜かれることになるが、実施例EX1_2(図11)では実施例EX1_1(図8)との比較において逆流に関わるコイル電流ILが小さいため、出力電圧Voutの低下量を小さく抑えることができる。例えば、実施例EX1_1(図8)において負のコイル電流ILの大きさが3Aまで増大していたとした場合、実施例EX1_2(図11)において電流閾値Ith2を300mAに設定したとする。そうすると、実施例EX1_2では実施例EX1_1と比べて、出力電圧Voutの低下量を1/10に抑えることができる。
尚、時刻tC3の後、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達する前に、特定逆流状態が再度検出されたならば、ロジック回路13は2回目の逆流制限動作J2を実行する。即ち、時刻tC3の後、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達する前に、特定逆流状態が再度検出されたならば、ロジック回路13は、出力段回路MMの状態を出力ロー状態より再び両オフ状態に切り替え、その後、所定の待機時間Twだけ出力段回路MMの状態を両オフ状態に維持してから再び出力ロー状態に戻す。3回目以降の逆流制限動作J2も同様であり、逆流制限動作J2が行われるたびに、コイル電流ILの大きさがゼロに戻される。
また図11に示す状況とは異なるが、時刻tC1の後、特定逆流状態が一度も検出されることなく監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOまで上昇して保護信号S_UVLOにフォールエッジが発生したならば、ロジック回路13は、逆流制限動作J2を一度も実行することなく、制御信号Spwmに基づく出力段回路MMのスイッチング制御を開始する。
このように、スイッチング制御回路11は、指令信号SW_ENのライズエッジを受けると、“Vmnt<Vth_UVLO”の成立状態において出力段回路MMを出力ロー状態に設定した後、監視対象電圧Vmntの上昇を経て監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達するか又は特定逆流状態が検出されるまで出力段回路MMを出力ロー状態に維持する。スイッチング制御回路11は、出力段回路MMが出力ロー状態に設定された状態において監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達する前に特定逆流状態が検出された場合には、出力段回路MMの状態を出力ロー状態から両オフ状態に切り替え且つ所定の待機時間Twだけ出力段回路MMを両オフ状態に保ってから出力ロー状態に戻す逆流制限動作J2を実行する。そしてスイッチング制御回路11は、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達することを契機に出力段回路MMを出力ハイ状態に設定することを許可する。このため、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達した後において、制御信号Spwmに基づくスイッチング制御が開始される。スイッチング制御の開始はスイッチング制御の再開であり得る。
このような方法により、ブートコンデンサCbootの充電の際に、負の極性を持つ大きなコイル電流ILの発生を抑制できる。大きなコイル電流ILがトランジスタMLに流れることが抑制されるため、トランジスタMLの保護が図られる。また大きな負のコイル電流ILに伴う出力電圧Voutの過度の低下が抑制され、出力電圧Voutの低下による負荷LDへの悪影響も抑制される。
スイッチング制御の実行期間はUVLO解除期間に属する。スイッチング制御の実行期間において逆流検出回路16は、逆流電流(負のコイル電流IL)の大きさが電流閾値th1を超える逆流状態(以下、第1逆流状態と称する)を検出可能である。スイッチング制御回路11は、スイッチング制御の実行期間にて制御信号Spwmに基づき出力段回路MMを出力ロー状態に設定した後、逆流検出回路16により第1逆流状態が検出されると制御信号Spwmに依らず出力段回路MMを出力ロー状態から両オフ状態に切り替える逆流抑止動作J1を実行する。逆流検出回路16は、第1逆流状態を検出するための回路と共通の回路を用いて、逆流電流(負のコイル電流IL)の大きさが電流閾値Ith2を超える逆流状態(以下、第2逆流状態と称する)を特定逆流状態として検出可能である。上述したように“Ith1<Ith2”が成立する。
第1逆流状態の検出に伴う逆流抑止動作J1により軽負荷時の効率向上が図られる。軽負荷時の効率向上のために設けられる逆流検出回路16と共通の回路を用い、電流閾値をずらすことで、ブートコンデンサCbootの充電の際に特定逆流状態(第2逆流状態)を検出することができる。このため、逆流制限動作J2の実現するために追加すべき回路は非常に少ない(チップコストの増大は軽微で済む)。
軽負荷時の効率向上ためには、第1逆流状態の検出用の電流閾値Ith1を極力ゼロに近づけた方が良い。一方、UVLO有効期間において、ゼロに近い電流閾値を電流閾値Ith2として用いると、トランジスタMLをオンにした直後において負のコイル電流ILの大きさ(絶対値)が電流閾値Ith2に達することとなり、ブートコンデンサCbootの充電が速やかに進まない。このため、電流閾値Ith1から見て電流閾値Ith2を増大方向にずらす。電流源45を用い抵抗44に必要な電流を供給することで電流閾値をずらすことができる(図9及び図10参照)。例えば、抵抗42及び44の値を夫々10mΩ及び1kΩに設定し、且つ、シフト電流Isht2の値を3μAに設定すれば、電流閾値Ith2は300mAとなる。抵抗43の値は電流閾値(Ith1、Ith2)に影響を与えないが、コンパレータ41に入力される差動信号(電圧Va、Vbの信号)のインピーダンスを合わせるべく、抵抗44と同じ抵抗値を持つ抵抗43を設置しておくことが好ましい。但し、抵抗43を省略することも可能ではある。
尚、図9の如く、センス抵抗42をトランジスタMLとは別に設けるのではなく、トランジスタMLのオン抵抗をセンス抵抗42として用いるようにしても良い。この場合、抵抗43の第1端をトランジスタMLのドレインに接続すると共に抵抗43の第2端をコンパレータ41の非反転入力端子に接続し、且つ、抵抗44の第1端をトランジスタMLのソースに接続すると共に抵抗44の第2端をコンパレータ41の反転入力端子に接続すれば良い。
図9の逆流検出回路16自体は実施例EX1_1の電源制御装置10にも設けられて良い。但し、実施例EX1_1ではシフト電流Ishtがシフト電流Isht1にて固定されると解される。
上述したように、ハイレベルの指令信号SW_ENはスイッチング制御の実行を指令する実行指令信号として機能し、ローレベルの指令信号SW_ENはスイッチング制御の停止を指令する停止指令信号として機能する。スイッチング制御回路11は指令信号SW_ENの指令に従う。故に、指令信号SW_ENのローレベル期間においてスイッチング制御回路11はスイッチング制御を停止させる。指令信号SW_ENのローレベル期間においてスイッチング制御回路11は出力段回路MMを両オフ状態にて維持する。スイッチング制御回路11は、ハイレベルの指令信号SW_EN(スイッチング制御の実行を指令する実行指令信号)を受けてスイッチング制御を開始する場合に、スイッチング制御の開始前にて充電制御を実行する。充電制御とはブートコンデンサCbootを充電させる制御であり、充電制御において、ロジック回路13は、出力段回路MMを出力ハイ状態に設定することなく継続的に又は断続的に出力ロー状態に設定する(即ちトランジスタMHをオフに維持しつつトランジスタMLを継続的に又は断続的にオンに設定する)。充電制御において、出力段回路MMが断続的に出力ロー状態に設定される場合、出力段回路MMの状態は出力ハイ状態に設定されることなく出力ロー状態と両オフ状態との間で切り替えられる。実施例EX1_2にて行われる充電制御を特に充電制御CC2と称する。図11の例では、時刻tC1及びtC4間において充電制御CC2が行われる。実施例EX1_2に係るスイッチング制御回路11は、スイッチング制御の停止期間を経た後、指令信号SW_ENのライズエッジに応答してスイッチング制御を開始する際に、スイッチング制御の開始前に充電制御CC2を行う。
他方、実施例EX1_1にて行われる充電制御を特に充電制御CC1と称する。実施例EX1_1に係るスイッチング制御回路11は、スイッチング制御の停止期間を経た後、指令信号SW_ENのライズエッジに応答してスイッチング制御を開始する際に、スイッチング制御の開始前に充電制御CC1を行う。図7の例では時刻tA1及びtA3間において充電制御CC1が行われる。図8の例では時刻tB1及びtB2間において充電制御CC1が行われる。充電制御CC1においてスイッチング制御回路11は、“Vmnt<Vth_UVLO”の成立状態にて出力段回路MMを出力ロー状態に設定した後、監視対象電圧Vmntの上昇を経て監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達するまで、コイル電流ILの大きさに依らず、出力段回路MMを出力ロー状態に維持する。
これに対し、充電制御CC2においてスイッチング制御回路11は、“Vmnt<Vth_UVLO”の成立状態にて出力段回路MMを出力ロー状態に設定した後、監視対象電圧Vmntの上昇を経て監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達するか又は特定逆流状態が検出されるまで出力段回路MMを出力ロー状態に維持する動作を実行し、且つ、出力段回路MMが出力ロー状態に設定された状態において監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達する前に特定逆流状態が検出された場合には、出力段回路MMの状態を出力ロー状態から両オフ状態に切り替え且つ所定の待機時間Twだけ出力段回路MMを両オフ状態に保ってから出力ロー状態に戻す逆流制限動作J2を実行する。そしてスイッチング制御回路11は、充電制御CC2の開始後、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達した後に出力段回路MMを出力ハイ状態に設定することを許可して制御信号Spwmに基づくスイッチング制御を開始する。スイッチング制御の開始はスイッチング制御の再開であり得る。
<<実施例EX1_3>>
実施例EX1_3を説明する。実施例EX1_3並びに後述の実施例EX1_4及びEX1_5では、実施例EX1_2に示した技術が適用され、故に充電制御CC2が行われる。
図12に実施例EX1_3に係るロジック回路13の状態遷移図を示す。ロジック回路13の状態は状態ST1~ST5を含む複数の状態の何れかとなる。ロジック回路13の状態を監視するステートマシンがロジック回路13に設けられると解して良い。尚、図12では、実施例EX1_3に係る状態遷移を概念的に示すものであり、より精緻な制御を行うために状態ST1~ST5以外の状態が上記複数の状態に追加されても良いし、スイッチング制御回路11にて採用される制御方式に応じて各種信号は変更され得る(後述の実施例EX1_4でも同様)。
状態ST1はDISABLE状態である。状態ST1においてロジック回路13は出力段回路MMを両オフ状態に設定する。状態ST2及びST3は共にスタンバイ状態に属する。スタンバイ状態において、ブートコンデンサCbootの充電が行われる又はブートコンデンサCbootの充電が完了したかが判断される。状態ST2においてロジック回路13は出力段回路MMを出力ロー状態に設定する。状態ST3においてロジック回路13は出力段回路MMを両オフ状態に設定する。状態ST4及びST5は共にスイッチング実行状態に属する。スイッチング実行状態においてスイッチング制御が実行される。状態ST4においてロジック回路13は出力段回路MMを出力ハイ状態に設定する。状態ST5においてロジック回路13は出力段回路MMを出力ロー状態に設定する。
電源制御装置10の初期状態においてロジック回路13の状態は状態ST1となる。ロジック回路13の状態が状態ST1であるときに、指令信号SW_ENにライズエッジが生じると状態ST1から状態ST2への遷移が発生する(遷移F1)。状態ST2においてブートコンデンサCbootの充電が行われる。状態ST2への遷移後、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達することで保護信号S_UVLOにフォールエッジが発生すること(又は保護信号S_UVLOがローレベルを有すること)を、ブートコンデンサCbootの充電の完了、又は、単に充電完了と表現する。これに対し、充電未完了とは、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOより低く、保護信号S_UVLOがハイレベルを有する状態を指す。
状態ST2への遷移後、特定逆流状態が検出されることなくブートコンデンサCbootの充電が完了し且つ制御信号Spwmがハイレベルであれば状態ST2から状態ST4に遷移するが、充電完了前に特定逆流状態が検出されると状態ST2から状態ST3に遷移して待機時間Twを経てから状態ST2に戻る動作が充電完了まで繰り返される。状態ST2及びST3間の遷移を経て充電完了すると、以後は、制御信号Spwmに従って状態ST4及びST5間の遷移が繰り返される。状態ST4及びST5間の遷移の繰り返しの中で指令信号SW_ENがローレベルとなると状態ST1に戻る。
状態間の遷移についてより詳細に説明する。ロジック回路13が状態ST2にあるときにおいて、保護信号S_UVLOがハイレベルを有しつつ逆流検出信号Srvs2にライズエッジが発生すると状態ST2から状態ST3への遷移が発生する(遷移F2)。ロジック回路13が状態ST2にあるときにおいて、保護信号S_UVLOがローレベルを有する場合、制御信号Spwmがハイレベルを有することを条件に状態ST2から状態ST4に遷移する(遷移F3)。尚、ロジック回路13が状態ST2にあるときにおいて、保護信号S_UVLOがローレベルを有するものの制御信号Spwmがローレベルを有する場合、制御信号Spwmのレベルがハイレベルに切り替わるのを待ってから状態ST2より状態ST4に遷移する。ロジック回路13が状態ST2にあるときにおいて、指令信号SW_ENがローレベルを有する場合、状態ST2から状態ST1に遷移する(遷移F4)。
状態ST2から状態ST3に遷移した後、保護信号S_UVLOがハイレベルを有しつつ待機時間Twが経過すると状態ST3から状態ST2に戻る(遷移F5)。ロジック回路13が状態ST3にあるときにおいて、保護信号S_UVLOがローレベルを有する場合、制御信号Spwmがハイレベルを有することを条件に状態ST3から状態ST4に遷移する(遷移F6)。本来、状態ST3への遷移後、ロジック回路13が状態ST3にあるときにブートコンデンサCbootの充電が完了することは無いが、信号遅延又はノイズ等の影響により状態ST3にて保護信号S_UVLOにフォールエッジが発生することもあり得る。これを考慮して遷移F6を設けている。尚、ロジック回路13が状態ST3にあるときにおいて、保護信号S_UVLOがローレベルを有するものの制御信号Spwmがローレベルを有する場合、制御信号Spwmのレベルがハイレベルに切り替わるのを待ってから状態ST3より状態ST4に遷移する。
ロジック回路13が状態ST4にあるときにおいて、制御信号Spwmがローレベルを有することが確認されると(制御信号Spwmにフォールエッジが発生すると)、状態ST4から状態ST5への遷移が発生する(遷移F7)。ロジック回路13が状態ST5にあるときにおいて、制御信号Spwmがハイレベルを有することが確認されると(制御信号Spwmにライズエッジが発生すると)、状態ST5から状態ST4への遷移が発生する(遷移F8)。ロジック回路13が状態ST5にあるときにおいて、指令信号SW_ENがローレベルを有する場合、状態ST5から状態ST1に遷移する(遷移F9)。尚、ロジック回路13が状態ST4にあるときにおいて、指令信号SW_ENがハイレベルからローレベルに切り替わった場合には、制御信号Spwmのフォールエッジに伴って状態ST4から状態ST5へ遷移してからローレベルの指令信号SW_ENに基づき状態ST1に遷移する。
ロジック回路13が状態ST1にある期間はスイッチング制御の停止期間に属する。実施例EX1_2で述べた充電制御CC2(図11参照)は状態ST2及びST3間の遷移を含む。実施例EX1_2及び実施例EX1_3に係るスイッチング制御回路11は、スイッチング制御の停止期間を経てハイレベルの指令信号SW_EN(実行指令信号)の受信に基づきスイッチング制御を開始する場合においてスイッチング制御の開始前に充電制御CC2を行い、スイッチング制御の開始後、スイッチング制御の実行期間においては充電制御CC2を非実行とする(充電制御CC2を禁止する)。スイッチング制御の開始後、スイッチング制御が継続的に実行される期間においては(即ち状態ST4及びST5間の遷移が繰り返される期間においては)、監視対象電圧Vmntが大きく低下することは無いからである。故にロジック回路13が状態ST4又はST5にあるときに、充電完了の確認を行う必要は無い(即ちロジック13は保護信号S_UVLOのレベルの確認を行う必要は無い)。
<<実施例EX1_4>>
実施例EX1_4を説明する。実施例EX1_4は実施例EX1_3の一部を変形したものである。実施例EX1_4において特に記述されない事項に関しては、矛盾無き限り、実施例EX1_3に示した事項が実施例EX1_4にも適用される。
図13に実施例EX1_4に係るロジック回路13の状態遷移図を示す。ロジック回路13の状態は状態ST1~ST6を含む複数の状態の何れかとなる。実施例EX1_4では実施例EX1_3(図12)との比較において状態ST6が追加されている。状態ST6は、スイッチング制御の実行を経てスイッチング制御を停止させた後、状態ST1への遷移を発生させる前に一定時間の待機を行うためのWAIT状態である。状態ST6においてロジック回路13は出力段回路MMを両オフ状態に設定する。
図13に示す状態間の遷移について説明する。状態ST1から状態ST2を経て又は状態ST2及びST3を経て状態ST4に遷移までの過程は、実施例EX1_3で述べた通りである。状態ST4への遷移時点からスイッチング制御が開始される。スイッチング制御は状態ST4及びST5間の繰り返しの遷移を伴う。実施例EX1_4では、スイッチング制御の開始後、ロジック回路13が状態ST5にあるときにおいて、指令信号SW_ENがローレベルを有する場合、状態ST5から状態ST1ではなく状態ST6に遷移する(遷移F11)。尚、ロジック回路13が状態ST4にあるときにおいて、指令信号SW_ENがハイレベルからローレベルに切り替わった場合には、制御信号Spwmのフォールエッジに伴って状態ST4から状態ST5へ遷移してからローレベルの指令信号SW_ENに基づき状態ST6に遷移する。
状態ST5から状態ST6へ遷移したとき、ロジック回路13は自身が有するタイマ(不図示)を用いて経過時間Tstpの計測を開始する。経過時間Tstpは状態ST5より状態ST6に遷移した時刻からの経過時間である。状態ST5より状態ST6に遷移した時刻からの経過時間は、状態ST4及びST5間の繰り返しの遷移によるスイッチング制御が停止されてからの経過時間(スイッチング制御の停止時間)である。状態ST6においてロジック回路13は、経過時間Tstpが所定の放電基準時間Tdisに達しか否かを監視する。状態ST6においてロジック回路13(ロジック回路13内のステートマシン)は、指令信号SW_ENがローレベルに維持されたまま経過時間Tstpが放電基準時間Tdisに達した場合には状態ST6から状態ST1への遷移を発生させる一方(遷移F12)、経過時間Tstpが放電基準時間Tdisに達する前に指令信号SW_ENがハイレベルに切り替わり且つ制御信号Spwmがハイレベルに設定された場合には状態ST6から状態ST4への遷移を発生させる(遷移F13)。
実施例EX1_3に係る状態遷移図(図12参照)では、指令信号SW_ENのライズエッジに応答して状態ST4に遷移する過程において常に状態ST2を経由するため、電力効率が悪化することがある。また、一旦、状態ST2にて出力段回路MMが出力ロー状態に設定される分、応答が悪化する可能性もある。一方、スイッチング制御の実行を経た後、指令信号SW_ENのフォールエッジに応答してスイッチング制御を停止したとしても、スイッチング制御の停止期間が短時間でればブートコンデンサCbootの充電電圧が大きく低下することは無い。これを考慮して状態ST6を追加し、スイッチング制御の停止期間が短時間であれば状態ST6から状態ST4への直接遷移を行う。一方、スイッチング制御の停止期間が長時間に及んだ場合には状態ST6から状態ST1に遷移させる。状態ST1に遷移した後に状態ST4に遷移させるためには、一旦、状態ST2に遷移し、ブートコンデンサCbootの充電状態を確認してから状態ST4に遷移させるようにする。
また、図13の状態遷移図では、ロジック回路13が状態ST2にあるときにおいて、指令信号SW_ENがローレベルを有する場合、状態ST2から状態ST1ではなく状態ST6に遷移する(遷移F14)。状態ST2から状態ST6に遷移した後の動作は、状態ST5から状態ST6に遷移した後の動作と同様である。但し、状態ST2から状態ST6に遷移した場合における経過時間Tstpは、状態ST2より状態ST6に遷移した時刻からの経過時間を指すものとする。但し、ロジック回路13が状態ST2にあるときにおいて、指令信号SW_ENがローレベルを有する場合、充電が不十分である可能性を考慮し、実施例EX1_3と同様に(図13参照)、状態ST2から状態ST6ではなく状態ST1に遷移するようにしても良い。
図14及び図15を参照しつつ、状態ST6に関わる動作の流れを補足する。スイッチング制御回路11は、ロジック回路13が状態ST1にあるときにスイッチング制御の実行を指令する実行指令信号(ハイレベルの指令信号SW_EN)を受けると、充電制御CC2を経てから状態ST4へ遷移してスイッチング制御を開始する。充電制御CC2は少なくとも状態ST2への遷移を伴う。その後、スイッチング制御回路11は、スイッチング制御の停止を指令する停止指令信号(ローレベルの指令信号SW_EN)を受けるとスイッチング制御を停止し且つ当該停止指令信号に基づきスイッチング制御を停止してからの経過時間Tstpを計測する。この経過時間Tstpが放電基準時間Tdisに達した後に実行指令信号(ハイレベルの指令信号SW_EN)を再度受けると、図14に示す如く、スイッチング制御回路11は充電制御CC2を再度経てからスイッチング制御を再開する。一方、経過時間Tstpが放電基準時間Tdisに達する前に実行指令信号を再度受けると、図15に示す如く、スイッチング制御回路11は再度の充電制御CC2を経ることなくスイッチング制御を再開する。
<<実施例EX1_5>>
実施例EX1_5を説明する。図1に示されるスイッチング電源装置1には以下の回路ブロック(以下、単位回路ブロックBLKと称する)が設けられる。図5及び図16も参照しつつ、単位回路ブロックBLKは、差動アンプ32、ランプ電圧生成回路33及びコンパレータ34を備えると共に、ロジック回路13、ハイサイドドライバ14、ローサイドドライバ15、逆流検出回路16、モニタ回路17、出力段回路MM、ブートコンデンサCboot、コイルL1、ダイオードDboot、スイッチ端子SW及びブート端子BOOTを備える。
図16は実施例EX1_5に係るスイッチング電源装置1であるスイッチング電源装置1Aの全体構成図である。スイッチング電源装置1Aは単位回路ブロックBLKを複数チャネル分備える。スイッチング電源装置1Aには、図1のスイッチング電源装置1と同様、出力コンデンサCout、帰還抵抗R1及びR2、エラーアンプ31並びに帰還端子FBも設けられ、それらの接続関係は既に述べた通りである。スイッチング電源装置1Aにおいて、出力コンデンサCout、帰還抵抗R1及びR2、エラーアンプ31並びに帰還端子FBは、複数チャネルの単位回路ブロックBLKにて共用される。スイッチング電源装置1Aに設けられる電源制御装置10は、複数チャネル分の単位回路ブロックBLKと、エラーアンプ31と、帰還端子FBと、スイッチング管理回路19Aを備える。但し、各チャネルのブートコンデンサCboot及びコイルL1は電源制御装置10外に設けられると解される。
図16に示されるスイッチング電源装置1Aには単位回路ブロックBLKが2チャネル分だけ設けられるが、単位回路ブロックBLKが3チャネル以上設けられていても良い。2チャネル分の単位回路ブロックBLKは第1及び第2チャネルの単位回路ブロックBLKから成る。各単位回路ブロックBLKの内部構成及び各単位回路ブロックBLK内の構成要素の動作は、図1等を参照しつつ上述した通りであり、特に実施例EX1_2~EX1_4に示した動作がスイッチング電源装置1A内の各単位回路ブロックBLKに適用される。ここで、第1チャネルのコイルL1の第1端は第1チャネルのスイッチ端子SWに接続され且つ第2チャネルのコイルL1の第1端は第2チャネルのスイッチ端子SWに接続される一方で、第1チャネルのコイルL1の第2端及び第2チャネルのコイルL1の第2端は共通の出力端子OUTに接続され、当該共通の出力端子OUTとグランドとの間に第1及び第2チャネル間で共通の出力コンデンサCoutが設けられる。
スイッチング電源装置1Aにおいて、複数のチャネルの単位回路ブロックBLKにて個別にスイッチング制御を行うことができ、この際、複数のチャネル間でスイッチング制御の位相をずらすことでマルチフェーズ制御を行うことができる。第1チャネルにてスイッチング制御が行われる場合、第1チャネルの単位回路ブロックBLKでは、電圧差(Vfb-Vref1)がゼロに向かうように第1チャネルの出力段回路MMの出力デューティが制御される。第2チャネルにてスイッチング制御が行われる場合、第2チャネルの単位回路ブロックBLKでは、電圧差(Vfb-Vref1)がゼロに向かうように第2チャネルの出力段回路MMの出力デューティが制御される。他のチャネルの単位回路ブロックBLKが設けられる場合も同様である。
スイッチング管理回路19Aは上述のスイッチング管理回路19の機能を内包する。スイッチング管理回路19Aは各チャネルの単位回路ブロックBLKに対して指令信号SW_ENを出力する。指令信号SW_ENに応じた単位回路ブロックBLKの動作(特にロジック回路13の動作)は上述した通りであり、各チャネルにおいて、対応する指令信号SW_ENがハイレベルを有する期間のみスイッチング制御が行われ、対応する指令信号SW_ENがローレベルを有する期間ではスイッチング制御が停止される。各チャネルにおいて、対応する指令信号SW_ENにライズエッジが生じた後には上述の充電制御CC2を経てからスイッチング制御が開始される(図11参照)。
スイッチング管理回路19Aが第1チャネルの単位回路ブロックBLKに出力する指令信号SW_ENを特に指令信号SW_EN[1]と称する。スイッチング管理回路19Aが第2チャネルの単位回路ブロックBLKに出力する指令信号SW_ENを特に指令信号SW_EN[2]と称する。ハイレベルの指令信号SW_EN[i]は第iチャネルの単位回路ブロックBLKに対してスイッチング制御の実行を指令する実行指令信号として機能し、ローレベルの指令信号SW_EN[i]は第iチャネルの単位回路ブロックBLKに対してスイッチング制御の停止を指令する停止指令信号として機能する。ここにおけるiは1又は2を表す。指令信号SW_EN[1]及びSW_EN[2]が共にハイレベルを有する期間において上記のマルチフェーズ制御を行うことができる。
スイッチング管理回路19Aは指令信号SW_EN[1]及びSW_EN[2]のレベルを制御することを通じて作動チャネル数NUMを調整できる。作動チャネル数NUMとは、スイッチング電源装置1Aにおいて、スイッチング制御が行われる単位回路ブロックBLKの総数である。第1及び第2チャネルにのみ注目した場合、スイッチング管理回路19Aは、指令信号SW_EN[1]をハイレベルに設定し且つ指令信号SW_EN[2]をローレベルに設定することで作動チャネル数NUMを1に設定することができ、このとき、第1チャネルの単位回路ブロックBLKではスイッチング制御が実行される一方で第2チャネルの単位回路ブロックBLKではスイッチング制御が停止される。スイッチング管理回路19Aは、指令信号SW_EN[1]及びSW_EN[2]を共にハイレベルに設定することで作動チャネル数NUMを2に設定することができ、このとき、第1及び第2チャネルの単位回路ブロックBLKの双方でスイッチング制御が実行される。
例えばスイッチング管理回路19Aは負荷電流Ioutに応じて作動チャネル数NUMを調整できる。或いは例えば、スイッチング管理回路19Aは電源制御装置10の外部装置から電源制御装置10に供給されるコマンド信号に基づき作動チャネル数NUMを調整できる。今、長時間に亘って指令信号SW_EN[1]がハイレベル且つ指令信号SW_EN[2]がローレベルに設定され、第1チャネルの単位回路ブロックBLKのみにてスイッチング制御が行われることで出力電圧Voutが目標電圧Vtgの例である5Vにて安定化されている状況を想定する。また電源電圧VDDも5Vであると仮定する。この状況では第2チャネルの出力段回路MMが両オフ状態であることから第2チャネルのスイッチ電圧Vswは5Vであり、故に第2チャネルのブートコンデンサCbootは充電されていない。この状況から、第2チャネルでもスイッチング制御を行わせるべく指令信号SW_EN[2]をハイレベルに切り替えた場合において、仮に第2チャネルにて充電制御CC1を行ったならば出力電圧Voutが一時的に大きく低下するおそれがある(図8参照)。これに対し、指令信号SW_EN[2]のハイレベルへの切り替わりに応答し、第2チャネルにおいて充電制御CC2を行うようにすれば(スイッチング制御の開始前に充電制御CC2を行って第2チャネルの監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達してから第2チャネルのスイッチング制御を開始すれば)、出力電圧Voutの低下を殆どもたらすことなく、作動チャネル数NUMを増大させることができる。
<<第2実施形態>>
本開示の第2実施形態を説明する。第2実施形態は第1実施形態を基礎とする実施形態であり、第1実施形態にて示した事項は、矛盾無き限り、第2実施形態にも適用されて良い。但し、第2実施形態に示す技術を解釈するにあたり、第1実施形態で示した事項と矛盾する事項については第2実施形態での記載が優先されて良い。
第2実施形態で用いられる充電制御は、充電制御CC1であっても良いし、充電制御CC2であっても良い(図8及び図11参照)。第2実施形態ではモニタ回路17の構成例を示す。第2実施形態で示されるモニタ回路17の任意の構成例が、第1実施形態のモニタ回路17に適用されて良い。また第2実施形態に示す任意の技術を第1実施形態に適用することができる。
第2実施形態は以下の実施例EX2_1~EX2_5を含む。実施例EX2_1~EX2_5にて、モニタ回路17に関わる技術を説明する。
<<実施例EX2_1>>
実施例EX2_1を説明する。図17に実施例EX2_1に係るモニタ回路17であるモニタ回路17aの構成を示す。モニタ回路17aは、分圧抵抗51及び52と、コンパレータ53と、基準電圧源54と、レベルシフタ55と、を備える。モニタ回路17aでは、ブート端子BOOT及びスイッチ端子SW間の電圧差をコンパレータ53にてモニタし、コンパレータ53の出力レベルをレベルシフタ55を用いてロジック回路13の入力レベルに変換する。
モニタ回路17aの構成及び動作を詳細に説明する。分圧抵抗51の第1端はブート端子BOOT及びブート配線W_bootに接続されてブート電圧Vbootを受ける。分圧抵抗51の第2端及び分圧抵抗52の第1端はノード56にて共通接続される。分圧抵抗52の第2端はスイッチ端子SWに接続される。故に分圧抵抗52の第2端にはスイッチ電圧Vswが加わる。ノード56における電圧は電圧(Vsw+Vx1)である。電圧(Vsw+Vx1)はスイッチ電圧Vswから見て電圧Vx1だけ高い。電圧Vx1は分圧抵抗52の両端間電圧である。
分圧抵抗51及び52から成る分圧回路は、ブート電圧Vboot及びスイッチ電圧Vsw間の差電圧を分圧することで電圧Vx1を生成する。コンパレータ53の反転入力端子はノード56に接続されて電圧(Vsw+Vx1)を受ける。基準電圧源54はスイッチ端子SWの電位を基準に所定の正の基準電圧Vy1を生成し、スイッチ電圧Vswから見て基準電圧Vy1だけ高い電圧である電圧(Vsw+Vy1)をコンパレータ53の非反転入力端子に供給する。コンパレータ53はブート電圧Vbootを高電位側の電源電圧として且つスイッチ電圧Vswを低電位側の電源電圧として動作する。コンパレータ53は、自身の反転入力端子における電圧(Vsw+Vx1)を自身の非反転入力端子における電圧(Vsw+Vy1)と比較し、それらの高低関係を示す信号OUT53を出力する。信号OUT53はハイレベル又はローレベルを有する二値信号である。信号OUT53におけるハイレベルはブート電圧Vbootの電位を有し、信号OUT53におけるローレベルはスイッチ電圧Vswの電位を有する。信号OUT53はレベルシフタ55に入力される。コンパレータ53は、“Vsw+Vx1>Vsw+Vy1”の成立時においてローレベルの信号OUT53を出力し、“Vsw+Vx1<Vsw+Vy1”の成立時においてハイレベルの信号OUT53を出力する。“Vsw+Vx1=Vsw+Vy1”の成立時において信号OUT53はローレベル又はハイレベルを有する。実際にはコンパレータ53にヒステリシス特性を付与して良い。電圧(Vboot-Vsw)が上昇して閾電圧Vth_UVLOに達する時点を境に信号OUT53のレベルがハイレベルからローレベルに切り替わるよう、モニタ回路17a内の各定数が設定される。
レベルシフタ55に対してブート電圧Vboot、スイッチ電圧Vsw及び電源電圧VDDが供給され且つグランドの電圧が供給され、供給された各電圧に基づいてレベルシフタ55は信号OUT53をレベルシフトすることで保護信号S_UVLOを生成及び出力する。レベルシフタ55から出力される保護信号S_UVLOにおいて、ハイレベルは電源電圧VDDの電位を有し、ローレベルはグランド電位を有する。レベルシフタ55は、信号OUT53がハイレベルを有するときにハイレベルの保護信号S_UVLOを出力し、信号OUT53がローレベルを有するときにローレベルの保護信号S_UVLOを出力する。レベルシフタ55からの保護信号S_UVLOはロジック回路13に供給される。ロジック回路13はグランド電位を基準に電源電圧VDDに基づいて動作し、レベルシフタ55からの保護信号S_UVLOが持つ論理値を適正に読み取ることができる。
図18にレベルシフタ55の構成例を示す。図18のレベルシフタ55は、インバータ回路55_1、トランジスタ55_2及び55_3、抵抗55_4及び55_5、並びに、バッファ回路55_6を備える。トランジスタ55_2はPチャネル型のMOSFETであり、トランジスタ55_3はNチャネル型のMOSFETである。
インバータ回路55_1はブート電圧Vboot及びスイッチ電圧Vswを正側及び負側の電源電圧として動作し、信号OUT53の反転信号をトランジスタ55_2のゲートに出力する。インバータ回路55_1の出力信号において、ハイレベルはブート電圧Vbootの電位を有し、ローレベルはスイッチ電圧Vswの電位を有する。
抵抗55_4の第1端にはブート電圧Vbootが供給される。抵抗55_4の第2端はトランジスタ55_2のソースが接続される。トランジスタ55_2のドレインはトランジスタ55_3のドレインに接続される。トランジスタ55_3のソースは抵抗55_5の第1端に接続されると共にバッファ回路55_6の入力端に接続される。抵抗55_5の第2端はグランドに接続される。トランジスタ55_3のゲートには電源電圧VDDが供給される。バッファ回路55_6はグランド電位を基準に電源電圧VDDに基づいて駆動する。バッファ回路55_6は、自身の入力端の電圧(即ちトランジスタ55_3のソース電圧)が、境界電圧以上であればハイレベルの信号S_UVLOを出力し、境界電圧未満であればローレベルの信号S_UVLOを出力する。境界電圧は概ね電源電圧VDDの1/2である。
図18のレベルシフタ55の動作を説明する。信号OUT53のハイレベル期間において、インバータ回路55_1はローレベルの信号(スイッチ電圧Vswの電位を持つ信号)をトランジスタ55_2のゲートに供給することでトランジスタ55_2をオンさせる。トランジスタ55_2がオンであるとき、トランジスタ55_2のドレイン電流がトランジスタ55_3及び抵抗55_5を通じて流れ、当該電流によりバッファ回路55_6の入力端には上記境界電圧よりも高い電圧が加わる結果、保護信号S_UVLOはハイレベルとなる。逆に信号OUT53のローレベル期間において、インバータ回路55_1はハイレベルの信号(ブート電圧Vbootの電位を持つ信号)をトランジスタ55_2のゲートに供給することでトランジスタ55_2をオフさせる。トランジスタ55_2がオフであるとき、バッファ回路55_6の入力端には上記境界電圧よりも低い電圧(0Vの電圧)が加わるため、保護信号S_UVLOはローレベルとなる。尚、トランジスタ55_3の設置によりバッファ回路55_6への入力電圧は、電源電圧VDDよりトランジスタ55_3のゲート閾値電圧だけ低い電圧以下に制限され、結果、バッファ回路55_6の保護が図られる。
図18のレベルシフタ55では、トランジスタ55_2及び55_3として高耐圧素子を用いる必要がある。高耐圧素子は電源電圧VDDを超える電圧に対する耐性を持つ。高耐圧素子の素子サイズは比較的大きいことから、高耐圧素子の使用は半導体チップのコスト増大要因となる。また高耐圧素子として形成されるトランジスタのソース及びドレインには、半導体チップにおける半導体基板との間で比較的大きな寄生容量が付加される。スイッチ電圧Vswの変動時において当該寄生容量に電流が流れることで、レベルシフタ55内にノイズが発生しやすい。故に、このようなノイズの影響を抑止するための誤動作防止回路を図18のレベルシフタ55に追加することが好ましい。
<<実施例EX2_2>>
実施例EX2_2を説明する。図19に実施例EX2_2に係るモニタ回路17であるモニタ回路17bの構成を示す。モニタ回路17bは、トランジスタ61及び62と、抵抗63及び64と、コンパレータ65と、基準電圧源66と、を備える。トランジスタ61はPチャネル型のMOSFETであり、トランジスタ62はNチャネル型のMOSFETである。モニタ回路17bでは、ブート端子BOOT及びスイッチ端子SW間の電圧を適正なレベルを有する電圧(Vx2)へレベルシフトしてからコンパレータ65に供給する。
モニタ回路17bの構成及び動作を詳細に説明する。抵抗63の第1端はブート端子BOOT及びブート配線W_bootに接続されてブート電圧Vbootを受ける。抵抗63の第2端はトランジスタ61のソースに接続される。トランジスタ61のドレインはトランジスタ62のドレインに接続される。トランジスタ62のソースはノード67にて抵抗64の第1端に接続され、抵抗64の第2端はグランドに接続される。トランジスタ61のゲートはスイッチ端子SWに接続されてスイッチ電圧Vswを受ける。トランジスタ62のゲートには信号EN0が供給される。コンパレータ65の反転入力端子はノード67に接続され、ノード67における電圧Vx2を受ける。電圧Vx2は抵抗64で発生する電圧降下に等しい。基準電圧源66はグランド電位を基準に所定の正の基準電圧Vy2を生成してコンパレータ65の非反転入力端子に供給する。
コンパレータ65は自身の反転入力端子における電圧Vx2を自身の非反転入力端子における電圧Vy2と比較し、それらの高低関係を示す信号を保護信号S_UVLOとして出力する。コンパレータ65はグランド電位を基準に電源電圧VDDに基づいて動作し、コンパレータ65が出力する保護信号S_UVLOにおいて、ハイレベルは電源電圧VDDの電位を有し、ローレベルはグランド電位を有する。
信号EN0はハイレベル又はローレベルを有する二値信号である。ローレベルの信号EN0はグランド電位を有する。故に信号EN0のローレベル期間では、トランジスタ62はオフであって電圧Vx2は0Vとなり、結果、コンパレータ65からの保護信号S_UVLOはハイレベルを有する。ハイレベルの信号EN0はトランジスタ62のゲート閾値電圧よりも十分に高い電位を有する。故に信号EN0のハイレベル期間では、トランジスタ62はオンであり、電圧(Vboot-Vsw)に応じた電流がトランジスタ62を介して抵抗64に流れる。信号EN0はロジック回路13から出力される信号であり、基本的に信号EN0のレベルはハイレベルで固定される。例えば、指令信号SW_ENのローレベル期間では信号EN0はローレベルを有していて良いが、指令信号SW_ENのライズエッジを契機に信号EN0のレベルがハイレベルに切り替えられ、その後、スイッチング制御の開始直前からスイッチング制御の開始を経てスイッチング制御の実行期間中に亘り、継続的に信号EN0のレベルはハイレベルにて維持される。実施例EX2_2では、以下、特に記述なき限り、信号EN0がハイレベルを有していると考える。
ブートコンデンサCbootの充電が或る程度進むと抵抗63及びトランジスタ61を通じて電流が流れ、このとき抵抗63で発生する電圧降下は電圧(Vboot-Vsw-Vth61)である。ここで、Vth61は、トランジスタ61のゲート閾値電圧を表す。当該電圧(Vboot-Vsw-Vth61)と比(R64/R63)との積が電圧Vx2となる。このため、ゲート閾値電圧Vth61が十分に低いと仮定すると、電圧Vx2により電圧(Vboot-Vsw)をモニタできる。尚、R63及びR64は夫々抵抗63及び64が有する抵抗値を表す。
トランジスタ62は、スイッチとしての機能を備えると共に、電圧Vx2がコンパレータ65の耐圧を超えることが無いよう電圧Vx2を信号EN0のハイレベルよりトランジスタ62のゲート閾値電圧だけ低い電圧以下に制限する電圧クランプ機能を備える。典型的にはハイレベルの信号EN0は電源電圧VDDの電位を有するが、それ以外の電位を有していても良い。電圧(Vboot-Vsw)が上昇して閾電圧Vth_UVLOに達する時点を境にコンパレータ65の出力信号(S_UVLO)がハイレベルからローレベルに切り替わるよう、モニタ回路17b内の各定数が設定される。
図19のモニタ回路17bでは、トランジスタ61及び62として高耐圧素子を用いる必要がある。高耐圧素子は電源電圧VDDを超える電圧に対する耐性を持つ。高耐圧素子の素子サイズは比較的大きいことから、高耐圧素子の使用は半導体チップのコスト増大要因となる。また高耐圧素子として形成されるトランジスタのソース及びドレインには、半導体チップにおける半導体基板との間で比較的大きな寄生容量が付加される。スイッチ電圧Vswの変動時において当該寄生容量に電流が流れることで、モニタ回路17b内にノイズが発生しやすい。故に、このようなノイズの影響を抑止するための誤動作防止回路を図19のモニタ回路17bに追加することが好ましい。
<<実施例EX2_3>>
実施例EX2_3を説明する。図20に実施例EX2_3に係るモニタ回路17であるモニタ回路17cの構成を示す。モニタ回路17cは、分圧抵抗71及び72と、トランジスタ73(挿入トランジスタ)と、コンパレータ74と、基準電圧源75と、ラッチ回路76と、を備える。トランジスタ73はNチャネル型のMOSFETである。尚、ここでは、基準配線W_VSSにおける電圧を電圧VSSと称する。基準配線W_VSSはグランド端子GND(図1参照)に接続され、故にグランド電位を有する(後述の他の実施例でも同様)。即ち電圧VSSは0Vである。
実施例EX2_3では、ブートコンデンサCbootの過放電がスイッチング制御の停止期間中にのみ発生することに着目した。スイッチング制御の開始前、厳密にはスイッチング制御にてトランジスタMHを初回にオンに切り替える直前においてブートコンデンサCbootの充電の充足/不足を確認できれば良い。図20のモニタ回路17cは図19のモニタ回路17bと部分的に類似した回路構成を有するが、両者間で動作は全く異なる。図20において、トランジスタ73はスイッチ機能及び電圧クランプ機能を兼務し、トランジスタ73のオン期間においてグランド電位を基準にブート電圧Vbootが分圧されて、分圧値を持つ電圧Vx3がコンパレータ74に入力される。つまり図19のモニタ回路17bでは電圧Vboot及びVsw間の差を検出していたのに対し、図20のモニタ回路17cでは電圧Vboot及びVSS間の差を検出する。しかしトランジスタMLのオン期間においては、スイッチ電圧Vswは電圧VSSと略一致するため、電圧Vboot及びVSS間の差の検出は、電圧Vboot及びVsw間の差の検出と等価である。つまり、図20のモニタ回路17cにおいて、トランジスタMLのオン期間に信号EN1をハイレベルとしてトランジスタ73をオンに制御すれば、分圧抵抗72の電圧降下から、電圧Vboot及びVsw間の差を観測することができる。
モニタ回路17cの構成及び動作を詳細に説明する。分圧抵抗71の第1端はブート端子BOOT及びブート配線W_bootに接続されてブート電圧Vbootを受ける。分圧抵抗71の第2端はノードND1に接続される。分圧抵抗72の第1端はノードND2に接続される。分圧抵抗72の第2端は基準配線W_VSSに接続される。ノードND1及びND2間にトランジスタ73が挿入される。即ちトランジスタ73のドレインはノードND1に接続され、トランジスタ73のソースはノードND2に接続される。トランジスタ73のゲートにはロジック回路13から信号EN1が供給される。コンパレータ74の反転入力端子はノードND2に接続され、ノードND2における電圧Vx3を受ける。電圧Vx3は分圧抵抗72で発生する電圧降下に等しい。基準電圧源75はグランド電位を基準に所定の正の基準電圧Vy3を生成してコンパレータ74の非反転入力端子に供給する。
コンパレータ74は自身の反転入力端子における電圧Vx3を自身の非反転入力端子における電圧Vy3と比較し、それらの高低関係を示す検出信号S_DETを出力する。検出信号S_DETは、“Vx3<Vy3”の成立時においてハイレベルを有し、“Vx3>Vy3”の成立時においてローレベルを有し、“Vx3=Vy3”の成立時においてローレベル又はハイレベルを有する。ラッチ回路76からロジック回路13に対して検出信号S_DETに基づく保護信号S_UVLOが出力される。コンパレータ74及びラッチ回路76はグランド電位を基準に電源電圧VDDに基づいて動作する。検出信号S_DET及び保護信号S_UVLOにおいて、ハイレベルは電源電圧VDDの電位を有し、ローレベルはグランド電位を有する。
信号EN1はハイレベル又はローレベルを有する二値信号である。ローレベルの信号EN1はグランド電位を有する。故に信号EN1のローレベル期間では、トランジスタ73はオフであって電圧Vx3は0Vとなり、結果、コンパレータ74からの検出信号S_DETはハイレベルを有する。ハイレベルの信号EN1はトランジスタ73のゲート閾値電圧よりも十分に高い電位を有する。故に信号EN1のハイレベル期間では、トランジスタ73はオンであり、電圧Vboot及びVSS間の差に応じた電流、即ち電圧(Vboot-VSS)に応じた電流がトランジスタ73を介して分圧抵抗72に流れる。ロジック回路13はトランジスタMLのオン期間において信号EN1にハイレベルを設定できる。ロジック回路13は出力段回路MMが出力ハイ状態に設定される期間及び出力段回路MMが両オフ状態に設定される期間において信号EN1をローレベルに設定する。但し、出力段回路MMが出力ハイ状態又は両オフ状態に設定される期間において信号EN1がハイレベルに設定されることがあっても良い。しかしながら、トランジスタMLのオン期間においてのみ、電圧Vboot及びVsw間の差に相当する電圧がノードND2に現れるため、出力段回路MMが出力ハイ状態又は両オフ状態に設定される期間における検出信号S_DETは無効である。
電源制御装置10の初期状態においてラッチ回路76からの保護信号S_UVLOはハイレベルを有し、保護信号S_UVLOは原則としてハイレベルを有する。ラッチ回路76は、信号EN1のハイレベル期間における(従ってトランジスタML及び73のオン期間における)検出信号S_DETのレベルを監視する。そして信号EN1のハイレベル期間において、図21に示す如く検出信号S_DETにフォールエッジが発生すると、ラッチ回路76は検出信号S_DETのローレベルをラッチすることで保護信号S_UVLOのレベルをハイレベルからローレベルに切り替える。ラッチ回路76は信号EN1のローレベル期間における検出信号S_DETを無効とし、信号EN1のローレベル期間での検出信号S_DETに応答しない。尚、ラッチ回路76はロジック回路13に内蔵されるものであっても良い。以下では、ローレベルの検出信号S_DET又はローレベルの保護信号S_UVLOを低電圧解除信号と称する。低電圧解除信号は、監視対象電圧Vmntが過小である状態が解除されたことを示す信号であると共にトランジスタMHのオン制御禁止を解除する信号であり、ロジック回路13は、低電圧解除信号を受けた後にのみトランジスタMHをオンに制御し得る。ローレベルの検出信号S_DET又は保護信号S_UVLOはブートコンデンサCbootの充電が完了したことを示す信号であるとも言えるため、低電圧解除信号を充電完了信号と読み替えても良い。
分圧抵抗71及び72は基準配線W_VSS及びブート配線W_boot間の電圧、即ち、電圧(Vboot-VSS)を分圧する分圧回路を構成する。但し、当該分圧回路における分圧はトランジスタ73のオン期間においてのみ実現される。トランジスタ73のオン期間において、トランジスタ73のドレイン-ソース間電圧が十分に小さいとして無視すると、電圧Vx3は“Vx3=(Vboot-VSS)×R72/(R71+R72)”により表される。ここで、R71及びR72は夫々分圧抵抗71及び72が有する抵抗値を表す。トランジスタML及び73のオン期間における電圧Vx3を特に評価電圧Vx3と称する。上述したようにトランジスタMLのオン期間においてスイッチ電圧Vswは電圧VSSと略一致するため、評価電圧Vx3は“Vx3=(Vboot-Vsw)×R72/(R71+R72)”にて表されるとみなすことができる。つまり分圧抵抗71及び72から成る分圧回路は、トランジスタML及び73のオン期間において基準配線W_VSS及びブート配線W_boot間の電圧を分圧することでノードND2に監視対象電圧Vmnt(=Vboot-Vsw)に応じた評価電圧Vx3を発生させる。モニタ回路17cは、評価電圧Vx3を基準電圧Vy3と比較することで低電圧解除信号をロジック回路13に対して供給するか否かを決定する。
トランジスタ73は、スイッチとしての機能を備えると共に、電圧Vx3がコンパレータ74の耐圧を超えることが無いよう電圧Vx3を信号EN1のハイレベルよりトランジスタ73のゲート閾値電圧だけ低い電圧以下に制限する電圧クランプ機能を備える。典型的にはハイレベルの信号EN1は電源電圧VDDの電位を有するが、それ以外の電位を有していても良い。トランジスタML及び73がオンであるという前提の下、電圧(Vboot-Vsw)が上昇して閾電圧Vth_UVLOに達する時点を境にコンパレータ74の検出信号S_DETがハイレベルからローレベルに切り替わるよう、モニタ回路17c内の各定数が設定される。
トランジスタ73は高耐圧素子である。図20のモニタ回路17cではトランジスタ73以外に高耐圧素子を用いる必要がない。このため図20のモニタ回路17cでは、実施例EX2_1及びEX2_2に示したモニタ回路17a及び17bと比べて、半導体チップ上におけるモニタ回路のサイズを小さくすることができる。また図20のモニタ回路17cでは、トランジスタMLのオン期間にのみ電圧(Vboot-Vsw)を観測する方式を採用することから両オフ状態が維持されるスリープモード(図4参照)においてモニタ回路17cの動作を停止させることができる。従って、回路電流の大小が問題になりにくく、十分に低い抵抗値を持つ抵抗を抵抗71及び72として用いることが可能である。結果、高耐圧素子であるトランジスタ73のドレインに対し比較的大きな寄生容量が付加されるものの、抵抗71及び72を低抵抗とすることで寄生容量の影響は生じ難くなる。加えて、そもそもトランジスタMLのオン期間においてのみ電圧(Vboot-Vsw)を観測する方式を採用することから、スイッチ電圧Vswの遷移時の誤動作は発生しない。
図22は、スイッチング制御が開始される近辺のタイミングチャートであって且つ第1ケースに係るタイミングチャートである。図22には、上方から下方に向けて、指令信号SW_EN、制御信号Spwm、ゲート信号GH、ゲート信号GL、スイッチ電圧Vsw、コイル電流IL、監視対象電圧Vmnt、検出信号S_DET、保護信号S_UVLO、信号EN1の波形が示される(後述の図23でも同様)。時間の進行につれて時刻tD1、tD2、tD3が、この順番で訪れる。図22のタイミングチャートでは、充電制御CC1が用いられることが想定される(後述の図23でも同様)。
スイッチング制御が実行された後、スイッチング制御回路11の動作モードがスリープモードに設定されることなどにより、或る程度の時間だけ指令信号SW_ENがローレベルに維持され、その後に時刻tD1に至る。図22から明らかではないが、時刻tD1の直前において出力電圧Voutは目標電圧Vtgに近い正の電圧を持つものとする。ロジック回路13は、時刻tD1の前において指令信号SW_ENがローレベルに設定されることを契機に、又は、時刻tD1の前において指令信号SW_ENがハイレベルからローレベルに切り替えられた後、一定時間が経過したことを契機に、ラッチ回路76による保護信号S_UVLOのラッチを解消する。保護信号S_UVLOのラッチの解消により、保護信号S_UVLOのレベルは初期レベルであるハイレベルに設定される。時刻tD1の直前において保護信号S_UVLOはハイレベルを有する。また時刻tD1の直前において、コイル電流ILは0A(ゼロアンペア)である。
時刻tD1において指令信号SW_ENにライズエッジが生じる。指令信号SW_ENのライズエッジに応答して、PWM回路12はPWM周波数を有する制御信号Spwmの生成及び出力動作を開始する。図22の例では、時刻tD1にて制御信号Spwmにライズエッジが生じる。ロジック回路13は、指令信号SW_ENのライズエッジに応答し、時刻tD1にて出力段回路MMを両オフ状態から出力ロー状態に切り替える。出力段回路MMが出力ロー状態とされることでブートコンデンサCbootの充電により監視対象電圧Vmntが上昇してゆく。一方、出力電圧Voutが比較的高い状態にてトランジスタMLがオンとされることで負のコイル電流ILが発生し、時刻tD1よりコイル電流ILの大きさ(絶対値)が増大してゆく。
時刻tD2において監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達する。尚、既に述べた事項であるが、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達するとは、“Vmnt<Vth_UVLO”の成立状態から“Vmnt>Vth_UVLO”又は“Vmnt≧Vth_UVLO”の成立状態に遷移することを指す。図22の例において、ロジック回路13は、時刻tD1より低電圧解除信号(ローレベルの検出信号S_DET)が出力される時刻tD2まで、制御信号Spwmに依らず、出力段回路MMを出力ロー状態に維持し且つ信号EN1をハイレベルに維持する。このため、時刻tD1及びtD2間においてモニタ回路17cにより監視対象電圧Vmntの観測が行われる。時刻tD2にて監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達することで検出信号S_DETにフォールエッジが発生し、検出信号S_DETのフォールエッジに連動して保護信号S_UVLOにもフォールエッジが生じる。ロジック回路13は、保護信号S_UVLOのフォールエッジを契機にトランジスタMLをオンからオフに切り替え、且つ、信号EN1にフォールエッジを発生させる。
保護信号S_UVLOのフォールエッジを受けてロジック回路13はスイッチング制御の実行を許可する状態(換言すれば出力段回路MMを出力ハイ状態に設定することを許可する状態)に至り、以後、PWM周波数を有する制御信号Spwmに応じて出力段回路MMに対するスイッチング制御を実行する。図22の例では、時刻tD2にて制御信号Spwmはローレベルを有しており、制御信号Spwmにおける次回のライズエッジは時刻tD3にて発生する。故にロジック回路13は、時刻tD3における制御信号Spwmのライズエッジを契機に出力段回路MMを両オフ状態から出力ハイ状態に切り替え、以後、スイッチング制御を継続実行する。一旦、低電圧解除信号が出力されてスイッチング制御が開始されると、スイッチング制御の実行中には監視対象電圧Vmntが大きく低下することは無いため、監視対象電圧Vmntのモニタ(検出)は実施しない。尚、図22のタイミングチャートでは、時刻tD2及びtD3の期間の前半において負のコイル電流ILがトランジスタMHの寄生ダイオードを通じて流れることでスイッチ電圧Vswが入力電圧Vinと当該寄生ダイオードの順方向電圧の和に等しくなり、その後、時刻tD2及びtD3の期間の後半において“IL=0”となることでスイッチ電圧Vswが出力電圧Vout付近で共振する様子が示される。
ロジック回路13は、時刻tD3の後、指令信号SW_ENがローレベルに設定されることを契機に、又は、時刻tD3の後、指令信号SW_ENにフォールエッジが生じてから一定時間が経過したことを契機にラッチ回路76による保護信号S_UVLOのラッチを解消させて保護信号S_UVLOのレベルを初期レベル(ハイレベル)に戻して良い。
図23は、スイッチング制御が開始される近辺のタイミングチャートであって且つ第2ケースに係るタイミングチャートである。時間の進行につれて時刻tE1、tE2、tE3が、この順番で訪れる。
スイッチング制御が実行された後、スイッチング制御回路11の動作モードがスリープモードに設定されることなどにより、或る程度の時間だけ指令信号SW_ENがローレベルに維持され、その後に時刻tE1に至る。図23からは明らかではないが、時刻tE1の直前において出力電圧Voutは目標電圧Vtgに近い正の電圧を持つものとする。ロジック回路13は、時刻tE1の前において指令信号SW_ENがローレベルに設定されることを契機に、又は、時刻tE1の前において指令信号SW_ENがハイレベルからローレベルに切り替えられた後、一定時間が経過したことを契機に、ラッチ回路76による保護信号S_UVLOのラッチを解消する。保護信号S_UVLOのラッチの解消により、保護信号S_UVLOのレベルは初期レベルであるハイレベルに設定される。時刻tE1の直前において保護信号S_UVLOはハイレベルを有する。また時刻tE1の直前において、コイル電流ILは0A(ゼロアンペア)である。
時刻tE1において指令信号SW_ENにライズエッジが生じる。指令信号SW_ENのライズエッジに応答して、PWM回路12はPWM周波数を有する制御信号Spwmの生成及び出力動作を開始する。図23の例では、時刻tE1にて制御信号Spwmにライズエッジが生じる。ロジック回路13は、指令信号SW_ENのライズエッジに応答し、時刻tE1にて出力段回路MMを両オフ状態から出力ロー状態に切り替える。ロジック回路13は、時刻tE1より低電圧解除信号(ローレベルの検出信号S_DET)が出力される時刻tE2まで、制御信号Spwmに依らず、出力段回路MMを出力ロー状態に維持し且つ信号EN1をハイレベルに維持する。このため、時刻tE1及びtE2間においてモニタ回路17cにより監視対象電圧Vmntの観測が行われる。
図23に対応する第2ケースでは、図22に対応する第1ケースと比べて、指令信号SW_ENのライズエッジ前に存在していたスイッチング制御の停止期間が短く、故に時刻tE1における監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLO以上である、又は、時刻tE1の後、直ちに監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達する。故に時刻tE1の直後の時刻tE2にて検出信号S_DETにフォールエッジが発生する。時刻tE2における検出信号S_DETのフォールエッジに応答して保護信号S_UVLOにもフォールエッジが生じ、次いで信号EN1にもフォールエッジが生じる。このような第2ケースでは、制御信号Spwmの次の周期を待つことなく、ロジック回路13は、時刻tE2の直後の時刻tE3にてハイレベルの制御信号Spwmに従い、トランジスタMHをオフからオンに切り替える(時刻tE1にて制御信号Spwmにライズエッジが生じ、時刻tE2及びtE3の後に制御信号Spwmにフォールエッジが生じる)。つまり時刻tE1にて出力段回路MMを出力ロー状態に設定した後、出力段回路MMが両オフ状態に設定されることなく、時刻tE3にて出力段回路MMが出力ハイ状態に設定される(但し、デッドタイムによる両オフ状態の設定は存在する)。これにより出力電圧Voutの低下を小さくすることができる。
ロジック回路13は、時刻tE3の後、指令信号SW_ENがローレベルに設定されることを契機に、又は、時刻tE3の後、指令信号SW_ENにフォールエッジが生じてから一定時間が経過したことを契機にラッチ回路76による保護信号S_UVLOのラッチを解消させて保護信号S_UVLOのレベルを初期レベル(ハイレベル)に戻して良い。
図24は、スイッチング制御の短時間の停止を経てスイッチング制御が開始される近辺のタイミングチャートであって且つ第3ケースに係るタイミングチャートである。スイッチング制御の実行を経て指令信号SW_ENのフォールエッジを契機にスイッチング制御が停止された後、スイッチング制御の停止期間の長さが上述の放電基準時間Tdis(図13~図15参照)に達する前に指令信号SW_ENにライズエッジが発生したときには、ブートコンデンサCbootの放電は殆ど進行していないと考えられるため、図24に示す如く、トランジスタMLのオンを伴う充電制御を行うことなく、ロジック回路13は出力段回路MMを両オフ状態から出力ハイ状態に直接遷移させて良い。
<<実施例EX2_4>>
実施例EX2_4を説明する。図25に実施例EX2_4に係るモニタ回路17であるモニタ回路17dの構成を示す。モニタ回路17dは、トランジスタ77(挿入トランジスタ)と、コンパレータ74と、基準電圧源75と、ラッチ回路76と、を備える。トランジスタ77はNチャネル型のMOSFETである。図20のモニタ回路17cでは電圧Vboot及びVSS間の電圧を分圧してからコンパレータ74に入力していたが、図25のモニタ回路17dではブート電圧Vbootをトランジスタ77にてクランプすることで、コンパレータ74に過電圧が入力されないようにしている。
具体的には、トランジスタ77のドレインはブート端子BOOT及びブート配線W_bootに接続されてブート電圧Vbootを受ける。トランジスタ77のソースはノードND3に接続される。即ちトランジスタ77はブート配線W_boot及びノードND3間に設けられる。トランジスタ77のゲートにはスイッチング制御回路11の電源電圧VDDが入力される。ノードND3における電圧を電圧Vx4と称する。トランジスタ77は、電圧Vx4がコンパレータ74の耐圧を超えることが無いよう電圧Vx4を電圧(VDD-Vth77)以下に制限する。電圧(VDD-Vth77)は、電源電圧VDDよりトランジスタ77のゲート閾値電圧Vth77だけ低い電圧である。ノードND3には、ブート電圧Vbootと電圧(VDD-Vth77)の内、低い方の電圧が加わる。
モニタ回路17dにおけるコンパレータ74、基準電圧源75及びラッチ回路76は、モニタ回路17c(図20)におけるコンパレータ74、基準電圧源75及びラッチ回路76と同様の構成を持ち且つ同様の動作を行う。但し、モニタ回路17dにおいて、コンパレータ74の反転入力端子はノードND3に接続されてノードND3における電圧Vx4を受ける。またモニタ回路17dにおいて、基準電圧源75はグランド電位を基準に所定の正の基準電圧Vy4を生成してコンパレータ74の非反転入力端子に供給する。従ってモニタ回路17dにおけるコンパレータ74は、自身の反転入力端子における電圧Vx4を自身の非反転入力端子における電圧Vy4と比較し、それらの高低関係を示す検出信号S_DETを出力する。モニタ回路17dにおける検出信号S_DETは、“Vx4<Vy4”の成立時においてハイレベルを有し、“Vx4>Vy4”の成立時においてローレベルを有し、“Vx4=Vy4”の成立時においてローレベル又はハイレベルを有する。基準電圧Vy4は電圧(VDD-Vth77)より低い。
トランジスタMLのオン期間における電圧Vx4を特に評価電圧Vx4と称する。上述したようにトランジスタMLのオン期間においてスイッチ電圧Vswは電圧VSSと略一致するため、“Vboot<VDD-Vth77”であれば評価電圧Vx4は実質的に監視対象電圧Vmntに等しい。つまりモニタ回路17dは、トランジスタMLのオン期間において監視対象電圧Vmnt(=Vboot-Vsw)に応じた評価電圧Vx4をノードND3に発生させることができる。モニタ回路17dは、評価電圧Vx4を基準電圧Vy4と比較することで上記の低電圧解除信号をロジック回路13に対して供給するか否かを決定することになる。トランジスタMLのオン期間において“Vboot≧VDD-Vth77”であれば、基準電圧Vy4より高い電圧(VDD-Vth77)がコンパレータ74の反転入力端子に供給されてローレベルの検出信号S_DETが発生するが、トランジスタMLのオン期間において“Vboot≧VDD-Vth77”である状態は“Vmnt≧Vth_UVLO”の状態に相当するため、問題は無い。
出力段回路MMが出力ハイ状態又は両オフ状態であるときの検出信号S_DETは無効である。ロジック回路13は、ラッチ回路76のラッチ動作を制御するための信号EN1をラッチ回路76に供給する。ロジック回路13はブートコンデンサCbootの充電制御を行うときにおいてトランジスタMLのオン期間にのみ信号EN1に対してハイレベルを設定すれば良い。ロジック回路13は出力段回路MMが出力ハイ状態に設定される期間及び出力段回路MMが両オフ状態に設定される期間において信号EN1をローレベルに設定する。ラッチ回路76は信号EN1のローレベル期間における検出信号S_DETを無効とし、信号EN1のローレベル期間での検出信号S_DETに応答しない。
電源制御装置10の初期状態においてラッチ回路76からの保護信号S_UVLOはハイレベルを有し、保護信号S_UVLOは原則としてハイレベルを有する。ラッチ回路76は、信号EN1のハイレベル期間における(従ってトランジスタMLのオン期間における)検出信号S_DETのレベルを監視する。そして信号EN1のハイレベル期間において、ラッチ回路76は、検出信号S_DETにフォールエッジが発生すると検出信号S_DETのローレベルをラッチすることで保護信号S_UVLOのレベルをハイレベルからローレベルに切り替える(図21参照)。上述したように、ローレベルの検出信号S_DET又はローレベルの保護信号S_UVLOは低電圧解除信号(充電完了信号)として機能する。尚、ラッチ回路76はロジック回路13に内蔵されるものであっても良い。トランジスタMLがオンであるという前提の下、電圧(Vboot-Vsw)が上昇して閾電圧Vth_UVLOに達する時点を境にコンパレータ74の検出信号S_DETがハイレベルからローレベルに切り替わるよう、モニタ回路17d内の各定数が設定される。
トランジスタ77は高耐圧素子である。図25のモニタ回路17dではトランジスタ77以外に高耐圧素子を用いる必要がない。このため図25のモニタ回路17dでは、実施例EX2_1及びEX2_2に示したモニタ回路17a及び17bと比べて、半導体チップ上におけるモニタ回路のサイズを小さくすることができる。図20のモニタ回路17cでは分圧を利用することからコンパレータ74に供給する基準電圧Vy3を自由に設定できる。これに対し、図25のモニタ回路17dでは、電圧(VDD-Vth77)と比べて基準電圧Vy4を低く設定するという制約がある。しかしながら、モニタ回路17dでは分圧抵抗が用いられないため、コンパレータ74への入力信号(Vx4)を低インピーダンスにすることができ、結果、寄生容量の影響をモニタ回路17cより更に受けにくくなる。更に分圧抵抗に流れる分の回路電流がモニタ回路17dではゼロとなる。
<<実施例EX2_5>>
実施例EX2_5を説明する。実施例EX2_3に係るモニタ回路17c及び実施例EX2_4に係るモニタ回路17dを、図1のモニタ回路17として用いる場合の動作について説明を追加する。
モニタ回路17c及び17dは共にトランジスタMLのオン期間にのみ監視対象電圧Vmnt(=Vboot-Vsw)を観測する方式を採用しており、トランジスタMLのオフ期間において監視対象電圧Vmntに応じた電圧はモニタ回路17c及び17d内に発生しない。スイッチング制御回路11は、監視対象電圧Vmntが閾電圧Vth_UVLOに達したことを示す低電圧解除信号がモニタ回路17c又は17dから供給されるまでトランジスタMHをオフ状態に維持する。トランジスタMLのオン期間にのみ監視対象電圧Vmntを観測する方式を採用することで享受されるメリットは実施例EX2_3又はEX2_4に示した通りである。
スイッチング制御回路11は、スイッチング制御の停止によりトランジスタMH及びMLをオフに維持した後、スイッチング制御の実行を指令する実行指令信号(ハイレベルの指令信号SW_EN)を受けてスイッチング制御を開始する場合に、スイッチング制御の開始前にて監視対象電圧Vmntの観測を伴う充電制御を実行する。当該充電制御において、スイッチング制御回路11は、トランジスタMHをオフに維持しつつトランジスタMLをオンとする充電期間を設けることでブートコンデンサCbootを充電させ、充電期間においてモニタ回路17c又は17dに監視対象電圧Vmntの観測を行わせる。
ここにおける充電制御として、実施例EX2_3では充電制御CC1が用いられることを想定した(図22参照)。実施例EX2_4でも充電制御CC1が用いられて良い。スイッチング制御回路11は、充電制御CC1において、モニタ回路17c又は17dから低電圧解除信号が出力されるまでトランジスタMLを継続的にオンに保つ。
但し、実施例EX2_3及びEX2_4において、第1実施形態で述べた充電制御CC2(図11等参照)が用いられても良い。この場合、スイッチング制御回路11は、充電制御CC2において、モニタ回路17c又は17dから低電圧解除信号が出力されるまでトランジスタMLを断続的にオンに設定する場合がある。充電制御CC2に関わるスイッチング制御回路11の動作の詳細は第1実施形態にて示した通りである。
第2実施形態において、充電制御CC2が用いられる場合におけるロジック回路13の状態遷移は、図12又は図13に従うものであって良い。即ち、スイッチング制御回路11は、スイッチング制御の停止によりトランジスタMH及びMLをオフに維持した後、実行指令信号(ハイレベルの指令信号SW_EN)の受信に基づきスイッチング制御を開始する場合にスイッチング制御の開始前にて充電制御CC2(状態ST2のみの動作、又は、状態ST2及びST3間の遷移を伴う動作)を実行し、スイッチング制御の実行期間において充電制御CC2を非実行とする。第2実施形態において充電制御CC1が用いられる場合も同様であり、ロジック回路13の状態遷移図は図12又は図13に類似する。但し、充電制御CC1が用いられる場合にあっては、図12及び図13の状態遷移図から状態ST3が削除され、状態ST2及びST3間の遷移は無いものと解される。充電制御CC1が用いられる場合も、充電制御CC2が用いられる場合と同様に、スイッチング制御回路11は、スイッチング制御の停止によりトランジスタMH及びMLをオフに維持した後、実行指令信号(ハイレベルの指令信号SW_EN)の受信に基づきスイッチング制御を開始する場合にスイッチング制御の開始前にて充電制御CC1(状態ST2のみの動作)を実行し、スイッチング制御の実行期間において充電制御CC1を非実行とする。
第2実施形態において、充電制御CC1又はCC2が用いられる場合におけるロジック回路13の状態遷移が図13に従うものである場合、スイッチング制御回路11の動作は以下の通りとなる。即ちスイッチング制御回路11は、ロジック回路13が状態ST1にあるときにスイッチング制御の実行を指令する実行指令信号(ハイレベルの指令信号SW_EN)を受けると、充電制御CC1又はCC2を経てから状態ST4へ遷移してスイッチング制御を開始する。充電制御CC1は状態ST2のみにて実現される。充電制御CC2は、状態ST2のみにて実現される場合もあるし、状態ST2及びST3間の遷移を伴う場合もある。その後、スイッチング制御回路11は、スイッチング制御の停止を指令する停止指令信号(ローレベルの指令信号SW_EN)を受けるとスイッチング制御を停止し且つ当該停止指令信号に基づきスイッチング制御を停止してからの経過時間Tstpを計測する。この経過時間Tstpが放電基準時間Tdisに達した後に実行指令信号(ハイレベルの指令信号SW_EN)を再度受けると、図26に示す如く、スイッチング制御回路11は充電制御CC1又はCC2を再度経てからスイッチング制御を再開する。一方、経過時間Tstpが放電基準時間Tdisに達する前に実行指令信号を再度受けると、図27に示す如く、スイッチング制御回路11は再度の充電制御CC1又はCC2を経ることなくスイッチング制御を再開する。
<<補足>>
上述の各実施形態に対する補足事項等を説明する。
図1のスイッチング電源装置1を任意の電気機器に搭載することができる。当該電気機器は自動車等の車両に搭載される電装機器であって良いし、コンピュータ装置であっても良いし、家電機器又は産業用機器であっても良い。
スイッチング電源装置1を内包する複合電源装置を形成しても良い。複合電源装置は、複数のスイッチング電源装置を備えるか、或いは、1以上のスイッチング電源装置(スイッチングレギュレータ)と1以上のリニアレギュレータとを備える。複合電源装置に設けられる電源制御装置は所謂PMIC(Power Management IC)であって良い。
任意の信号又は電圧に関して、上述の主旨を損なわない形で、それらのハイレベルとローレベルの関係は上述したものの逆とされ得る。
上述の実施形態に示されたFET(電界効果トランジスタ)のチャネルの種類は例示である。上述の主旨を損なわない形で、任意のFETのチャネルの種類はPチャネル型及びNチャネル型間で変更され得る。
不都合が生じない限り、上述の任意のトランジスタは、任意の種類のトランジスタであって良い。例えば、MOSFETとして上述された任意のトランジスタを、不都合が生じない限り、接合型FET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はバイポーラトランジスタに置き換えることも可能である。任意のトランジスタは第1電極、第2電極及び制御電極を有する。FETにおいては、第1及び第2電極の内の一方がドレインで他方がソースであり且つ制御電極がゲートである。IGBTにおいては、第1及び第2電極の内の一方がコレクタで他方がエミッタであり且つ制御電極がゲートである。IGBTに属さないバイポーラトランジスタにおいては、第1及び第2電極の内の一方がコレクタで他方がエミッタであり且つ制御電極がベースである。
本開示の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。以上の実施形態は、あくまでも、本開示の実施形態の例であって、本開示ないし各構成要件の用語の意義は、以上の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。上述の説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。
<<第1付記>>
主として第1実施形態に対応する技術について第1付記を設ける。
本開示の一側面に係る電源制御装置は(図1及び図11参照)、直流/直流変換によって入力電圧(Vin)から出力電圧(Vout)を生成するよう構成されたスイッチング電源装置(1)に設けられる電源制御装置(10)であって、前記入力電圧の印加端(IN)とスイッチ端子(SW)との間に設けられたハイサイドトランジスタ(MH)及び前記スイッチ端子と前記入力電圧より低いグランド電位を持つグランド端子(GND)との間に設けられたローサイドトランジスタ(ML)を有する出力段回路(MM)が前記スイッチング電源装置に設けられ、前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン/オフ制御を通じて前記スイッチ端子に生じたスイッチ電圧(Vsw)がコイル(L1)及び出力コンデンサ(Cout)を用いて整流及び平滑化されることで前記出力電圧が生成され、当該電流制御装置は、前記ハイサイドトランジスタのゲートを駆動するよう構成されたハイサイドドライバ(14)と、前記ローサイドトランジスタのゲートを駆動するよう構成されたローサイドドライバ(15)と、前記出力電圧に応じた帰還電圧(Vfb)に基づき前記ローサイドドライバ及び前記ハイサイドドライバを用いて前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン/オフ状態を制御するよう構成されたスイッチング制御回路(11)と、前記スイッチ端子に対しブートコンデンサ(Cboot)を介して接続され、前記ハイサイドドライバでの高電位側の電源電圧として機能するブート電圧(Vboot)が加わるよう構成されたブート端子(BOOT)と、前記ローサイドトランジスタのオン期間において前記スイッチ端子を低電位側にして前記ブートコンデンサに充電電流を供給するよう構成された整流素子(Dboot)と、前記出力電圧が加わる出力端子(OUT)から前記コイル及び前記スイッチ端子を介して前記ローサイドトランジスタに向かう向きに逆流電流が所定量以上流れる特定逆流状態を検出するよう構成された逆流検出回路(16)と、前記スイッチ電圧から見た前記ブート電圧の高さを監視対象電圧(Vmnt)として監視するよう構成されたモニタ回路(17)と、を備え、前記スイッチング制御回路により、前記出力段回路の状態は、前記ハイサイドトランジスタがオン且つ前記ローサイドトランジスタがオフとなる出力ハイ状態、前記ハイサイドトランジスタがオフ且つ前記ローサイドトランジスタがオンとなる出力ロー状態、又は、前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタの双方にオフとなる両オフ状態に設定され、前記スイッチング制御回路は、前記監視対象電圧が閾電圧(Vth_UVLO)より低い状態において前記出力段回路を前記出力ロー状態に設定した後、前記監視対象電圧が前記閾電圧に達するか又は前記特定逆流状態が検出されるまで前記出力段回路を前記出力ロー状態に維持し、前記出力段回路が前記出力ロー状態に設定された状態において前記監視対象電圧が前記閾電圧に達する前に前記特定逆流状態が検出された場合には、前記出力段回路の状態を前記両オフ状態に切り替え且つ所定の待機時間(Tw)だけ前記出力段回路を前記両オフ状態に保ってから前記出力ロー状態に戻す逆流制限動作(J2)を実行し、前記監視対象電圧が前記閾電圧に達することを契機に前記出力段回路を前記出力ハイ状態に設定することを許可する構成(以下、構成A1と称する)である。
これにより、ブートコンデンサの充電の際に大きな逆流電流の発生を抑制でき、過大な逆流電流からローサイドトラジスタを保護することができる。また逆流電流による出力電圧の過度の低下が抑止され、出力電圧の低下による負荷(出力電圧に基づき駆動する負荷)への悪影響も抑制される。
上記構成A1に係る電源制御装置において(図1及び図11参照)、前記スイッチング制御回路は、前記監視対象電圧が前記閾電圧に達した後において、前記帰還電圧に応じて生成した制御信号(Spwm)に基づき前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタを交互にオン、オフさせるスイッチング制御を開始する構成(以下、構成A2と称する)であっても良い。
上記構成A2に係る電源制御装置において(図9及び図10参照)、前記逆流検出回路は、前記スイッチング制御の実行期間において前記逆流電流の大きさが第1電流閾値(Isht1)を超える第1逆流状態を検出可能に構成され、前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング制御の実行期間にて前記制御信号に基づき前記出力段回路を前記出力ロー状態に設定した後、前記逆流検出回路により前記第1逆流状態が検出されると前記制御信号に依らず前記出力段回路を前記出力ロー状態から前記両オフ状態に切り替える逆流抑止動作(J1)を実行し、前記逆流検出回路は、前記第1逆流状態を検出するための回路と共通の回路を用いて、前記逆流電流の大きさが前記第1電流閾値より大きな第2電流閾値(Isht2)を超える第2逆流状態を前記特定逆流状態として検出する構成(以下、構成A3と称する)であっても良い。
第1逆流状態の検出に伴う逆流抑止動作により軽負荷時の効率向上が図られる。軽負荷時の効率向上のために設けられる回路と共通の回路を用い、電流閾値をずらすことで、ブートコンデンサの充電の際に特定逆流状態(第2逆流状態)を検出することができる。このため、逆流制限動作の実現するために追加すべき回路は軽微で済む(チップコストの増大は軽微で済む)。
上記構成A2又はA3に係る電源制御装置において(図11参照)、前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング制御の実行を指令する実行指令信号(ハイレベルの指令信号SW_EN)を受けて前記スイッチング制御を開始する場合に、前記スイッチング制御の開始前にて充電制御(CC2)を実行し、前記スイッチング制御回路は、前記充電制御において、前記監視対象電圧が前記閾電圧より低い状態にて前記出力段回路を前記出力ロー状態に設定した後、前記監視対象電圧が前記閾電圧に達するか又は前記特定逆流状態が検出されるまで前記出力段回路を前記出力ロー状態に維持する動作を実行し、且つ、前記出力段回路が前記出力ロー状態に設定された状態において前記監視対象電圧が前記閾電圧に達する前に前記特定逆流状態が検出された場合には前記逆流制限動作を実行し、前記スイッチング制御回路は、前記充電制御の開始後、前記監視対象電圧が前記閾電圧に達した後に前記スイッチング制御を開始する構成(以下、構成A4と称する)であっても良い。
上記構成A4に係る電源制御装置において(図11及び図12参照)、前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング制御の停止期間を経て前記実行指令信号の受信に基づき前記スイッチング制御を開始する場合に前記スイッチング制御の開始前にて前記充電制御を実行し、前記スイッチング制御の実行期間において前記充電制御を非実行とする構成(以下、構成A5と称する)であっても良い。
上記構成A4又はA5に係る電源制御装置において(図13~図15参照)、前記スイッチング制御回路は、前記実行指令信号を受けて前記充電制御を経てから前記スイッチング制御を開始した後、前記スイッチング制御の停止を指令する停止指令信号(ローレベルの指令信号SW_EN)を受けると前記スイッチング制御を停止し且つ前記スイッチング制御を停止してからの経過時間(Tstp)を計測し、前記経過時間が所定時間(Tdis)に達した後に前記実行指令信号を再度受けると前記充電制御を再度経てから前記スイッチング制御を再開し、前記経過時間が前記所定時間に達する前に前記実行指令信号を再度受けると再度の前記充電制御を経ることなく前記スイッチング制御を再開する構成(以下、構成A6と称する)であっても良い。
これにより、実行指令信号を受けるたびに常に充電制御を行ってからスイッチング制御を開始する場合と比べて、電力効率の向上又は応答性能の向上が期待される。
<<第2付記>>
主として第2実施形態に対応する技術について第2付記を設ける。
本開示の他の一側面に係る電源制御装置は(図1と図20又は図25とを参照)、直流/直流変換によって入力電圧(Vin)から出力電圧(Vout)を生成するよう構成されたスイッチング電源装置(1)に設けられる電源制御装置(10)であって、前記入力電圧の印加端(IN)とスイッチ端子(SW)との間に設けられたハイサイドトランジスタ(MH)及び前記スイッチ端子と前記入力電圧より低いグランド電位を持つグランド端子(GND)との間に設けられたローサイドトランジスタ(ML)を有する出力段回路(MM)が前記スイッチング電源装置に設けられ、前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン/オフ制御を通じて前記スイッチ端子に生じたスイッチ電圧(Vsw)が整流及び平滑化されることで前記出力電圧が生成され、当該電流制御装置は、前記ハイサイドトランジスタのゲートを駆動するよう構成されたハイサイドドライバ(14)と、前記ローサイドトランジスタのゲートを駆動するよう構成されたローサイドドライバ(15)と、前記出力電圧に応じた帰還電圧(Vfb)に基づき前記ローサイドドライバ及び前記ハイサイドドライバを用いて前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン/オフ状態を制御するよう構成されたスイッチング制御回路(11)と、前記スイッチ端子に対しブートコンデンサ(Cboot)を介して接続され、前記ハイサイドドライバでの高電位側の電源電圧として機能するブート電圧(Vboot)が加わるよう構成されたブート端子(BOOT)と、前記ローサイドトランジスタのオン期間において前記スイッチ端子を低電位側にして前記ブートコンデンサに充電電流を供給するよう構成された整流素子(Dboot)と、前記スイッチ電圧から見た前記ブート電圧の高さを監視対象電圧(Vmnt)として監視するよう構成されたモニタ回路(17)と、を備え、前記モニタ回路は、前記ローサイドトランジスタのオン期間のみにおいて前記監視対象電圧を観測し、前記スイッチング制御回路は、前記監視対象電圧が閾電圧(Vth_UVLO)を達したことを示す低電圧解除信号が前記モニタ回路から供給されるまで前記ハイサイドトランジスタをオフに維持する構成(以下、構成B1と称する)である。
ローサイドトランジスタのオン期間において、ブート端子及びスイッチ端子間の電圧はブート端子及びグランド端子間の電圧に実質的に等しい。このため、ローサイドトランジスタのオン期間においてブート端子及びグランド端子間の電圧を検出することで、ブート端子及びスイッチ端子間の電圧(即ち監視対象電圧)を観測可能である。このような方式の採用により、高耐圧素子の使用数を低減することができ、故にモニタ回路のサイズを低減することが可能となる。
上記構成B1に係る電源制御装置において(図20参照)、前記モニタ回路は、前記グランド電位を持つ基準配線(W_VSS)と前記ブート電圧が加わるブート配線(W_boot)との間に設けられた分圧回路(71、72)を有し、前記分圧回路により前記ローサイドトランジスタのオン期間において前記基準配線及び前記ブート配線間の電圧を分圧することで前記監視対象電圧に応じた評価電圧(Vx3)を発生させ、前記評価電圧に基づき前記スイッチング制御回路に対する前記低電圧解除信号の供給/非供給を決定する構成(以下、構成B2と称する)であっても良い。
これにより、高耐圧素子の使用数を低減することができ、故にモニタ回路のサイズを低減することが可能となる。また、ローサイドトランジスタのオン期間にのみ監視対象電圧を観測する方式を採用することからスリープモード等においてモニタ回路の動作を停止させることができる。従って、回路電流の大小が問題になりにくく、十分に低い抵抗値を持つ抵抗により分圧回路を形成できる。結果、高耐圧素子に比較的大きな寄生容量が付加されるものの、寄生容量の影響は生じ難い。加えて、ローサイドトランジスタのオン期間にのみ監視対象電圧を観測する方式を採用することから、スイッチ電圧の遷移時に誤動作が生じるおそれもない。
上記構成B2に係る電源制御装置において、前記分圧回路は、前記ブート配線及び第1ノード間に設けられる第1分圧抵抗(71)と、第2ノード及び前記基準配線間に設けられる第2分圧抵抗(72)と、前記第1ノード及び前記第2ノード間に挿入され且つ前記ローサイドトランジスタのオン期間においてオンに制御される挿入トランジスタ(73)と、を備え、前記モニタ回路は、前記ローサイドトランジスタ及び前記挿入トランジスタのオン期間における前記第2ノードでの電圧を前記評価電圧として用い、前記評価電圧を前記グランド電位から見て所定電圧だけ高い電圧(Vy3)と比較することで前記スイッチング制御回路に対する前記低電圧解除信号の供給/非供給を決定する構成(以下、構成B3と称する)であっても良い。
上記構成B1に係る電源制御装置において(図25参照)、前記モニタ回路は、前記ブート電圧が加わるブート配線(W_boot)と特定ノード(ND3)との間に設けられたトランジスタであって且つ前記スイッチング制御回路の電源電圧(VDD)をゲートにて受けるよう構成された挿入トランジスタ(77)を有し、前記ローサイドトランジスタのオン期間において前記監視対象電圧に応じた評価電圧(Vx4)を前記特定ノードに発生させ、前記評価電圧に基づき前記スイッチング制御回路に対する前記低電圧解除信号の供給/非供給を決定する構成(以下、構成B4と称する)であっても良い。
これにより、高耐圧素子の使用数を低減することができ、故にモニタ回路のサイズを低減することが可能となる。また、高耐圧素子に比較的大きな寄生容量が付加されるものの、分圧抵抗を用いる必要がないことから、特定ノードにおける信号の低インピーダンス化が可能となり、寄生容量の影響は生じ難い。加えて、ローサイドトランジスタのオン期間にのみ監視対象電圧を観測する方式を採用することから、スイッチ電圧の遷移時に誤動作が生じるおそれもない。
上記構成B4に係る電源制御装置において、前記特定ノードには、前記ブート電圧と、前記スイッチング制御回路の電源電圧より前記挿入トランジスタのゲート閾値電圧だけ低い電圧と、の内、低い方の電圧が加わり、前記モニタ回路は、前記評価電圧を前記グランド電位から見て所定電圧だけ高い電圧(Vy4)と比較することで前記スイッチング制御回路に対する前記低電圧解除信号の供給/非供給を決定する構成(以下、構成B5と称する)であっても良い。
上記構成B1~B5の何れかに係る電源制御装置において、前記スイッチング制御回路は、前記帰還電圧に応じて生成した制御信号(Spwm)に基づき前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタを交互にオン、オフさせるスイッチング制御を実行可能であり、前記低電圧解除信号の供給を受けた後において前記スイッチング制御を開始する構成(以下、構成B6と称する)であっても良い。
上記構成B6に係る電源制御装置において、前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング制御の停止により前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタをオフに維持した後、前記スイッチング制御の実行を指令する実行指令信号(ハイレベルの指令信号SW_EN)を受けて前記スイッチング制御を開始する場合に、前記スイッチング制御の開始前にて前記監視対象電圧の観測を伴う充電制御(CC1又はCC2)を実行し、前記スイッチング制御回路は、前記充電制御において、前記ハイサイドトランジスタをオフに維持しつつ前記ローサイドトランジスタをオンとする充電期間を設けることで前記ブートコンデンサを充電させ、前記スイッチング制御回路は、前記充電期間において前記モニタ回路に前記監視対象電圧の観測を行わせる構成(以下、構成B7と称する)であっても良い。
上記構成B7に係る電源制御装置において、前記スイッチング制御回路は、前記充電制御において、前記モニタ回路から前記低電圧解除信号が出力されるまで前記ローサイドトランジスタを継続的にオンに保つ構成(以下、構成B8と称する)であっても良い。
上記構成B7に係る電源制御装置において、前記スイッチング制御回路は、前記充電制御において、前記モニタ回路から前記低電圧解除信号が出力されるまで前記ローサイドトランジスタを断続的にオンに設定する構成(以下、構成B9と称する)であっても良い。
上記構成B7~B9の何れかに係る電源制御装置において、前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング制御の停止期間を経て前記実行指令信号の受信に基づき前記スイッチング制御を開始する場合に前記スイッチング制御の開始前にて前記充電制御を実行し、前記スイッチング制御の実行期間において前記充電制御を非実行とする構成(以下、構成B10と称する)であっても良い。
上記構成B7~B9に係る電源制御装置において(図26及び図27参照)、前記スイッチング制御回路は、前記実行指令信号を受けて前記充電制御を経てから前記スイッチング制御を開始した後、前記スイッチング制御の停止を指令する停止指令信号(ローレベルの指令信号SW_EN)を受けると前記スイッチング制御を停止し且つ前記スイッチング制御を停止してからの経過時間(Tstp)を計測し、前記経過時間が所定時間(Tdis)に達した後に前記実行指令信号を再度受けると前記充電制御を再度経てから前記スイッチング制御を再開し、前記経過時間が前記所定時間に達する前に前記実行指令信号を再度受けると再度の前記充電制御を経ることなく前記スイッチング制御を再開する構成(以下、構成B11と称する)であっても良い。
これにより、実行指令信号を受けるたびに常に充電制御を行ってからスイッチング制御を開始する場合と比べて、電力効率の向上又は応答性能の向上が期待される。
1、1A スイッチング電源装置
10 電源制御装置
Vin 入力電圧
Vout 出力電圧
Vsw スイッチ電圧
Vfb 帰還電圧
Vboot ブート電圧
VDD 電源電圧
IL コイル電流
Iout 負荷電流
IN 入力端子
SW スイッチ端子
GND グランド端子
BOOT ブート端子
FB 帰還端子
OUT 出力端子
L1 コイル
R1、R2 帰還抵抗
Cout 出力コンデンサ
LD 負荷
MM 出力段回路
MH、ML トランジスタ
11 スイッチング制御回路
12 PWM回路
13 ロジック回路
14 ハイサイドドライバ
15 ローサイドドライバ
16 逆流検出回路
17 モニタ回路
18 軽負荷検出コンパレータ
19、19A スイッチング管理回路
Dboot ダイオード
Vref1、Vref2 基準電圧
Spwm 制御信号
INH、INL 駆動指示信号
GH、GL ゲート信号
Srvs 逆流検出信号
S_UVLO 保護信号
SLP スリープ信号
SW_EN、SW_EN[1]、SW_EN[2] 指令信号
Vmnt 監視対象電圧
Vth_UVLO 閾電圧
31 エラーアンプ
32 差動アンプ
33 ランプ電圧生成回路
34 コンパレータ
Verr 誤差電圧
Isns 電圧
Vc 対比電圧
Vramp ランプ電圧
41 コンパレータ
42 センス抵抗
43、44 抵抗
45 電流源
Isht、Isht1、Isht2 シフト電流
BLK 単位回路ブロック
17a、17b、17c、17d モニタ回路
W_boot ブート配線
W_VSS 基準配線
51、52 分圧抵抗
53 コンパレータ
54 基準電圧源
55 レベルシフタ
55_1 インバータ回路
55_2、55_3 トランジスタ
55_4、55_5 抵抗
55_6 バッファ回路
61 トランジスタ
63、64 抵抗
65 コンパレータ
66 基準電圧源
71、72 分圧抵抗
73、77 トランジスタ(挿入トランジスタ)
74 コンパレータ
75 基準電圧源
76 ラッチ回路
Vx1~Vx4 電圧
Vy1~Vy4 基準電圧

Claims (11)

  1. 直流/直流変換によって入力電圧から出力電圧を生成するよう構成されたスイッチング電源装置に設けられる電源制御装置であって、前記入力電圧の印加端とスイッチ端子との間に設けられたハイサイドトランジスタ及び前記スイッチ端子と前記入力電圧より低いグランド電位を持つグランド端子との間に設けられたローサイドトランジスタを有する出力段回路が前記スイッチング電源装置に設けられ、前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン/オフ制御を通じて前記スイッチ端子に生じたスイッチ電圧が整流及び平滑化されることで前記出力電圧が生成され、
    当該電流制御装置は、
    前記ハイサイドトランジスタのゲートを駆動するよう構成されたハイサイドドライバと、
    前記ローサイドトランジスタのゲートを駆動するよう構成されたローサイドドライバと、
    前記出力電圧に応じた帰還電圧に基づき前記ローサイドドライバ及び前記ハイサイドドライバを用いて前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタのオン/オフ状態を制御するよう構成されたスイッチング制御回路と、
    前記スイッチ端子に対しブートコンデンサを介して接続され、前記ハイサイドドライバでの高電位側の電源電圧として機能するブート電圧が加わるよう構成されたブート端子と、
    前記ローサイドトランジスタのオン期間において前記スイッチ端子を低電位側にして前記ブートコンデンサに充電電流を供給するよう構成された整流素子と、
    前記スイッチ電圧から見た前記ブート電圧の高さを監視対象電圧として監視するよう構成されたモニタ回路と、を備え、
    前記モニタ回路は、前記ローサイドトランジスタのオン期間のみにおいて前記監視対象電圧を観測し、
    前記スイッチング制御回路は、前記監視対象電圧が閾電圧を達したことを示す低電圧解除信号が前記モニタ回路から供給されるまで前記ハイサイドトランジスタをオフに維持する
    、電源制御装置。
  2. 前記モニタ回路は、前記グランド電位を持つ基準配線と前記ブート電圧が加わるブート配線との間に設けられた分圧回路を有し、前記分圧回路により前記ローサイドトランジスタのオン期間において前記基準配線及び前記ブート配線間の電圧を分圧することで前記監視対象電圧に応じた評価電圧を発生させ、前記評価電圧に基づき前記スイッチング制御回路に対する前記低電圧解除信号の供給/非供給を決定する
    、請求項1に記載の電源制御装置。
  3. 前記分圧回路は、前記ブート配線及び第1ノード間に設けられる第1分圧抵抗と、第2ノード及び前記基準配線間に設けられる第2分圧抵抗と、前記第1ノード及び前記第2ノード間に挿入され且つ前記ローサイドトランジスタのオン期間においてオンに制御される挿入トランジスタと、を備え、
    前記モニタ回路は、前記ローサイドトランジスタ及び前記挿入トランジスタのオン期間における前記第2ノードでの電圧を前記評価電圧として用い、前記評価電圧を前記グランド電位から見て所定電圧だけ高い電圧と比較することで前記スイッチング制御回路に対する前記低電圧解除信号の供給/非供給を決定する
    、請求項2に記載の電源制御装置。
  4. 前記モニタ回路は、前記ブート電圧が加わるブート配線と特定ノードとの間に設けられたトランジスタであって且つ前記スイッチング制御回路の電源電圧をゲートにて受けるよう構成された挿入トランジスタを有し、前記ローサイドトランジスタのオン期間において前記監視対象電圧に応じた評価電圧を前記特定ノードに発生させ、前記評価電圧に基づき前記スイッチング制御回路に対する前記低電圧解除信号の供給/非供給を決定する
    、請求項1に記載の電源制御装置。
  5. 前記特定ノードには、前記ブート電圧と、前記スイッチング制御回路の電源電圧より前記挿入トランジスタのゲート閾値電圧だけ低い電圧と、の内、低い方の電圧が加わり、
    前記モニタ回路は、前記評価電圧を前記グランド電位から見て所定電圧だけ高い電圧と比較することで前記スイッチング制御回路に対する前記低電圧解除信号の供給/非供給を決定する
    、請求項4に記載の電源制御装置。
  6. 前記スイッチング制御回路は、前記帰還電圧に応じて生成した制御信号に基づき前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタを交互にオン、オフさせるスイッチング制御を実行可能であり、前記低電圧解除信号の供給を受けた後において前記スイッチング制御を開始する
    、請求項1~5の何れかに記載の電源制御装置。
  7. 前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング制御の停止により前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタをオフに維持した後、前記スイッチング制御の実行を指令する実行指令信号を受けて前記スイッチング制御を開始する場合に、前記スイッチング制御の開始前にて前記監視対象電圧の観測を伴う充電制御を実行し、
    前記スイッチング制御回路は、前記充電制御において、前記ハイサイドトランジスタをオフに維持しつつ前記ローサイドトランジスタをオンとする充電期間を設けることで前記ブートコンデンサを充電させ、
    前記スイッチング制御回路は、前記充電期間において前記モニタ回路に前記監視対象電圧の観測を行わせる
    、請求項6に記載の電源制御装置。
  8. 前記スイッチング制御回路は、前記充電制御において、前記モニタ回路から前記低電圧解除信号が出力されるまで前記ローサイドトランジスタを継続的にオンに保つ
    、請求項7に記載の電源制御装置。
  9. 前記スイッチング制御回路は、前記充電制御において、前記モニタ回路から前記低電圧解除信号が出力されるまで前記ローサイドトランジスタを断続的にオンに設定する
    、請求項7に記載の電源制御装置。
  10. 前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング制御の停止期間を経て前記実行指令信号の受信に基づき前記スイッチング制御を開始する場合に前記スイッチング制御の開始前にて前記充電制御を実行し、前記スイッチング制御の実行期間において前記充電制御を非実行とする
    、請求項7に記載の電源制御装置。
  11. 前記スイッチング制御回路は、前記実行指令信号を受けて前記充電制御を経てから前記スイッチング制御を開始した後、前記スイッチング制御の停止を指令する停止指令信号を受けると前記スイッチング制御を停止し且つ前記スイッチング制御を停止してからの経過時間を計測し、前記経過時間が所定時間に達した後に前記実行指令信号を再度受けると前記充電制御を再度経てから前記スイッチング制御を再開し、前記経過時間が前記所定時間に達する前に前記実行指令信号を再度受けると再度の前記充電制御を経ることなく前記スイッチング制御を再開する
    、請求項7に記載の電源制御装置。
JP2024110947A 2024-07-10 2024-07-10 電源制御装置 Pending JP2026010865A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2024110947A JP2026010865A (ja) 2024-07-10 2024-07-10 電源制御装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2024110947A JP2026010865A (ja) 2024-07-10 2024-07-10 電源制御装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2026010865A true JP2026010865A (ja) 2026-01-23

Family

ID=98483428

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2024110947A Pending JP2026010865A (ja) 2024-07-10 2024-07-10 電源制御装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2026010865A (ja)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10530256B1 (en) Multi-level buck converter with reverse charge capability
JP7644084B2 (ja) 電力コンバータに対するブーストバック保護
US7705579B1 (en) Apparatus and method for faster unloading of transient response in a synchronous buck switching regulator
CN104467369A (zh) 用于开关驱动器的系统和方法
US11387734B2 (en) Power converter architecture using lower voltage power devices
US7688052B2 (en) Charge pump circuit and method therefor
US11368093B2 (en) Switching power supply device
CN101379685A (zh) 用于调节电压的方法及其电路
US20250070645A1 (en) Gate drive circuit, power good circuit, overcurrent detection circuit, oscillation prevention circuit, switching control circuit and switching power supply device
JP7558179B2 (ja) 電源装置
US11601122B2 (en) Circuit for switching power supply and switching power supply device
US11482933B2 (en) Switching power supply device
US12355354B2 (en) Switching power supply circuit and switching power supply device
US20240113609A1 (en) Voltage regulator module and method of operating the same
US20230387805A1 (en) Switching power supply circuit and switching power supply device
JP2026010865A (ja) 電源制御装置
JP2026010861A (ja) 電源制御装置
JP7028634B2 (ja) Dc/dcコンバータの制御回路、制御方法、電源管理回路および電子機器
JP7797416B2 (ja) 電源制御装置
US12051963B2 (en) Minimum peak current for power converter
US20250055375A1 (en) Semiconductor device and switching power supply
CN115833543B (zh) 用于开关功率变换器的控制电路及电压调节单元
US20250079989A1 (en) Power semiconductor device and boost converter
JP2024094226A (ja) 電源制御装置
US20240235377A1 (en) Power supply control device