(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023167804
(43)【公開日】2023-11-24
(54)【発明の名称】スイッチ制御装置、スイッチング電源
(51)【国際特許分類】
H02M 1/08 20060101AFI20231116BHJP
H02M 3/28 20060101ALI20231116BHJP
H02M 1/00 20070101ALI20231116BHJP
【FI】
H02M1/08 A
H02M3/28 H
H02M1/00 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022079274
(22)【出願日】2022-05-13
(71)【出願人】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001933
【氏名又は名称】弁理士法人 佐野特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】湯 翼飛
【テーマコード(参考)】
5H730
5H740
【Fターム(参考)】
5H730AA20
5H730BB43
5H730DD04
5H730EE02
5H730EE07
5H730EE57
5H730FD41
5H740BA12
5H740BB08
5H740BB10
5H740BC01
5H740BC02
5H740JA01
5H740JB01
5H740KK01
5H740MM12
(57)【要約】
【課題】スイッチング電源におけるピーク電流の変動を抑える。
【解決手段】例えば、スイッチ制御装置1は、スイッチ素子M1に印加される入力電圧Vinに応じて遅延時間tcpを設定する(=遅延時間設定信号DLYを生成する)ように構成された遅延時間設定回路10と、オン状態のスイッチ素子M1に流れる出力電流Ipに応じた電流検出信号Vcsを生成するように構成された電流検出回路20と、電流検出信号Vcsと閾値Vthを比較するように構成された比較回路30と、電流検出信号Vcsが閾値Vthを上回ってから遅延時間tcpが経過したときにスイッチ素子M1をオフ状態とする制御信号S1を生成するように構成された論理回路40と、制御信号S1に応じてスイッチ素子M1を駆動するように構成された駆動回路50と、を備える。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スイッチ素子に印加される入力電圧に応じて遅延時間を設定するように構成された遅延時間設定回路と、
オン状態の前記スイッチ素子に流れる出力電流に応じた電流検出信号を生成するように構成された電流検出回路と、
前記電流検出信号と閾値を比較するように構成された比較回路と、
前記電流検出信号が前記閾値を上回ってから前記遅延時間が経過したときに前記スイッチ素子をオフ状態とする制御信号を生成するように構成された論理回路と、
前記制御信号に応じて前記スイッチ素子を駆動するように構成された駆動回路と、
を備える、スイッチ制御装置。
【請求項2】
前記遅延時間設定回路は、前記入力電圧が高いほど前記遅延時間を短縮し、前記入力電圧が低いほど前記遅延時間を延長する、請求項1に記載のスイッチ制御装置。
【請求項3】
前記入力電圧の任意値及び上限値をそれぞれV及びVin2とし、前記スイッチ素子をオフ状態とするように指示してから前記スイッチ素子が実際にオフ状態となるまでの固有遅延時間をtdly0とし、前記入力電圧が前記上限値であるときの前記遅延時間を0とし、前記入力電圧が前記任意値であるときの前記遅延時間をtcp(V)とすると、tcp(V)={(Vin2/V)-1}×tdly0が成立する、請求項2に記載のスイッチ制御装置。
【請求項4】
前記遅延時間設定回路は、前記入力電圧に応じて電圧値が変化する基準電圧と前記入力電圧に応じて傾きが変化するスロープ電圧とを比較することにより前記遅延時間を設定する、請求項2に記載のスイッチ制御装置。
【請求項5】
前記遅延時間設定回路は、前記入力電圧が高いほど前記基準電圧を引き下げるとともに前記スロープ電圧の傾きを大きくし、前記入力電圧が低いほど前記基準電圧を引き上げるとともに前記スロープ電圧の傾きを小さくする、請求項4に記載のスイッチ制御装置。
【請求項6】
前記遅延時間設定回路は、
前記入力電圧に応じた基準電流を生成するように構成された基準電流生成部と、
前記基準電流を電流/電圧変換して前記基準電圧を生成するように構成された基準電圧生成部と、
前記基準電流を用いたキャパシタの充放電により前記スロープ電圧を生成するように構成されたスロープ電圧生成部と、
前記基準電圧と前記スロープ電圧とを比較するように構成されたコンパレータと、
を含む、請求項4に記載のスイッチ制御装置。
【請求項7】
前記基準電流生成部は、
前記基準電流が流れる電流経路上で直列に接続されており相互間の接続ノードから前記基準電流に応じた帰還電圧を出力するように構成されたトランジスタ及び抵抗と、
前記入力電圧又はこれに応じた分圧電圧と前記帰還電圧との差分に応じて前記トランジスタを制御するように構成されたバッファと、
前記基準電流を複製して前記基準電圧生成部及び前記スロープ電圧生成部それぞれに出力するように構成されたカレントミラーと、
を含む、請求項6に記載のスイッチ制御装置。
【請求項8】
前記基準電流生成部は、
前記入力電圧に応じたアナログ入力信号をデジタル入力信号に変換するように構成されたADコンバータと、
前記デジタル入力信号からデジタル出力信号を生成するように構成されたロジックと、
前記デジタル出力信号をアナログ出力信号に変換するように構成されたDAコンバータと、
前記アナログ出力信号に応じた前記基準電流を生成して前記基準電圧生成部及び前記スロープ電圧生成部それぞれに出力するように構成された電流源と、
を含む、請求項6に記載のスイッチ制御装置。
【請求項9】
前記入力電圧の分圧電圧を生成して前記遅延時間設定回路に出力するように構成された分圧回路をさらに備える、請求項1に記載のスイッチ制御装置。
【請求項10】
請求項1~9のいずれか一項に記載のスイッチ制御装置と、
前記スイッチ素子と、
を備え、
前記スイッチ素子をオン/オフすることにより前記入力電圧から所望の出力電圧を生成する、スイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、スイッチ制御装置及びこれを用いたスイッチング電源に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、絶縁型のスイッチング電源に用いられる電源制御ICは、1次側のパワースイッチ(Si-MOSFET[metal oxide semiconductor field effect transistor]、SiC-MOSFET又はGaN-HEMT[high electron mobility transistor]など)に流れる1次電流をモニターし、1次電流が閾値に達した時点でパワースイッチをオフするように電流制御を行うことが一般的である。
【0003】
ただし、電源制御ICにおいて、1次電流が閾値に達したことが検出されて、パワースイッチをオフするための制御信号が出力されてから、パワースイッチが実際にオフされるまでには、寄生容量及び信号伝搬遅延などに起因する遅延時間が存在する。
【0004】
そのため、実際にパワースイッチに流れる1次電流のピーク値は、上記の遅延時間に流れる超過量だけ閾値を上回る。この超過量は、入力電圧の電圧値及びトランスを形成する1次コイルのインダクタンス値に依存して変動する。そこで、従来の電源制御ICには、ピーク電流補正機能が組み込まれている。
【0005】
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1を挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
確かに、従来のピーク電流補正機能によれば、入力電圧の変化に伴う超過量の変化を補正することができる。しかしながら、理想的な効果(実際の1次電流のピーク値が入力電圧にほぼ依存しないように補正する効果)は、トランスを形成する1次コイルのインダクタンス値が或る狭い範囲内に収まっているという条件でしか得られない。
【0008】
そのため、1次コイルのインダクタンス値のバラツキが大きい場合、又は、電源制御ICが適用されるアプリケーションの仕様により1次コイルのインダクタンス値の設計範囲が広い場合には、従来技術の効果が大幅に悪化し、全入力電圧範囲における1次電流のピーク変動が大きくなってしまう。
【0009】
なお、スイッチング電源を用いたアプリケーションを設計する場合、全入力電圧範囲における1次電流の最大ピーク値(ワーストケース)に対して適切なマージンを持つようにパワースイッチを含むパワーデバイスの選択を行う必要がある。
【0010】
従って、ピーク電流補正機能の効果が悪化する場合、過剰なスペックのパワーデバイスを選択せざるを得ず、コストアップ及びアプリケーション全体の信頼性低下に繋がる。
【0011】
上記では、絶縁型のスイッチング電源について言及したが、非絶縁型(Buck、または、Buck-boost等)でも同様の問題が生じ得る。
【課題を解決するための手段】
【0012】
例えば、本明細書中に開示されているスイッチ制御装置は、スイッチ素子に印加される入力電圧に応じて遅延時間を設定するように構成された遅延時間設定回路と、オン状態の前記スイッチ素子に流れる出力電流に応じた電流検出信号を生成するように構成された電流検出回路と、前記電流検出信号と閾値を比較するように構成された比較回路と、前記電流検出信号が前記閾値を上回ってから前記遅延時間が経過したときに前記スイッチ素子をオフ状態とする制御信号を生成するように構成された論理回路と、前記制御信号に応じて前記スイッチ素子を駆動するように構成された駆動回路と、を備える。
【0013】
なお、その他の特徴、要素、ステップ、利点、及び、特性については、以下に続く発明を実施するための形態及びこれに関する添付の図面によって、さらに明らかとなる。
【発明の効果】
【0014】
本開示によれば、スイッチング電源におけるピーク電流の変動を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【
図1】
図1は、スイッチング電源の全体構成を示す図である。
【
図2】
図2は、スイッチ制御装置の第1実施形態を示す図である。
【
図3】
図3は、スイッチ制御装置の第2実施形態を示す図である。
【
図4】
図4は、スイッチ制御装置の第3実施形態を示す図である。
【
図5】
図5は、遅延時間設定動作の一例を示す図である。
【
図6】
図6は、入力電圧と遅延時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
<スイッチング電源>
図1は、スイッチング電源の全体構成を示す図である。本構成例のスイッチング電源Xは、1次回路系と2次回路系との間を電気的に絶縁しつつ、1次回路系に入力される入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutを生成して2次回路系に出力するフライバック型の絶縁DC/DCコンバータである。
【0017】
本図に即して述べると、スイッチ制御装置1と、キャパシタC1~C3と、ダイオードD1及びD2と、スイッチ素子M1(本図ではNMOSFET)と、抵抗R1と、トランスTR1と、を備える。ただし、キャパシタC2、ダイオードD1、及び、抵抗R1は、省略しても構わない。また、スイッチング電源Xに交流の入力電圧Vacが供給される場合には、交流の入力電圧Vacを直流の入力電圧Vinに変換する整流回路(ダイオードブリッジなど)を前段に設けてもよい。
【0018】
トランスTRは、相互に磁気結合されるように構成された1次コイルLp及び2次コイルLsを含む。1次コイルLp及び2次コイルLsそれぞれの巻数Np及びNsについては、所望の出力電圧Vout(=Vin×(Ns/Np)×(Ton/Toff)、ただしTon及びToffはスイッチ素子M1のオン期間及びオフ期間)が得られるように任意に調整すればよい。例えば、巻数Npが多いほど又は巻数Nsが少ないほど出力電圧Voutは低くなり、逆に、巻数Npが少ないほど又は巻数Nsが多いほど出力電圧Voutは高くなる。
【0019】
キャパシタC1並びにC2、抵抗R1及び1次コイルLpそれぞれの第1端は、いずれもノードn1に接続されている。キャパシタC1の第2端は、ノードn2に接続されている。キャパシタC2及び抵抗R1それぞれの第2端は、いずれもダイオードD1のカソードに接続されている。ダイオードD1のアノードと1次コイルLpの第2端は、いずれもスイッチ素子M1のドレインに接続されている。スイッチ素子M1のゲートは、ゲート駆動信号G1の印加端に接続されている。ノードn1とノードn2との間には、入力電圧Vinが印加されている。
【0020】
2次コイルLsの第1端は、ダイオードD2のアノードに接続されている。ダイオードD2のカソードとキャパシタC2の第1端は、いずれもノードn3に接続されている。2次コイルLs及びキャパシタC3それぞれの第2端は、いずれもノードn4に接続されている。ノードn3とノードn4との間には、出力電圧Voutが印加されている。
【0021】
スイッチ素子M1は、ノードn1(=入力電圧Vinの印加端)から1次コイルLpを介してノードn2(=1次回路系の接地端)に至る電流経路をゲート駆動信号G1に応じて導通/遮断することにより、1次コイルLpに流れる1次電流Ipをオン/オフする。スイッチ素子M1がNMOSFETである場合、スイッチ素子M1は、ゲート駆動信号G1がハイレベルであるときにオン状態となり、ゲート駆動信号G1がローレベルであるときにオフ状態となる。
【0022】
スイッチング電源Xの基本動作について簡単に説明する。スイッチ素子M1のオン期間Tonには、ノードn1から1次コイルLp及びスイッチ素子M1を介してノードn2に向けた1次電流Ipが流れるので、1次コイルLpに電気エネルギが蓄えられる。
【0023】
その後、スイッチ素子M1がオフされると、1次コイルLpと磁気結合された2次コイルLsに誘起電圧が発生し、2次コイルLsからダイオードD2及びキャパシタC3を介してノードn4に向けた2次電流Isが流れる。このとき、ノードn3には、2次コイルLsの誘起電圧を整流及び平滑した出力電圧Voutが印加される。
【0024】
以降も、スイッチ素子M1がオン/オフされることにより、上記と同様のスイッチング出力動作が繰り返される。
【0025】
このように、本構成例のスイッチング電源Xによれば、1次回路系と2次回路系との間を電気的に絶縁しつつ、入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutが生成される。
【0026】
<スイッチ制御装置(機能ブロック)>
引き続き、
図1を参照しながら、スイッチ制御装置1について詳細に説明する。本構成例のスイッチ制御装置1は、1次回路系に設けられてスイッチング電源Xの制御主体となる半導体装置(いわゆる電源制御IC)である。
【0027】
本図に即して述べると、スイッチ制御装置1は、遅延時間設定回路10と、電流検出回路20と、比較回路30と、論理回路40と、駆動回路50と、分圧回路60を備える。
【0028】
遅延時間設定回路10は、スイッチ素子M1に印加される入力電圧Vin(本図では、入力電圧Vinの分圧電圧Vdiv)に応じて遅延時間設定信号DLYを生成することにより、遅延時間tcp(詳細は後述)を設定する。より具体的に述べると、遅延時間設定回路10は、入力電圧Vinが高いほど遅延時間tcpを短縮し、入力電圧Vinが低いほど遅延時間tcpを延長する。
【0029】
電流検出回路20は、例えばスイッチ素子M1のソースとノードn2との間に接続されており、オン状態のスイッチ素子M1に流れる1次電流Ip(=出力電流に相当)に応じた電流検出信号Vcsを生成する。例えば、電流検出信号Vcsは、1次電流Ipが大きいほど高くなり、1次電流Ipが小さいほど低くなる電圧信号であってもよい。
【0030】
比較回路30は、電流検出信号Vcsと閾値Vthとを比較することにより、電流制限信号CSLIMを生成する。例えば、電流制限信号CSLIMは、電流検出信号Vcsが閾値Vthよりも低いときにローレベルとなり、電流検出信号Vcsが閾値Vthよりも高いときにハイレベルとなる2値信号であってもよい。
【0031】
論理回路40は、電流検出信号Vcsが閾値Vthを上回ってから遅延時間tcpが経過したときにスイッチ素子M1をオフ状態とするようにゲート制御信号S1を生成する。
【0032】
駆動回路50は、ゲート制御信号S1に応じてゲート駆動信号G1を生成することによりスイッチ素子M1を駆動する。
【0033】
分圧回路60は、入力電圧Vinの分圧電圧Vdivを生成して遅延時間設定回路10に出力する。
【0034】
上記の機能ブロックを備えるスイッチ制御装置1であれば、入力電圧Vinをモニタして遅延時間tcpを制御することにより、実際の1次電流Ipのピーク値が入力電圧Vinにほぼ依存しないように補正することが可能となる。以下では、スイッチ制御装置1の具体的な回路構成及び動作について詳述する。
【0035】
<スイッチ制御装置(第1実施形態)>
図2は、スイッチ制御装置1の第1実施形態を示す図である。本実施形態のスイッチ制御装置1では、
図1の遅延時間設定回路10と分割回路60の具体例が描写されている。
【0036】
本図に即して述べると、遅延時間設定回路10は、バッファ11と、カレントミラー12及び13と、コンパレータ14と、トランジスタ15及び16(本図ではいずれもNMOSFET)と、抵抗17及び18と、キャパシタ19と、を含む。
【0037】
なお、上記構成要素のうち、バッファ11、カレントミラー12並びに13、トランジスタ15及び抵抗17は、入力電圧Vinに応じた基準電流I1~I4を生成する基準電流生成部10xとして機能する。抵抗18は、基準電流I3(∝I1)を電流/電圧変換して基準電圧Vrefを生成する基準電圧生成部10yとして機能する。トランジスタ16及びキャパシタ19は、基準電流I4(∝I1)を用いたキャパシタ19の充放電によりスロープ電圧Vslpを生成するスロープ電圧生成部10zとして機能する。
【0038】
バッファ11の非反転入力端(+)は、分圧電圧Vdivの印加端に接続されている。バッファ11の反転入力端(-)は、帰還電圧Vfbの印加端(=トランジスタ15のソースと抵抗17の第1端との接続ノード)に接続されている。バッファ11の出力端は、トランジスタ15のゲートに接続されている。このように接続されたバッファ11は、分圧電圧Vdivと帰還電圧Vfbとの差分が0となるように、言い換えれば、帰還電圧Vfbが分圧電圧Vdivと一致するように、トランジスタ15のゲート制御を行う。
【0039】
トランジスタ15のドレインは、カレントミラー12の入力端(=基準電流I1の入力端)に接続されている。トランジスタ15のソースと抵抗17の第1端は、いずれも帰還電圧Vfbの印加端としてバッファ11の反転入力端(-)に接続されている。抵抗17の第2端は、接地端に接続されている。このように、トランジスタ15及び抵抗17は、基準電流I1が流れる電流経路上で直列に接続されており、相互間の接続ノードから基準電流I1に応じた帰還電圧Vfb(=I1×R17、ただしR17は抵抗17の抵抗値)を出力する。従って、基準電流I1(=Vdiv/R17)は、入力電圧Vinが高いほど大きくなり、入力電圧Vinが低いほど小さくなる。
【0040】
カレントミラー12は、基準電流I1を複製して基準電流I2及びI4を生成し、基準電流I2をカレントミラー13に出力するとともに、基準電流I4をスロープ電圧生成部10z(=トランジスタ16及びキャパシタ19)に出力する。
【0041】
カレントミラー13は、基準電流I2を複製して基準電流I3を生成し、基準電流I3を基準電圧生成部10y(=抵抗18)に出力する。
【0042】
抵抗18の第1端は、入力電圧Vinに依存しない定電圧Vregの印加端に接続されている。抵抗18の第2端は、カレントミラー13の出力端(=基準電流I3の出力端)に接続されている。従って、抵抗18の第2端には、基準電流I3を電流/電圧変換した基準電圧Vref(=Vreg-I3×R18、ただしR18は抵抗18の抵抗値)が生成される。なお、基準電流I3は、入力電圧Vinが高いほど大きくなり、入力電圧Vinが低いほど小さくなる。従って、基準電圧Vrefは、入力電圧Vinが高いほど引き下げられ、入力電圧Vinが低いほど引き上げられる。すなわち、基準電圧Vrefは、入力電圧Vinに応じて電圧値が変化する。
【0043】
トランジスタ16のドレインとキャパシタ19の第1端は、いずれもカレントミラー12の出力端(=基準電流I4の出力端)に接続されている。トランジスタ16のソースとキャパシタ19の第2端は、いずれも接地端に接続されている。トランジスタ16のゲートは、反転電流制限信号CSLIMBの印加端に接続されている。なお、反転電流制限信号CSLIMBは、電流制限信号CSLIMの論理レベルを反転させた信号である。トランジスタ16は、反転電流制限信号CSLIMBがローレベルであるときにオフ状態となり、反転電流制限信号CSLIMBがハイレベルであるときにオン状態となる。
【0044】
トランジスタ16がオフ状態であるときには、キャパシタ19が基準電流I4によって充電される。その結果、キャパシタ19の第1端から引き出されるスロープ電圧Vslpは、基準電流I4に応じた傾きで上昇していく。一方、トランジスタ16がオン状態であるときには、キャパシタ19の両端間がトランジスタ16を介してショートされる。従って、キャパシタ19に蓄えられた電荷が放電されるので、スロープ電圧Vslpが0Vにリセットされる。このように、スロープ電圧Vslpは、反転電流制限信号CSLIMBに同期したスロープ波形(鋸波形)となる。
【0045】
なお、基準電流I4は、入力電圧Vinが高いほど大きくなり、入力電圧Vinが低いほど小さくなる。従って、スロープ電圧Vslpの傾きは、入力電圧Vinが高いほど大きくなり、入力電圧Vinが低いほど小さくなる。すなわち、スロープ電圧Vslpは、入力電圧Vinに応じて傾きが変化する。
【0046】
コンパレータ14は、反転入力端(-)に入力される基準電圧Vrefと、非反転入力端(+)に入力されるスロープ電圧Vslpとを比較することにより、遅延時間設定信号DLYを生成する。遅延時間設定信号DLYは、基準電圧Vrefがスロープ電圧Vslpよりも高いときにローレベルとなり、基準電圧Vrefがスロープ電圧Vslpよりも低いときにハイレベルとなる。なお、遅延時間設定信号DLYは、論理回路40における遅延時間tcpの設定処理、より具体的には、遅延時間tcpの満了タイミングを設定するためのトリガ信号として用いられる(詳細は後述)。
【0047】
分圧回路60は、抵抗61及び62を含む。抵抗61及び62は、入力電圧Vinの印加端と接地端との間に直列接続されており、相互間の接続ノードから分圧電圧Vdivを出力する。なお、入力電圧Vinが遅延時間設定回路10の入力ダイナミックレンジに収まっている場合には、必ずしも分圧回路60を設ける必要はなく、遅延時間設定回路10に入力電圧Vinを直接入力しても構わない。
【0048】
<スイッチ制御装置(第2実施形態)>
図3は、スイッチ制御装置1の第2実施形態を示す図である。本実施形態のスイッチ制御装置1は、先出の第1実施形態(
図2)を基本としつつ、基準電流生成部10xの内部構成に変更が加えられている。
【0049】
本図に即して述べると、基準電流生成部10xは、先出のバッファ11、カレントミラー12並びに13、トランジスタ15及び抵抗17に代えて、ADコンバータ1Aと、ロジック1Bと、DAコンバータ1Cと、電流源1D及び1Eと、を含む。
【0050】
ADコンバータ1Aは、入力電圧Vinに応じたアナログ入力信号AI(=分圧電圧Vdiv)をデジタル入力信号DIに変換する。
【0051】
ロジック1Bは、デジタル入力信号DIからデジタル出力信号DOを生成する。なお、デジタル出力信号DOは、電流源ID及びIEでそれぞれ生成される基準電流I3及びI4の電流値に関する情報を含む。
【0052】
DAコンバータ1Cは、デジタル出力信号DOをアナログ出力信号AOに変換する。
【0053】
電流源1Dは、アナログ出力信号AOに応じた基準電流I3を生成して基準電圧生成部10y(=抵抗18)に出力する。
【0054】
電流源1Eは、アナログ出力信号AOに応じた基準電流I4を生成してスロープ電圧生成部10z(=トランジスタ16及びキャパシタ19)に出力する。
【0055】
このように、基準電流生成部10xは、先出のアナログ方式(
図2)に代えて、デジタル方式としても構わない。
【0056】
<スイッチ制御装置(第3実施形態)>
図4は、スイッチ制御装置1の第3実施形態を示す図である。本実施形態のスイッチ制御装置1では、
図1の電流検出回路20、比較回路30、論理回路40及び駆動回路50それぞれの具体例が描写されている。
【0057】
本図に即して述べると、電流検出回路20は、センス抵抗21を含む。センス抵抗21は、スイッチ素子M1のソースと接地端との間に接続されており、その両端間電圧を電流検出信号Vcsとして出力する。従って、電流検出信号Vcs(=Ip×R21、ただしR21はセンス抵抗21の抵抗値)は、1次電流Ipが大きいほど高くなり、1次電流Ipが小さいほど低くなる。
【0058】
比較回路30は、コンパレータ31を含む。コンパレータ31は、非反転入力端(+)に入力される電流検出信号Vcsと、反転入力端(-)に入力される閾値Vthとを比較することにより、電流制限信号CSLIMを生成する。従って、電流制限信号CSLIMは、電流検出信号Vcsが閾値Vthよりも高いときにハイレベルとなり、電流検出信号Vcsが閾値Vthよりも低いときにローレベルとなる。
【0059】
なお、電流制限信号CSLIMは、論理回路40に出力されるとともに、インバータ1Fにも出力されている。インバータ1Fは、電流制限信号CSLIMの論理レベルを反転することにより、反転電流制限信号CSLIMBを生成する。従って、反転電流制限信号CSLIMBは、電流制限信号CSLIMがハイレベルであるときにローレベルとなり、電流制限信号CSLIMがローレベルであるときにハイレベルとなる。
【0060】
論理回路40は、ANDゲート41とRSフリップフロップ42を含む。
【0061】
ANDゲート41は、遅延時間設定信号DLYと電流制限信号CSLIMの論理積演算を行うことによりリセット信号RSTを生成する。従って、リセット信号RSTは、遅延時間設定信号DLYと電流制限信号CSLIMの少なくとも一方がローレベルであるときにローレベルとなり、遅延時間設定信号DLYと電流制限信号CSLIMの双方がハイレベルであるときにハイレベルとなる。
【0062】
RSフリップフロップ42は、セット端(S)に入力されるセット信号SETとリセット端(R)に入力されるリセット信号RSTに応じて、出力端(Q)から出力されるゲート制御信号S1の論理レベルを切り替える。例えば、ゲート制御信号S1は、セット信号SETのパルスエッジ(例えば立ち上がりエッジ)をトリガとしてハイレベルにセットされ、リセット信号RSTのパルスエッジ(例えば立ち上がりエッジ)をトリガとしてローレベルにリセットされる。
【0063】
駆動回路50は、ゲートドライバ51を含む。ゲートドライバ51は、ゲート制御信号S1の入力を受けてゲート駆動信号G1を生成する。ゲート駆動信号G1は、例えば、ゲート制御信号S1がハイレベルであるときにハイレベルとなり、ゲート制御信号S1がローレベルであるときにローレベルとなる。
【0064】
<遅延時間設定動作>
図5は、遅延時間設定動作の一例を示す図であり、上から順に、入力電圧Vin、セット信号SET、リセット信号RST、反転電流制限信号CSLIMB、スロープ電圧Vslp(実線)並びに基準電圧Vref(破線)、ゲート制御信号S1、ゲート駆動信号G1、及び、電流検出信号Vcsが描写されている。
【0065】
まず、時刻t1~t5を参照しながら、入力電圧Vinが変動許容範囲の下限値Vin1である場合について詳細に説明する。
【0066】
時刻t1において、セット信号SETがハイレベルに立ち上がると、ゲート制御信号S1がハイレベルにセットされるので、ゲート駆動信号G1がハイレベルに立ち上がる。その結果、スイッチ素子M1がオン状態となり、1次電流Ipが流れ始めるので、電流検出信号Vcsが1次電流Ipに応じた傾きで上昇していく。なお、入力電圧Vinが変動許容範囲の下限値Vin1である場合には、1次電流Ipが最も小さくなるので、電流検出信号Vcsの傾きが最も小さくなる。
【0067】
時刻t2において、電流検出信号Vcsが閾値Vthよりも高くなると、反転電流制限信号CSLIMBがハイレベルからローレベルに立ち下がる。その結果、スロープ電圧生成部10zのトランジスタ16がオフ状態となるので、キャパシタ19の充電が開始されて、スロープ電圧Vslpが基準電流I4(延いては入力電圧Vin)に応じた傾きで上昇し始める。
【0068】
時刻t3において、スロープ電圧Vslpが基準電圧Vrefを上回ると、遅延時間設定信号DLY(不図示)がハイレベルに立ち上がり、延いては、リセット信号RSTがハイレベルに立ち上がる。その結果、ゲート制御信号S1がローレベルにリセットされる。このように、ゲート制御信号S1は、電流検出信号Vcsが閾値Vthを上回った時点で即座にローレベル(=スイッチ素子M1をオフ状態とするように指示するための論理レベル)に立ち下げられるのではなく、電流検出信号Vcsが閾値Vthを上回ってから遅延時間tcp(=時刻t2~t3)が経過した時点でローレベルに立ち下げられる。
【0069】
なお、入力電圧Vinが変動許容範囲の下限値Vin1である場合には、基準電圧Vrefが最も高くなり、かつ、スロープ電圧Vslpの傾きが最も小さくなる。従って、スロープ電圧Vslpが上昇し始めてから基準電圧Vrefを上回るまでの所要時間、すなわち、上記の遅延時間tcpが最も長くなる(tcp=tcp1)。
【0070】
時刻t4において、時刻t3から固有遅延時間tdly0が経過すると、ゲート駆動信号G1がローレベルに立ち下がる。その結果、スイッチ素子M1がオフ状態となり、1次電流Ipが遮断されるので、電流検出信号Vcsが0Vまで低下する。なお、固有遅延時間tdly0は、寄生容量及び信号伝搬遅延などに起因するIC固有の固定長である。
【0071】
このように、入力電圧Vinが変動許容範囲の下限値Vin1である場合、電流検出信号Vcsが閾値Vthを上回ってから実際にスイッチ素子M1がオフ状態となるまでの総遅延時間はtcp1+tdly0となる。また、このとき、閾値Vthに対する電流検出信号Vcsの超過量はΔ1となる。
【0072】
次に、時刻t6~t10を参照しながら、入力電圧Vinが変動許容範囲の上限値Vin2である場合について詳細に説明する。
【0073】
時刻t7において、セット信号SETがハイレベルに立ち上がると、ゲート制御信号S1がハイレベルにセットされるので、ゲート駆動信号G1がハイレベルに立ち上がる。その結果、スイッチ素子M1がオン状態となり、1次電流Ipが流れ始めるので、電流検出信号Vcsが1次電流Ipに応じた傾きで上昇していく。なお、入力電圧Vinが変動許容範囲の上限値Vin2である場合には、1次電流Ipが最も大きくなるので、電流検出信号Vcsの傾きが最も大きくなる。
【0074】
時刻t8において、電流検出信号Vcsが閾値Vthよりも高くなると、反転電流制限信号CSLIMBがハイレベルからローレベルに立ち下がる。その結果、スロープ電圧生成部10zのトランジスタ16がオフ状態となるので、キャパシタ19の充電が開始されて、スロープ電圧Vslpが基準電流I4(延いては入力電圧Vin)に応じた傾きで上昇し始める。
【0075】
時刻t9において、スロープ電圧Vslpが基準電圧Vrefを上回ると、遅延時間設定信号DLY(不図示)がハイレベルに立ち上がり、延いては、リセット信号RSTがハイレベルに立ち上がる。その結果、ゲート制御信号S1がローレベルにリセットされる。このように、ゲート制御信号S1は、電流検出信号Vcsが閾値Vthを上回った時点で即座にローレベル(=スイッチ素子M1をオフ状態とするように指示するための論理レベル)に立ち下げられるのではなく、電流検出信号Vcsが閾値Vthを上回ってから遅延時間tcp(=時刻t8~t9)が経過した時点でローレベルに立ち下げられる。
【0076】
なお、入力電圧Vinが変動許容範囲の上限値Vin2である場合には、基準電圧Vrefが最も低くなり、かつ、スロープ電圧Vslpの傾きが最も大きくなる。従って、スロープ電圧Vslpが上昇し始めてから基準電圧Vrefを上回るまでの所要時間、すなわち、上記の遅延時間tcpが最も長くなる(tcp=tcp2)。
【0077】
時刻t10において、時刻t9から固有遅延時間tdly0が経過すると、ゲート駆動信号G1がローレベルに立ち下がる。その結果、スイッチ素子M1がオフ状態となり、1次電流Ipが遮断されるので、電流検出信号Vcsが0Vまで低下する。なお、固有遅延時間tdly0は、寄生容量及び信号伝搬遅延などに起因するIC固有の固定長である。
【0078】
このように、入力電圧Vinが変動許容範囲の上限値Vin2である場合、電流検出信号Vcsが閾値Vthを上回ってから実際にスイッチ素子M1がオフ状態となるまでの総遅延時間はtcp2+tdly0となる。また、このとき、閾値Vthに対する電流検出信号Vcsの超過量はΔ2となる。
【0079】
ここで、遅延時間tcpは、入力電圧Vinの変動許容範囲全域(Vin1≦V≦Vin2)において、閾値Vthに対する電流検出信号Vcsの超過量Δが常に一定となるように、入力電圧Vinが高いほど短縮され、入力電圧Vinが低いほど延長される。
【0080】
すなわち、遅延時間tcpは、総遅延時間(tcp+tdly0)を補正するための遅延補正量として理解することもできる。
【0081】
このように遅延時間tcpの可変制御を行う構成であれば、1次コイルLpのインダクタンス値のバラツキが大きい場合、又は、電源制御装置1が適用されるアプリケーションの仕様により1次コイルLpのインダクタンス値の設計範囲が広い場合であっても、入力電圧Vinの変動許容範囲全域において、1次電流Ipのピーク値を常に一定に維持することができる。
【0082】
その結果、スイッチ素子M1として過剰なスペックのパワーデバイスを選択せずに済むので、コストの削減及びアプリケーション全体の信頼性向上を図ることが可能となる。
【0083】
次に、遅延時間tcpの可変制御により常に一定に維持される1次電流Ipのピーク値が1次コイルLpのインダクタンス値による影響を受けない理論的根拠について述べる。
【0084】
先出の
図5で示した超過量Δ1及びΔ2は、それぞれ、次の(1)式及び(2)式で表すことができる。
【0085】
Δ1=(Vin1/Lp)×(tcp1+tdly0) … (1)
Δ2=(Vin2/Lp)×(tcp2+tdly0) … (2)
【0086】
なお、Vin1は入力電圧Vinの変動許容範囲における下限値であり、tcp1は入力電圧Vinが下限値Vin1であるときの遅延時間(遅延補正量)である。また、Vin2は入力電圧Vinの変動許容範囲における上限値であり、tcp2は入力電圧Vinが上限値Vin2であるときの遅延時間(遅延補正量)である。また、Lpは1次コイルLpのインダクタンス値であり、tdly0はスイッチ素子M1をオフ状態とするように指示してからスイッチ素子M1が実際にオフ状態となるまでの固有遅延時間である。
【0087】
ここで、制御目標をΔ1=Δ2とし、かつ、入力電圧Vinが上限値Vin2であるときの遅延時間tcp2を0とした場合には、次の(3)式が導出される。
【0088】
tcp1={(Vin2/Vin1)-1}×tdly0 … (3)
【0089】
上記の(3)式から、入力電圧Vinが下限値Vin1であるときの遅延時間tcp1は、1次コイルLpのインダクタンス値による影響を受けないことが分かる。
【0090】
この考え方を拡張し、入力電圧Vinが任意値V(ただしVin1≦V≦Vin2)であるときの遅延時間tcp(V)について、次の(4)式が成立するように設計すれば、入力電圧Vinの変動許容範囲全域において、1次電流Ipのピーク値は、入力電圧Vinにも1次コイルLpのインダクタンス値にも依存することなく一定となる。
【0091】
tcp(V)={(Vin2/V)-1}×tdly0 … (4)
【0092】
図6は、先出の(4)式を満たすように遅延時間tcp(V)を設定した場合における入力電圧Vinと遅延時間tcpとの関係を示す図である。本図の関係を満たせば、入力電圧Vinにも1次コイルLpのインダクタンス値にも依存することなく、1次電流Ipのピーク値を一定に維持することが可能となる。
【0093】
<総括>
以下では、上記で説明した種々の実施形態について総括的に述べる。
【0094】
例えば、本明細書中に開示されているスイッチ制御装置は、スイッチ素子に印加される入力電圧に応じて遅延時間を設定するように構成された遅延時間設定回路と、オン状態の前記スイッチ素子に流れる出力電流に応じた電流検出信号を生成するように構成された電流検出回路と、前記電流検出信号と閾値を比較するように構成された比較回路と、前記電流検出信号が前記閾値を上回ってから前記遅延時間が経過したときに前記スイッチ素子をオフ状態とする制御信号を生成するように構成された論理回路と、前記制御信号に応じて前記スイッチ素子を駆動するように構成された駆動回路と、を備える構成(第1の構成)とされている。
【0095】
なお、上記第1の構成によるスイッチ制御装置において、前記遅延時間設定回路は、前記入力電圧が高いほど前記遅延時間を短縮し、前記入力電圧が低いほど前記遅延時間を延長する構成(第2の構成)にしてもよい。
【0096】
また、上記第2の構成によるスイッチ制御装置は、前記入力電圧の任意値及び上限値をそれぞれV及びVin2とし、前記スイッチ素子をオフ状態とするように指示してから前記スイッチ素子が実際にオフ状態となるまでの固有遅延時間をtdly0とし、前記入力電圧が前記上限値であるときの前記遅延時間を0とし、前記入力電圧が前記任意値であるときの前記遅延時間をtcp(V)とすると、tcp(V)={(Vin2/V)-1}×tdly0が成立する構成(第3の構成)にしてもよい。
【0097】
また、上記第2又は第3の構成によるスイッチ制御装置において、前記遅延時間設定回路は、前記入力電圧に応じて電圧値が変化する基準電圧と前記入力電圧に応じて傾きが変化するスロープ電圧とを比較することにより前記遅延時間を設定する構成(第4の構成)にしてもよい。
【0098】
また、上記第4の構成によるスイッチ制御装置において、前記遅延時間設定回路は、前記入力電圧が高いほど前記基準電圧を引き下げるとともに前記スロープ電圧の傾きを大きくし、前記入力電圧が低いほど前記基準電圧を引き上げるとともに前記スロープ電圧の傾きを小さくする構成(第5の構成)にしてもよい。
【0099】
また、上記第4又は第5の構成によるスイッチ制御装置において、前記遅延時間設定回路は、前記入力電圧に応じた基準電流を生成するように構成された基準電流生成部と、前記基準電流を電流/電圧変換して前記基準電圧を生成するように構成された基準電圧生成部と、前記基準電流を用いたキャパシタの充放電により前記スロープ電圧を生成するように構成されたスロープ電圧生成部と、前記基準電圧と前記スロープ電圧とを比較するように構成されたコンパレータと、を含む構成(第6の構成)にしてもよい。
【0100】
また、上記第6の構成によるスイッチ制御装置において、前記基準電流生成部は、前記基準電流が流れる電流経路上で直列に接続されており相互間の接続ノードから前記基準電流に応じた帰還電圧を出力するように構成されたトランジスタ及び抵抗と、前記入力電圧又はこれに応じた分圧電圧と前記帰還電圧との差分に応じて前記トランジスタを制御するように構成されたバッファと、前記基準電流を複製して前記基準電圧生成部及び前記スロープ電圧生成部それぞれに出力するように構成されたカレントミラーと、を含む構成(第7の構成)にしてもよい。
【0101】
また、上記第6の構成によるスイッチ制御装置において、前記基準電流生成部は、前記入力電圧に応じたアナログ入力信号をデジタル入力信号に変換するように構成されたADコンバータと、前記デジタル入力信号からデジタル出力信号を生成するように構成されたロジックと、前記デジタル出力信号をアナログ出力信号に変換するように構成されたDAコンバータと、前記アナログ出力信号に応じた前記基準電流を生成して前記基準電圧生成部及び前記スロープ電圧生成部それぞれに出力するように構成された電流源と、を含む構成(第8の構成)にしてもよい。
【0102】
また、上記第1~第8いずれかの構成によるスイッチ制御装置は、前記入力電圧の分圧電圧を生成して前記遅延時間設定回路に出力するように構成された分圧回路をさらに備える構成(第9の構成)にしてもよい。
【0103】
また、例えば、本明細書中に開示されているスイッチング電源は、上記第1~第9いずれかの構成によるスイッチ制御装置と、前記スイッチ素子と、を備え、前記スイッチ素子をオン/オフすることにより前記入力電圧から所望の出力電圧を生成する構成(第10の構成)とされている。
【0104】
<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【0105】
例えば、上記では、絶縁型のスイッチング電源について例示したが、先出の実施形態は非絶縁型(Buck又はBuck-boost等)にも適用することができる。
【0106】
すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本開示の技術的範囲は、特許請求の範囲により規定されるものであって、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解され得る。
【符号の説明】
【0107】
1 スイッチ制御装置
10 遅延時間設定回路
11 バッファ
12、13 カレントミラー
14 コンパレータ
15、16 トランジスタ(NMOSFET)
17、18 抵抗
19 キャパシタ
1A ADコンバータ
1B ロジック
1C DAコンバータ
1D、1E 電流源
1F インバータ
20 電流検出回路
21 センス抵抗
30 比較回路
31 コンパレータ
40 論理回路
41 ANDゲート
42 RSフリップフロップ
50 駆動回路
51 ゲートドライバ
60 分圧回路
61、62 抵抗
C1~C3 キャパシタ
D1、D2 ダイオード
Lp 1次コイル
Ls 2次コイル
M1 スイッチ素子(NMOSFET)
n1~n4 ノード
R1 抵抗
TR1 トランス
X スイッチング電源