JPH11146637A - 電源回路及び電源回路制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路効率がよく小型で安価な電源回路及び電
源回路制御方法を提供すること。 【解決手段】 制御部７は、第１スイッチ素子Ｑ１がオ
ンの時に第１スイッチ素子Ｑ１のオン抵抗を使用して電
流値を検出し、第２スイッチ素子Ｑ２がオンの時に第２
スイッチ素子Ｑ２のオン抵抗を使用して電流値を検出す
ることで、これらの電流値に基づいて重負荷か軽負荷か
を判断し、負荷５が重負荷の場合に過電流が流れると第
１スイッチ素子Ｑ１をオフし、負荷５が軽負荷の場合に
は第２スイッチ素子Ｑ２を同期してオフする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、直流電源を負荷
に接続することで一定の電圧を負荷に供給するための同
期整流を用いた電源回路及び電源回路制御方法の改良に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】同期整流回路を用いたＤＣ−ＤＣコンバ
ータ（直流−直流コンバータ）は、２個のスイッチの切
り替えを行いながら出力端に一定電圧を出力する電源回
路の一種である。ＤＣ−ＤＣコンバータでは、出力端に
接続される負荷の状態により、不連続モード（軽負荷モ
ード時）及び連続モード（重負荷モード時）の２つのモ
ードができる。

【０００３】図８は、従来の電源回路が負荷に接続され
ている様子を示す回路図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０２は、入力電源Ｖｉｎ、平滑コンデンサＣ１、同期
整流回路１０１、平滑コンデンサＣ２等を有しており、
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力端が負荷１０５に接
続されている。

【０００４】平滑コンデンサＣ１は、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ１０２の入力端に入力電源Ｖｉｎに対して並列に接
続されている。平滑コンデンサＣ１は、入力電源Ｖｉｎ
の電圧を平滑することで安定させるためのものである。

【０００５】ステップダウン回路１６０は、メインスイ
ッチ素子Ｑ１、制御部１０７、転流ダイオードＤ１、及
びチョークコイルＬ１等を有する。同期整流回路１０１
は、ステップダウン回路１６０に同期スイッチ素子Ｑ２
を加えたものである。

【０００６】検出抵抗Ｒ１は、制御部１０７がＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ１０２の出力側に流れる電流を、常時監視
するための電流検出用の抵抗素子である。検出抵抗Ｒ１
は、その両端が制御部１０７から延びる電流検出用の信
号線１０７ａ、１０７ａで接続されており、信号線１０
７ａの一端がチョークコイルＬ１の一端と接続されてお
り、信号線１０７ａが平滑コンデンサＣ２の一端と接続
されている。

【０００７】メインスイッチ素子Ｑ１は、重負荷モード
時にＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力端に接続された
負荷１０５が短絡した場合等に過電流を遮断するための
電界効果トランジスタである。メインスイッチ素子Ｑ１
は、ソースＳ及びゲートＧが制御部１０７と接続され、
ドレインＤが同期スイッチ素子Ｑ２のドレインＤ、転流
ダイオードのカソード、及びチョークコイルＬ１の一端
と接続されている。これにより、メインスイッチ素子Ｑ
１のオン／オフは、制御部１０７により制御される。

【０００８】同期スイッチ素子Ｑ２は、転流ダイオード
Ｄ１を流れる電流Ｉｄを、転流ダイオードＤ１ではなく
同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳからドレインＤに流す
ようにして、転流ダイオードＤ１での電力ロスを少なく
して回路効率を改善するための電界効果トランジスタで
ある。転流ダイオードＤ１を流れる電流Ｉｄを、転流ダ
イオードＤ１ではなく同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳ
からドレインＤに流すようにするのは、同期スイッチ素
子Ｑ２のオン抵抗が転流ダイオードＤ１の抵抗より小さ
いので、電力ロスを少なくできるためである。同期スイ
ッチ素子Ｑ２は、ソースＳがグランドＧＮＤと接続さ
れ、ゲートＧが制御部１０７と接続され、ドレインＤが
メインスイッチ素子Ｑ１のドレインＤ、転流ダイオード
Ｄ１のカソード、 及びチョークコイルＬ１の一端に接続
されている。つまり、同期スイッチ素子Ｑ２のオン／オ
フも、制御部１０７により制御されている。

【０００９】制御部１０７は、電流検出用の検出抵抗Ｒ
１に流れる電流を検出し、検出抵抗Ｒ１に流れる電流が
予め決められた電流値を超えたかどうかにより、メイン
スイッチ素子Ｑ１を制御する。制御部１０７は、メイン
スイッチ素子Ｑ１のソースＳ、ゲートＧ、検出抵抗Ｒ１
の両端、同期スイッチ素子Ｑ２のゲートＧ、及び同期整
流回路１の接地であるグランドＧＮＤに接続されてい
る。

【００１０】転流ダイオードＤ１は、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ１０２における整流素子である。転流ダイオードＤ
１は、アノードをグランドＧＮＤと接続し、カソードを
メインスイッチＱ１のドレインＤ、同期スイッチＱ２の
ドレインＤ、及びチョークコイルＬ１の一端に接続され
ている。

【００１１】チョークコイルＬ１は、負荷１０５が接続
された出力端に出力される出力電圧を平滑化するための
リアクトルである。チョークコイルＬ１は、一端を転流
ダイオードＤ１のカソードと、他端を制御部１０７から
延びる検出抵抗Ｒ１の検出用の信号線の一方と接続され
ている。

【００１２】ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力端に
は、負荷１０５と並列に平滑コンデンサＣ２が接続され
ている。平滑コンデンサＣ２は、負荷１０５にかかる電
圧を平滑して安定化するためのものである。平滑コンデ
ンサＣ２は、グランドＧＮＤと、検出抵抗Ｒ１の一端に
接続されている。負荷１０５は、例えばポータブル機器
等であり、その負荷量が変動する。

【００１３】従来の同期整流回路を有するＤＣ−ＤＣコ
ンバータ１０２は以上の様な構成であり、次にその動作
について簡単に説明する。メインスイッチ素子Ｑ１と同
期スイッチ素子Ｑ２は、メインスイッチ素子Ｑ１がオン
した時に同期スイッチ素子Ｑ２をオフ、メインスイッチ
素子Ｑ１がオフした時に同期スイッチ素子Ｑ２をオンと
交互にオン、オフを繰り返す。メインスイッチ素子Ｑ１
及び同期スイッチ素子Ｑ２の制御は、制御部１０７で行
っている。

【００１４】同期スイッチ素子Ｑ２がオンした時は、転
流ダイオードＤ１を流れる電流Ｉｄが同期スイッチ素子
Ｑ２を流れる。同期スイッチ素子Ｑ２のオン抵抗は、転
流ダイオードＤ１の抵抗値と比較して小さいため、転流
ダイオードＤ１での電力消費が少なくなる。

【００１５】この状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２
の出力端に接続された負荷５が短絡した場合（例えば、
負荷がポータブル機器であった場合、そのポータブル機
器が何らかの原因でショートしたとき等）に、制御部１
０７は、検出抵抗Ｒ１に流れる電流が予め設定された電
流値を超えたことを検出し、メインスイッチ素子Ｑ１を
オフして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２を流れる過電流
を防止する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】このような同期整流回
路１０１を有する電源回路１０２において、この同期整
流回路１０１の各素子における電流波形について説明す
る。図９（Ａ）は、ステップダウン回路１６０における
重負荷モードでのメインスイッチ素子Ｑ１の電流ＩＱ
１、転流ダイオードＤ１の電流Ｉｄ、及びチョークコイ
ルＬ１の電流ＩＬの電流波形を示している。図９（Ｂ）
は、ステップダウン回路１６０における軽負荷モードで
のメインスイッチ素子Ｑ１の電流ＩＱ１、転流ダイオー
ドＤ１の電流Ｉｄ、及びチョークコイルＬ１の電流ＩＬ
の電流波形を示している。図１０（Ａ）は、同期整流回
路における重負荷モードでのメインスイッチ素子Ｑ１の
電流ＩＱ１、同期スイッチ素子Ｑ２の電流ＩＱ２、及び
チョークコイルＬ１の電流ＩＬの電流波形を示してい
る。図１０（Ｂ）は、同期整流回路における軽負荷モー
ドでのメインスイッチ素子Ｑ１の電流ＩＱ１、同期スイ
ッチ素子Ｑ２の電流ＩＱ２、及びチョークコイルＬ１の
電流ＩＬの電流波形を示している。図９（Ａ）及び図１
０（Ａ）を参照すると、重負荷モードでは、各素子に流
れる電流は連続的に流れ、図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）
を参照すると、軽負荷モードでは、各素子に流れる電流
は部分的に流れていることが分かる。

【００１７】このような状態のもと、図９（Ａ）と図１
０（Ａ）を参照しながら、重負荷モードについて検討す
る。図９（Ａ）重負荷モードにおいては、メインスイッ
チ素子Ｑ１、転流ダイオードＤ１（図１０（Ａ）では、
同期スイッチ素子Ｑ２）、及びチョークコイルＬ１での
電流波形は共にステップダウン回路１６０であっても、
同期整流回路１０１であっても同様の電流波形を示して
いる。

【００１８】次に、図９（Ｂ）と図１０（Ｂ）を参照し
ながら、軽負荷モードについて検討する。軽負荷モード
においては、メインスイッチ素子Ｑ１、転流ダイオード
Ｄ１（図１０（Ｂ）では、同期スイッチ素子Ｑ２）、及
びチョークコイルＬ１での電流波形は、ステップダウン
回路１６０であった場合と、同期整流回路１０１であっ
た場合では、電流波形が異なる。図１０（Ｂ）のような
同期整流回路１０１の軽負荷モードにおいては、メイン
スイッチ素子Ｑ１、同期スイッチ素子Ｑ２、及びチョー
クコイルＬ１での電流値がマイナス（逆電流）となる部
分がある。

【００１９】この同期整流回路１０１では、メインスイ
ッチ素子Ｑ１、同期スイッチ素子Ｑ２、及びチョークコ
イルＬ１とも電流がマイナス方向に流れてしまう。これ
は、本来、転流ダイオードＤ１を流れる電流は、アノー
ドからカソード方向にしか流れないが、同期スイッチ素
子Ｑ２の導通状態（ＯＮ）では転流ダイオードＤ１の極
性に関係なく、同期スイッチ素子Ｑ２を経由しマイナス
方向にも流れてしまう。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ１０２の回路効率が、低下していることになる。

【００２０】ところで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２に
おける各素子での電流波形という点では問題なかった重
負荷モードには、別の問題点がある。このＤＣ−ＤＣコ
ンバータ１０２では、重負荷モード及び軽負荷モード共
に、検出抵抗Ｒ１（例えば、数ミリオーム〜数十ミリオ
ーム）に電流が流れることにより電流を検出している。
つまり、常に検出抵抗Ｒ１にて電力が消費されているこ
とになる。

【００２１】これでは特に、重負荷モード時に大量の電
力が検出抵抗Ｒ１にて消費されてロス（損失）が大き
く、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の回路効率が悪くなっ
てしまう。当然のことながら、検出抵抗Ｒ１をＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ１０２に設けることにより、コストが余分
にかかることになる。また、検出抵抗Ｒ１の代わりにト
ランス等を使用できるが、より大きなスペースが必要と
なってしまう。そこでこの発明は上記課題を解消し、回
路効率がよく小型で安価な同期整流を用いた電源回路及
び電源回路制御方法を提供することを目的としている。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、この発明に
あっては、直流電源を負荷に接続することで一定の電圧
を負荷に供給するための同期整流を用いた電源回路であ
り、負荷と直流電源間に配置されて、負荷が重負荷の場
合に過電流が流れるのを阻止するためにオフになる第１
スイッチ素子と、負荷と直流電源間に配置されて、負荷
が軽負荷の場合にはオフされる第２スイッチ素子と、第
１スイッチ素子と第２スイッチ素子のオン／オフ動作を
制御する制御部と、を有し、この制御部は、第１スイッ
チ素子がオンの時に第１スイッチ素子のオン抵抗を使用
して電流値を検出し、第２スイッチ素子がオンの時に第
２スイッチ素子のオン抵抗を使用して電流値を検出する
ことで、これらの電流値に基づいて重負荷か軽負荷かを
判断し、負荷が重負荷の場合に過電流が流れると第１ス
イッチ素子をオフし、負荷が軽負荷の場合には第２スイ
ッチ素子をオフすることを特徴とする電源回路により達
成される。この発明では、専用の電流検出抵抗やトラン
ス等を必要とせず、第１スイッチ素子と第２スイッチ素
子のオン抵抗を使用して電流を検出するので、電力損失
を小さくして回路効率を上げることができる。

【００２３】また、好ましくは、制御部は、軽負荷時に
第２スイッチ素子を流れる電流が予め設定された値を超
えた時に、第２スイッチ素子をオフする。この発明で
は、電源回路において制御部が、電源回路における効率
低下の原因となる逆電流が流れる直前にそのことを検出
してモードを切り替えるので、軽負荷時の電源回路の効
率が向上する。

【００２４】上記目的は、この発明にあっては、直流電
源を負荷に接続することで、一定の電圧を負荷に供給す
るための電源回路制御方法であり、負荷と直流電源間に
配置される第１スイッチ素子は、負荷が重負荷の場合に
過電流が流れるのを阻止するためにオフにし、負荷と直
流電源間に配置される第２スイッチ素子は、負荷が軽負
荷の場合にはオフし、制御部は、第１スイッチ素子と第
２スイッチ素子のオン／オフ動作を制御するものであ
り、この制御部は、第１スイッチ素子がオンの時に第１
スイッチ素子のオン抵抗を使用して電流値を検出し、第
２スイッチ素子がオンの時に第２スイッチ素子のオン抵
抗を使用して電流値を検出することで、これらの電流値
に基づいて重負荷か軽負荷かを判断し、負荷が重負荷の
場合に過電流が流れると第１スイッチ素子をオフし、負
荷が軽負荷の場合には第２スイッチ素子をオフすること
を特徴とする電源回路制御方法。この発明では、専用の
電流検出抵抗やトランス等を必要とせず、第１スイッチ
素子と第２スイッチ素子のオン抵抗を使用して電流を検
出するので、電力損失を小さくして回路効率を上げるこ
とができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施の形
態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に
述べる実施の形態は、この発明の好適な具体例であるか
ら、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、こ
の発明の範囲は、以下の説明において特にこの発明を限
定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるも
のではない。

【００２６】図１は、この発明の好ましい実施の形態で
ある電源回路の出力端に負荷が接続されている様子を示
す回路図である。この電源回路としてのＤＣ−ＤＣコン
バータ２は、図１において入力電源Ｖｉｎ、平滑コンデ
ンサＣ１、同期整流回路１、平滑コンデンサＣ２等を有
し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端が負荷５に接続さ
れている。

【００２７】ＤＣ−ＤＣコンバータ２（直流−直流コン
バータ）は、２個のスイッチ素子を同期して切り替える
ことにより、負荷５に接続された出力端に一定の電圧を
出力する電源の一種である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２に
設けられている同期整流回路１は、このスイッチ素子の
切り替えを行う回路である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２
は、出力端に接続される負荷５の状態により不連続モー
ド（軽負荷モード）及び連続モード（重負荷モード）の
２つのモードができる。軽負荷モードは、例えばポータ
ブル機器等の電子機器が待機状態である待機モードを示
し、重負荷モードは電子機器が動作状態である動作モー
ドを示す。軽負荷モードにおいては、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ２の出力は電子機器の液晶パネルの表示やメモリ保
持などの最小限の微少負荷のみに供給される。

【００２８】入力電源Ｖｉｎが接続されるＤＣ−ＤＣコ
ンバータ２の入力端には、平滑コンデンサＣ１が入力電
源Ｖｉｎに対して並列に接続されている。平滑コンデン
サＣ１は、入力電源Ｖｉｎの入力電圧の脈動を平滑して
安定化させるためのものである。

【００２９】ステップダウン回路６０は、図１のように
メインスイッチ素子Ｑ１（第１スイッチ素子）、制御部
７、転流ダイオードＤ１、チョークコイルＬ１等を有す
る。同期整流回路１は、ステップダウン回路６０に、転
流ダイオードＤ１での電力損失を少なくし、効率を改善
するために使用する同期スイッチ素子Ｑ２（第２スイッ
チ素子）を加えた回路である。同期整流回路１は、同期
スイッチ素子Ｑ２がオフの状態では、ステップダウン回
路６０と同じ動作をする。

【００３０】メインスイッチ素子Ｑ１は、入力側から出
力側へ電力を伝達する電界効果トランジスタである。Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータ２の出力端が短絡した場合等は、過
電流を遮断するためメインスイッチ素子Ｑ１をオフす
る。メインスイッチ素子Ｑ１は、ソースＳが制御部７か
ら延びる検出線７ａ、直流電源Ｖｉｎ、及び平滑コンデ
ンサＣ１と接続され、ドレインＤが制御部７から延びる
検出線７ｂと接続され、ゲートＧが制御部７と接続され
る。

【００３１】メインスイッチ素子Ｑ１は、そのオン／オ
フを制御部７により制御されている。メインスイッチ素
子Ｑ１のソースＳとドレインＤには、制御部７の検出線
７ａ、７ｂがそれぞれ接続されているため、メインスイ
ッチ素子Ｑ１がオンでのソースＳ−ドレインＤ間のオン
抵抗を利用して、制御部７はソースＳ−ドレインＤ間の
電流を検出できる。

【００３２】同期スイッチ素子Ｑ２は、転流ダイオード
Ｄ１を流れる電流Ｉｄを、転流ダイオードＤ１の代わり
に同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳからドレインＤに流
すようにして、転流ダイオードＤ１で消費する電力を省
力化するための電界効果トランジスタである。転流ダイ
オードＤ１を流れる電流Ｉｄを、転流ダイオードＤ１の
代わりに同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳからドレイン
Ｄに流すようにするのは、同期スイッチ素子Ｑ２のオン
抵抗が転流ダイオードＤ１の抵抗より小さいためであ
る。

【００３３】同期スイッチ素子Ｑ２は、ソースＳが制御
部７の検出線７ｃとグランドＧＮＤ等とが接続され、ド
レインＤが制御部７の検出線７ｂ、メインスイッチ素子
のドレインＤ、転流ダイオードＤ１のカソード、及びチ
ョークコイルＬ１と接続され、ゲートＧが制御部７と接
続されている。つまり、同期スイッチ素子Ｑ２は、その
オン／オフ状態を制御部７に制御される。

【００３４】同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳとドレイ
ンＤには、制御部７の検出線７ｃ、７ｂがそれぞれ接続
されているため、同期スイッチ素子Ｑ２がオンした状態
でのソースＳ−ドレインＤ間のオン抵抗を利用して、制
御部７はソースＳ−ドレインＤ間の電流を検出すること
ができる。このようにして、図１の実施の形態では、電
流値を検出するための専用の抵抗が不要である。

【００３５】図１の制御部７は、上述したようにメイン
スイッチ素子Ｑ１や同期スイッチ素子Ｑ２のオン／オフ
を制御する等のための制御回路である。制御部７は、図
２の過電流検出回路１７ａ及び過電流保護回路１７ｃ、
図４の軽負荷モード時の効率改善用の逆電流検出回路１
７ｂ等を有する。図２の過電流検出回路１７ａは、重負
荷モード時にメインスイッチ素子Ｑ１がオンの状態のメ
インスイッチ素子Ｑ１のオン抵抗を用いて電流を検出す
る回路である。過電流検出回路１７ａの比較器は、入力
としてメインスイッチ素子Ｑ１のソースＳに接続された
検出線７ａ、及びメインスイッチ素子Ｑ１のドレインＤ
に接続された検出線７ｂがあり、過電流保護回路１７ｃ
が出力側に接続されている。

【００３６】過電流検出回路１７ａの比較器は、２つの
検出線７ａ、７ｂ間の電流値を検出し、予め設定された
値以上となると、過電流保護回路１７ｃに対して信号を
出力する。また、図２のように過電流検出回路１７ａか
ら検出線７ｂまでの間には、メインスイッチ素子Ｑ１と
同期して動作するスイッチ素子ＳＷ１が存在する。この
スイッチ素子ＳＷ１により、メインスイッチ素子Ｑ１が
オン状態の時のみ過電流検出回路１７ａが動作すること
になる。

【００３７】過電流保護回路１７ｃは、ＤＣ−ＤＣコン
バータ２に流れる過電流を防止するための制御回路であ
り、例えばタイマーラッチ回路である。過電流保護回路
１７ｃの出力側には、メインスイッチ素子Ｑ１のゲート
Ｇに接続されている。

【００３８】過電流保護回路１７ｃは、ＤＣ−ＤＣコン
バータ２に過電流が流れたことが判明すると、メインス
イッチ素子Ｑ１をオフする。このようにして、これら各
スイッチ素子を切り替えることによりＤＣ−ＤＣコンバ
ータ２に流れる過電流を防止することができる。

【００３９】一方、図４の逆電流防止回路１７ｂは、軽
負荷モード時にＤＣ−ＤＣコンバータ２の効率を改善す
るため、図１における同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳ
−ドレインＤ間を流れる電流で、逆電流（図３（Ｂ）の
斜線で示した逆電流ＮＧ）が流れないようにするための
回路である。逆電流防止回路１７ｂの比較器の入力に
は、同期スイッチ素子Ｑ２のドレインＤと接続された検
出線７ｂ、及び基準電圧Ｖｒｅｆのマイナス端が接続さ
れている。逆電流防止回路１７ｂの比較器の出力として
それぞれメインスイッチ素子Ｑ１のゲートＧ及び同期ス
イッチ素子Ｑ２のゲートＧと接続されている。

【００４０】逆電流防止回路１７ｂは、検出線７ｂの電
圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、予め設定された電圧
値以上を超えると、逆電流防止回路７ｂは、同期スイッ
チ素子Ｑ２のゲートＧをオフ状態とし、更にはメインス
イッチ素子Ｑ１のスイッチング周波数を可変させる信号
を出力する。この信号により、メインスイッチ素子Ｑ１
のスイッチング周波数を下げ、メインスイッチ素子Ｑ１
を駆動している回路部での電力ロスを少なくし、軽負荷
モード時の回路効率の向上を図ることができる。

【００４１】ここで、先程述べた基準電圧Ｖｒｅｆにつ
いて述べる。前述したように、図１のＤＣ−ＤＣコンバ
ータ２の軽負荷モード時の効率を下げていたのは、同期
スイッチ素子Ｑ２のソースＳ−ドレインＤ間に逆電流が
流れることによるものである。図３（Ａ）は、逆電流が
流れた時の同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳ−ドレイン
Ｄ間の電圧波形である。通常、電流は電位の高い方から
低い方へ流れる。逆電流が流れる時は、同期スイッチ素
子Ｑ２のドレインＤ（検出線７ｂ）の電位がソースＳ
（検出線７ｃ）の電位よりも高くなったときである。そ
こで、この同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳ−ドレイン
Ｄ間の電位が、反転する直前に同期スイッチ素子Ｑ２を
オフすることにより、この逆電流を防止する。図４の基
準電圧Ｖｒｅｆは、同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳ−
ドレインＤ間の反転電位による逆電流を防ぐために予め
設定されている電圧値である。検出線７ｃはグランドＧ
ＮＤに接続されているため検出線７ｃの電位は０［Ｖ］
とし、検出線７ｂとの電位のみについてこの基準電圧Ｖ
ｒｅｆと比較する。この動作を行っているのが図４の逆
電流防止回路７ｂの比較器である。

【００４２】図１の転流ダイオードＤ１は、ＤＣ−ＤＣ
コンバータ２における逆流防止用の整流素子である。転
流ダイオードＤ１は、アノードがグランドＧＮＤと接続
され、カソードがメインスイッチＱ１のドレインＤ、同
期スイッチＱ２のドレインＤ、及びチョークコイルＬ１
の一端側と接続されている。

【００４３】チョークコイルＬ１は、負荷の接続された
出力端に出力される出力電圧を平滑化するためのリアク
トルである。チョークコイルＬ１の一端は、転流ダイオ
ードＤ１のカソード、メインスイッチ素子Ｑ１のドレイ
ンＤ、同期スイッチ素子Ｑ２のドレインＤに接続され、
チョークコイルＬ１の他端が平滑コンデンサＣ２の一端
に接続されている。

【００４４】負荷５は、例えばポータブル機器等の電子
機器の負荷であり、その負荷量が変動する。負荷５が接
続されている出力端には、負荷５に対して並列になるよ
うに平滑コンデンサＣ２が接続されている。平滑コンデ
ンサＣ２は、負荷５にかかる電圧の脈動を平滑して安定
させるためのものである。平滑コンデンサＣ２は、一方
の端をグランドＧＮＤと、他方の端を出力端のプラス側
と接続されている。

【００４５】同期整流回路１を有するＤＣ−ＤＣコンバ
ータ２は以上のような構成であり、次にその制御方法に
ついて図１等を参照して簡単に説明する。過電流が流れた場合の動作 図１の制御部７は、メインスイッチ素子Ｑ１のオン抵抗
により、メインスイッチ素子Ｑ１のソースＳ−ドレイン
Ｄ間を流れる電流ＩＱ１を検出している。この状態で
は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を流れる電流は、例えば直
流電源Ｖｉｎのプラス側から、メインスイッチ素子Ｑ
１、チョークコイルＬ１、負荷５を経由して直流電源Ｖ
ｉｎのマイナス側に戻る。

【００４６】ここで、例えば出力端が短絡した場合には
メインスイッチ素子Ｑ１のソースＳＤ−ドレインＤ間に
は過電流が流れる。図１の同期整流回路１において図２
の制御部の過電流検出回路１７ａが常時メインスイッチ
素子Ｑ１のソースＳ−ドレインＤに流れる電流値を監視
しているため、過電流検出回路１７ａが過電流保護回路
１７ｃに対して過電流が流れた時の信号を出力して、メ
インスイッチ素子Ｑ１のオフを指令する。これにより、
ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力側に過電流が流れること
を防止することが可能である。

【００４７】軽負荷モード時における効率改善動作 図１の制御部７は、同期スイッチ素子Ｑ２のオン抵抗に
より、同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳ−ドレインＤ間
を流れる電流を検出している。この状態では、ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ２を流れる電流は、メインスイッチ素子Ｑ
１がオフした時は、同期スイッチ素子Ｑ２がオンし、同
期スイッチ素子Ｑ２のソースＳからドレインＤ、チョー
クコイルＬ１、負荷５を経由して同期スイッチ素子Ｑ２
のソースＳに戻る。

【００４８】図１の負荷５の負荷量が少なくなると重負
荷モードから軽負荷モードに切り替わる。図５は、その
軽負荷モードに切り替わった時の同期スイッチ素子Ｑ２
のソースＳ−ドレインＤ間の電圧波形Ｖｂｃ（ＶＤＳ）
である。更に、負荷５の負荷量が少なくなると、図３
（Ａ）のように同期スイッチ素子Ｑ２のソース−ドレイ
ンＤ間の電圧波形Ｖｂｃ（ＶＤＳ）のようにドレインＤ
（検出線７ｂ）の電位が、ソースＳ（検出線７ｃ）の電
位よりも高くなる。図３（Ｂ）のように逆電流が流れ始
めるのは、図３（Ａ）の同期スイッチ素子Ｑ２のドレイ
ンＤ電位がソースＳ電位を超えるポイントＰ１からであ
る。ここで、同期整流回路１では図４の制御部７の逆電
流防止回路１７ｂが、同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳ
−ドレインＤ間の電圧Ｖｂｃを常時監視しているため、
同期スイッチ素子Ｑ２のドレインＤの電圧がソースＳの
電位を超えるポイントＰ１の直前のポイントＰ２に到達
すると、制御部７は同期スイッチ素子Ｑ２をオフする。
つまり、同期スイッチ素子Ｑ２のドレインＤの電位がソ
ースＳの電位を超える直前に同期スイッチ素子Ｑ２がオ
フし、転流ダイオードＤ１だけの動作となるため、ソー
スＳ−ドレインＤ間の電位差Ｖｂｃがマイナスとなるこ
とがないので、ソースＳ−ドレインＤ間には、図３
（Ｂ）のような斜線部分ＮＧである逆電流が流れない。
このポイントＰ２となるような図４の基準電圧Ｖｒｅｆ
を設定して、図４の逆電流防止回路１７ｂを構成する。

【００４９】この動作を基準電圧Ｖｒｅｆを用いて説明
すると、図５のように同期スイッチ素子Ｑ２のソースＳ
−ドレインＤ間の電圧Ｖｂｃが、ポイントＰ３のような
Ｖｂｃ＝Ｖｒｅｆとなる電圧に到達すると、逆電流防止
回路１７ｂは同期スイッチ素子Ｑ２をオフする。

【００５０】図６（Ａ）は、重負荷時であり、同期スイ
ッチ素子Ｑ２が制御部７の逆電流防止回路１７ｂにより
オフされた際の転流ダイオードＤ１の電圧波形を示して
いる。同期スイッチ素子Ｑ２が逆電流防止回路１７ｂに
よりオフされると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２はステップ
ダウン回路と同様の動作となる。軽負荷モード時は導通
時間ｔｄが短くなり、図４の検出線７ｂにおける図５の
電圧Ｖｂも、図６（Ａ）のように基準電圧Ｖｒｅｆより
も高い。

【００５１】一方、負荷５に流れる負荷電流が増加する
と、図６（Ｂ）のように導通時間ｔｄも長くなる。やが
て、重負荷モードとなると、検出線７ｂにおける電圧Ｖ
ｂは、基準電圧Ｖｒｅｆより低くなり、ポイントＰ３を
超える。この時、同期スイッチ素子Ｑ２を再度オンする
ことにより、同期整流回路１の動作となる。

【００５２】このような同期整流回路１の構成におい
て、出力電流に対する回路効率を確認する。図７は、ス
テップダウン回路、従来の同期整流回路（改善前同期整
流回路）、及びこの発明の好ましい実施の形態である同
期整流回路（改善後同期整流回路）における出力電流に
対する効率特性を示している。ここで、図７の出力電流
とは、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端から負荷５に流出
する電流をいうものとする。

【００５３】図７では、ステップダウン回路の特性を２
０、従来の同期整流回路の特性を２１、及びこの発明の
好ましい実施の形態である同期整流回路の特性を２２で
表している。図７を参照すると、同期整流回路１は、軽
負荷モード及び重負荷モードいずれの状態においても従
来の同期整流回路と比較して、電流検出抵抗を使用しな
い分、回路効率が改善されていることがわかる。特に、
軽負荷モードにおいて出力電流が低い状態では著しい改
善が見られる。

【００５４】この発明の実施形態によれば、電流を検出
するのに電源回路において電流検出専用の検出抵抗Ｒ１
を使用せず、メインスイッチ素子Ｑ１や同期スイッチ素
子Ｑ２等のスイッチ素子のオン抵抗を使用して電流を検
出するので回路効率を改善できる。また、同期スイッチ
素子Ｑ２の通電電流を検出し軽負荷時に同期スイッチ素
子Ｑ２をオフすることで、逆電流による効率低下を無く
すことができる。さらには、第１スイッチ素子のスイッ
チング周波数を下げ、軽負荷モード時の効率改善ができ
る。これらにより、この電源回路１を有する電源ユニッ
トを小型化することができる。

【００５５】ところでこの発明は上述した実施形態に限
定されるものではない。上述した同期整流回路は、この
ような電源回路のみならず他の回路にも使用することが
できる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、専用の電流検出抵抗やトランス等を必要とせず、第
１スイッチ素子と第２スイッチ素子のオン抵抗を使用し
て電流を検出するので、電力損失を小さくして電源回路
の回路効率を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の好ましい実施形態である電源回路の
出力端に負荷を接続している様子を示す回路図。

【図２】図１の同期整流回路における制御部の一部であ
る過電流検出回路、及び過電流保護回路を示す図。

【図３】図４の逆電流防止回路におけるスイッチ素子の
切り替えポイントを示す図。

【図４】図１の同期整流回路における制御部の一部であ
る逆電流防止回路を示す図。

【図５】図４の逆電流防止回路におけるスイッチ素子の
切り替えポイントを示す図。

【図６】図１の同期整流回路の軽負荷モード及び重負荷
モードにおけるスイッチ素子のモードの切り替えポイン
トを示す図。

【図７】図１の同期整流回路等による効率改善を示す効
率特性を示す図。

【図８】従来の同期整流回路を示す回路図。

【図９】従来のステップダウン回路による電流波形を示
す電流特性図。

【図１０】従来の同期整流回路による電流波形を示す電
流特性図。

【符号の説明】

１・・・同期整流回路、２・・・電源回路（ＤＣ−ＤＣ
コンバータ（直流−直流コンバータ））、７・・・制御
部、Ｑ１・・・メインスイッチ素子（第１スイッチ素
子）、Ｑ２・・・同期スイッチ素子（第２スイッチ素
子）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源を負荷に接続することで一定の
   電圧を負荷に供給するための同期整流を用いた電源回路
   であり、 負荷と直流電源間に配置されて、負荷が重負荷の場合に
   過電流が流れるのを阻止するためにオフになる第１スイ
   ッチ素子と、 負荷と直流電源間に配置されて、負荷が軽負荷の場合に
   はオフになる第２スイッチ素子と、 第１スイッチ素子と第２スイッチ素子のオン／オフ動作
   を制御する制御部と、を有し、 この制御部は、第１スイッチ素子がオンの時に第１スイ
   ッチ素子のオン抵抗を使用して電流値を検出し、第２ス
   イッチ素子がオンの時に第２スイッチ素子のオン抵抗を
   使用して電流値を検出することで、これらの電流値に基
   づいて重負荷か軽負荷かを判断し、負荷が重負荷の場合
   に過電流が流れると第１スイッチ素子をオフし、負荷が
   軽負荷の場合には第２スイッチ素子をオフすることを特
   徴とする電源回路。
2. 【請求項２】 制御部は、軽負荷時に第２スイッチ素子
   を流れる電流が予め設定された値を超えた時に、第２ス
   イッチ素子をオフする請求項１に記載の電源回路。
3. 【請求項３】 第１スイッチ素子と第２スイッチ素子
   は、それぞれ電界効果トランジスタである請求項１に記
   載の電源回路。
4. 【請求項４】 電源回路は、直流−直流コンバータであ
   る請求項１に記載の電源回路。
5. 【請求項５】 直流電源を負荷に接続することで、一定
   の電圧を負荷に供給するための同期整流を用いた電源回
   路制御方法であり、 負荷と直流電源間に配置される第１スイッチ素子と第２
   スイッチ素子が、制御部によりオン／オフ制御される際
   に、 制御部は、第１スイッチ素子がオンの時に第１スイッチ
   素子のオン抵抗を使用して電流値を検出し、第２スイッ
   チ素子がオンの時に第２スイッチ素子のオン抵抗を使用
   して電流値を検出することで、これらの電流値に基づい
   て重負荷か軽負荷かを判断し、負荷が重負荷の場合に過
   電流が流れると第１スイッチ素子をオフし、負荷が軽負
   荷の場合には第２スイッチ素子をオフすることを特徴と
   する電源回路制御方法。