特開 2024-98253 ソフトスタート制御装置、半導体装置

(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】P2024098253

(43)【公開日】2024-07-23

(54)【発明の名称】ソフトスタート制御装置、半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20240716BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023001641

(22)【出願日】2023-01-10

(71)【出願人】

【識別番号】000106276

【氏名又は名称】サンケン電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】中野 利浩

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA18

5H730AS01

5H730AS02

5H730AS04

5H730AS05

5H730AS11

5H730BB13

5H730BB14

5H730BB57

5H730BB86

5H730CC04

5H730DD04

5H730EE59

5H730FD01

5H730FD31

5H730FG05

5H730XC04

5H730XC14

(57)【要約】

【課題】出力電圧に残存電圧がある状態で起動されても、起動時間を短縮したスムーズな起動ができるソフトスタート制御装置を提供する。
【解決手段】ＰＦＣ回路の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１を負帰還制御によって目標電圧に制御するＰＦＣ制御回路４０に設けられ、ＰＦＣ回路の起動時に、目標電圧を初期値から逓増させるソフトスタート制御装置（ソフトスタート回路１０）であって、初期値を起動時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１の残存電圧に応じた値に設定する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スイッチング電源装置の出力電圧を負帰還制御によって目標電圧に制御する負帰還制御装置に設けられ、前記スイッチング電源装置の起動時に、前記目標電圧を初期値から逓増させるソフトスタート制御装置であって、
前記初期値を起動時の前記出力電圧の残存電圧に応じた値に設定することを特徴とするソフトスタート制御装置。

【請求項2】

スイッチング電源装置の出力電流を負帰還制御によって目標電流に制御する負帰還制御装置に設けられ、前記スイッチング電源装置の起動時に、出力電圧を初期値から逓増させるソフトスタート制御装置であって、
前記初期値を起動時の前記出力電圧の残存電圧に応じた値に設定することを特徴とするソフトスタート制御装置。

【請求項3】

前記残存電圧が予め設定された閾電圧以上である場合、前記出力電圧の上昇率を前記初期値が０Ｖの通常時よりも低く変更することを特徴とする請求項１又は２に記載のソフトスタート制御装置。

【請求項4】

前記残存電圧に応じて、前記初期値が０Ｖの通常時の起動時間で起動するように、前記出力電圧の上昇率を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載のソフトスタート制御装置。

【請求項5】

請求項１又は２に記載の負帰還制御装置及びソフトスタート制御装置が基板上に集積化されていることを特徴とする半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スイッチング電源装置のソフトスタートを制御するソフトスタート制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

スイッチング電源装置の起動時は、負荷側の特性により突入電流や出力電圧のオーバーシュートが発生する場合がある。突入電流や出力電圧のオーバーシュートを抑制するために、所定の時間を掛けて出力電圧を緩やかに立ち上げるソフトスタートを用いることが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６３８２０２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、瞬低や出力コンデンサが大きい場合、出力電圧がある程度高い状態で再起動が掛ることがある。この場合、ソフトスタートによる目標値よりも出力電圧が高い状態となるため、出力電圧を下げる方向に制御が行われて起動時間が長くなることがある。特に、ＬＥＤを点灯させるＬＥＤ照明用電源では起動時間が問題となる。

【0005】

本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出力電圧に残存電圧がある状態で起動されても、起動時間を短縮したスムーズな起動ができるソフトスタート制御装置を提供する点にある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係るソフトスタート制御装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
本発明に係るソフトスタート制御装置は、スイッチング電源装置の出力電圧を負帰還制御によって目標電圧に制御する負帰還制御装置に設けられ、前記スイッチング電源装置の起動時に、前記目標電圧を初期値から逓増させるソフトスタート制御装置であって、前記初期値を起動時の前記出力電圧の残存電圧に応じた値に設定することを特徴とする。
また、本発明に係るソフトスタート制御装置は、スイッチング電源装置の出力電流を負帰還制御によって目標電流に制御する負帰還制御装置に設けられ、前記スイッチング電源装置の起動時に、出力電圧を初期値から逓増させるソフトスタート制御装置であって、前記初期値を起動時の前記出力電圧の残存電圧に応じた値に設定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明のソフトスタート制御装置は、出力電圧に残存電圧がある状態で起動されても、起動時間を短縮したスムーズな起動ができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明に係るソフトスタート制御装置を備えたスイッチング電源装置の実施の形態を示す回路図である。

【図2】図１に示すＰＦＣ制御部の構成を示す図である。

【図3】ソフトスタート電圧を説明する波形図である。

【図4】ソフトスタートを説明する波形図である。

【図5】図１に示す点灯制御部の構成を示す図である。

【図6】図２に示すＰＦＣ制御部をデジタル回路で構成した例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

【0010】

本実施の形態のスイッチング電源装置１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）６を点灯させるＬＥＤ照明用電源であり、図１を参照すると、交流電源２と、交流電源２の交流入力電圧を全波整流する全波整流回路３とを備える。また、スイッチング電源装置１は、全波整流回路３の直流出力電圧が入力されるＰＦＣ回路（力率改善回路）４と、ＤＣＤＣコンバータ５とを備える。

【0011】

ＰＦＣ回路４は、平滑用コンデンサＣ１と、インダクタＬ１と、ダイオードＤ１との直列回路を備える。平滑用コンデンサＣ１の一端とインダクタＬ１の一端との接続点は、全波整流回路３の正極出力に、平滑用コンデンサＣ１の他端は、全波整流回路３の負極出力に接続されている。ＰＦＣ回路４は、インダクタＬ１の一端とダイオードＤ１のアノードとの接続点と、全波整流回路３の負極出力との間に接続されたスイッチング素子Ｑ１とを備える。ＰＦＣ回路４は、ダイオードＤ１のカソードと、全波整流回路３の負極出力との間に接続された出力コンデンサＣ２を備える。スイッチング素子Ｑ１は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等で構成される。

【0012】

ＰＦＣ回路４は、スイッチング素子Ｑ１のオンオフ制御によって電圧と電流の位相のずれを補正するＰＦＣ制御部４０を備える。ＰＦＣ制御部４０は、ソフトスタート回路１０を内蔵して集積回路化した半導体装置である。

【0013】

ＰＦＣ制御部４０は、図２を参照すると、誤差増幅器４１と、比較器４２と、発振回路４３と、ドライブ回路４４と、ソフトスタート回路１０と、を備える。ＰＦＣ回路４の出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１は、抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧され、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ１として誤差増幅器４１の反転入力端子に入力される。誤差増幅器４１は、２つの非反転入力端子を備える。誤差増幅器４１は、一方の非反転入力端子に基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１が入力され、他方の非反転入力端子にソフトスタート回路１０から出力されるソフトスタート電圧ＶＡが入力される。誤差増幅器４１は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１とソフトスタート電圧ＶＡとの内の低い方の電圧と、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ１との誤差信号Ｖｅを出力する。

【0014】

比較器４２は、非反転入力端子に誤差信号Ｖｅが、反転入力端子に発振回路４３より出力される固定周期の三角波がそれぞれ入力される。比較器４２は、誤差信号Ｖｅと発振回路４３の三角波との比較結果をＰＷＭ信号として出力する。

【0015】

ドライブ回路４４は、比較器４２の比較結果（ＰＷＭ信号）に基づく駆動信号を生成してスイッチング素子Ｑ１をオンオフ制御する。これにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１は、ＰＦＣ制御部４０によってフィードバック電圧Ｖ_ＦＢ１が基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に一致するように制御される。

【0016】

ソフトスタート回路１０は、コンデンサＣ４と、コンデンサＣ４を充電する定電流源１１と、初期値設定用のスイッチ１２と、リセット用のスイッチ１３と、を備え、コンデンサＣ４の電圧をソフトスタート電圧ＶＡとして出力する。

【0017】

ＰＦＣ回路４の起動前は、リセット用のスイッチ１３によってコンデンサＣ４の電荷が放電された状態で、ソフトスタート電圧ＶＡは、０Ｖである。

【0018】

ＰＦＣ回路４が起動すると、初期値設定用のスイッチ１２が一時的にオンされ、アンプ４５によってレベル調整されたフィードバック電圧Ｖ_ＦＢ１によってコンデンサＣ４が充電される。また、ＰＦＣ回路４が起動すると、定電流源１１によるコンデンサＣ４―の充電が開始される。

【0019】

出力コンデンサＣ２に電荷の残存がなく、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１が０Ｖの状態でＰＦＣ回路４が起動した場合、初期値設定用のスイッチ１２が一時的にオンされても、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ１によってコンデンサＣ４が充電されない。従って、ソフトスタート電圧ＶＡは、図３（ａ）に示すように、０Ｖを初期値として、定電流源１１によるコンデンサＣ４の充電で定電流源１１の電源電圧Ｖ１まで逓増（緩やかに上昇）する。定電流源１１の電源電圧Ｖ１は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１以上に設定されている。これにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１は、図４（ａ）に示すように、０Ｖから逓増（緩やかに上昇）して目標電圧に到達するソフトスタートを行われる。

【0020】

出力コンデンサＣ２に電荷の残存があり、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１に残存電圧がある状態でＰＦＣ回路４が起動した場合、初期値設定用のスイッチ１２が一時的にオンされると、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ１によってコンデンサＣ４が充電される。従って、ソフトスタート電圧ＶＡの初期値は、残存電圧に応じた値（残存電圧が抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧されたフィードバック電圧Ｖ_ＦＢ１をアンプ４５によってレベル調整した値）となる。ソフトスタート電圧ＶＡは、図３（ｂ）に示すように、残存電圧に応じた値を初期値として定電流源１１によるコンデンサＣ４の充電で定電流源１１の電源電圧Ｖ１まで逓増（緩やかに上昇）する。これにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１は、図４（ｂ）に示すように、残存電圧から逓増（緩やかに上昇）して目標電圧に到達するソフトスタートを行われる。

【0021】

ＤＣＤＣコンバータ５は、ＰＦＣ回路４における出力コンデンサＣ２の正極端子と負極端子との間に接続された、スイッチング素子Ｑ２と、インダクタＬ２と、出力コンデンサＣ３との直列回路を備える。スイッチング素子Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等で構成される。ＤＣＤＣコンバータ５は、インダクタＬ２に発生する逆起電力を整流するダイオードＤ１を備える。

【0022】

ＤＣＤＣコンバータ５は、スイッチング素子Ｑ２のオンオフ制御によってＬＥＤ６を点灯させる点灯制御部５０を備える。点灯制御部５０は、ソフトスタート回路１０を内蔵して集積回路化した半導体装置である。

【0023】

点灯制御部５０は、図５を参照すると、誤差増幅器４１と、比較器４２と、発振回路４３と、ドライブ回路４４と、ソフトスタート回路１０と、を備える。ＬＥＤ６を流れる出力電流Ｉ_ｏｕｔは、抵抗Ｒｓによってフィードバック電圧Ｖ_ＦＢ２として検出されて誤差増幅器４１の反転入力端子に入力される。誤差増幅器４１は、２つの非反転入力端子を備える。誤差増幅器４１は、一方の非反転入力端子に基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２が入力され、他方の非反転入力端子にソフトスタート回路１０から出力されるソフトスタート電圧ＶＡが入力される。誤差増幅器４１は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２とソフトスタート電圧ＶＡとの内の低い方の電圧と、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ２との誤差信号Ｖｅを出力する。

【0024】

比較器４２は、非反転入力端子に誤差信号Ｖｅが、反転入力端子に発振回路４３より出力される固定周期の三角波がそれぞれ入力される。比較器４２は、誤差信号Ｖｅと発振回路４３の三角波との比較結果をＰＷＭ信号として出力する。

【0025】

ドライブ回路４４は、比較器４２の比較結果（ＰＷＭ信号）に基づく駆動信号を生成してスイッチング素子Ｑ２をオンオフ制御する。定常動作時は、誤差信号Ｖｅによって比較器４２の出力状態が決まるように、ソフトスタート回路１０から出力されるソフトスタート電圧ＶＡが設定されている。これにより、ＬＥＤ６を流れる電流は、点灯制御部５０によってフィードバック電圧Ｖ_ＦＢ２が基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２に一致するように制御される。

【0026】

ソフトスタート回路１０は、コンデンサＣ４と、コンデンサＣ４を充電する定電流源１１と、初期値設定用のスイッチ１２と、リセット用のスイッチ１３と、を備え、コンデンサＣ４の電圧をソフトスタート電圧ＶＡとして出力する。

【0027】

ＤＣＤＣコンバータ５の起動前は、リセット用のスイッチ１３によってコンデンサＣ４の電荷が放電された状態で、ソフトスタート電圧ＶＡは、０Ｖである。

【0028】

ＤＣＤＣコンバータ５が起動すると、初期値設定用のスイッチ１２が一時的にオンされ、アンプ４５によってレベル調整されたフィードバック電圧Ｖ_ＦＢ３によってコンデンサＣ４が充電される。フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ３は、ＤＣＤＣコンバータ５の出力電圧Ｖ_ＯＵＴ２を抵抗Ｒ３、Ｒ４で分圧した電圧である。また、ＤＣＤＣコンバータ５が起動すると、定電流源１１によるコンデンサＣ４の充電が開始される。

【0029】

出力コンデンサＣ３に電荷の残存がなく、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ２が０Ｖの状態でＤＣＤＣコンバータ５が起動した場合、初期値設定用のスイッチ１２が一時的にオンされても、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ２によってコンデンサＣ４が充電されない。従って、ソフトスタート電圧ＶＡは、図３（ａ）に示すように、０Ｖを初期値として、定電流源１１によるコンデンサＣ４の充電で定電流源１１の電源電圧Ｖ１まで逓増（緩やかに上昇）する。定電流源１１の電源電圧Ｖ１は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２以上に設定されている。これにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１は、図４（ａ）に示すように、０Ｖから逓増（緩やかに上昇）して目標電圧に到達するソフトスタートを行われる。

【0030】

出力コンデンサＣ３に電荷の残存があり、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ２に残存電圧がある状態でＤＣＤＣコンバータ５が起動した場合、初期値設定用のスイッチ１２が一時的にオンされると、フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ３によってコンデンサＣ４が充電される。従って、ソフトスタート電圧ＶＡの初期値は、残存電圧に応じた値（残存電圧が抵抗Ｒ３、Ｒ４で分圧されたフィードバック電圧Ｖ_ＦＢ３をアンプ４５によってレベル調整した値）となる。ソフトスタート電圧ＶＡは、図３（ｂ）に示すように、残存電圧に応じた値を初期値として定電流源１１によるコンデンサＣ４の充電で定電流源１１の電源電圧Ｖ１まで逓増（緩やかに上昇）する。これにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１は、図４（ｂ）に示すように、残存電圧から逓増（緩やかに上昇）して目標電圧に到達するソフトスタートを行われる。

【0031】

ＰＦＣ回路４及びＤＣＤＣコンバータ５において、ソフトスタート回路１０におけるコンデンサＣ４の充電は、定電流源１１の代わりに設けた抵抗とコンデンサＣ４とで決まる時定数で緩やかに上昇させても良い。この場合、目標電圧に近づくほど上昇が緩やかになるため、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１、Ｖ_ＯＵＴ２のオーバーシュートをさらに抑制できる。

【0032】

また、ソフトスタート回路１０は、残存電圧に応じてソフトスタート電圧ＶＡの上昇率を変更しても良い。例えば、図４（ｃ）に示すように、ソフトスタート回路１０は、残存電圧が予め設定された閾電圧以上である場合、ソフトスタート電圧ＶＡの上昇率を初期値が０Ｖの通常時よりも低く変更する。図４（ｃ）に示す例では、起動時間を短縮しつつ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１、Ｖ_ＯＵＴ２のオーバーシュートを抑制できる。また、図４（ｄ）に示すように、ソフトスタート回路１０は、残存電圧に応じて、初期値が０Ｖの通常時の起動時間で起動（残存電圧から目標電圧まで上昇）するように、ソフトスタート電圧ＶＡの上昇率を変更する。図４（ｄ）に示す例では、起動時間を短縮できないが、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１、Ｖ_ＯＵＴ２のオーバーシュートをさらに抑制できる。

【0033】

さらに、ＰＦＣ制御部４０及び点灯制御部５０の一部もしくは全部は、デジタル回路で構成しても良い。さらに、ソフトスタート回路１０は、一般的なＰＦＣ回路やＤＣ／ＤＣコンバータにも適応できる。

【0034】

図６は、ソフトスタート回路１０及び誤差増幅器４１の機能をＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）６０で構成したＰＦＣ制御部４０の構成例である。ＤＳＰ６０は、ソフトスタート制御部６１及びフィードバック制御演算部６２として機能する。フィードバック電圧Ｖ_ＦＢ１は、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）７１によってフィードバック値に変換されてＳＳ（ソフトスタート）制御部６１及びフィードバック制御演算部６２に入力される。

【0035】

ＳＳ（ソフトスタート）制御部６１は、起動時に、フィードバック値を初期値として制御目標値７２まで逓増（緩やかに上昇）するソフトスタート値を出力する。制御目標値７２は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に対応するデジタル値であり、ソフトスタート値は、ソフトスタート電圧ＶＡに対応するデジタル値である。

【0036】

フィードバック制御演算部６２は、ソフトスタート値と、フィードバック値との誤差値をＰＷＭ生成部７３に出力する。誤差値は、誤差信号Ｖｅに対応するデジタル値である。ＰＷＭ生成部７３は、誤差信号Ｖｅに応じたＰＷＭ信号を生成してドライブ回路４４に出力する。点灯制御部５０も同様にデジタル回路として構成できる。

【0037】

以上説明したように、本実施の形態は、ＰＦＣ回路４（スイッチング電源装置１）の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１を負帰還制御によって目標電圧に制御する負帰還制御装置（ＰＦＣ制御部４０）に設けられ、ＰＦＣ回路４の起動時に、目標電圧を初期値から逓増させるソフトスタート制御装置（ソフトスタート回路１０）であって、初期値を起動時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１の残存電圧に応じた値に設定する。
この構成により、負帰還制御によって出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１を目標電圧に制御するＰＦＣ回路４が、出力電圧に残存電圧がある状態で起動されても、起動時間を短縮したスムーズな起動ができる。

【0038】

また、本実施の形態において、ＤＣＤＣコンバータ５（スイッチング電源装置１）の出力電流Ｉ_ｏｕｔを負帰還制御によって目標電流に制御する負帰還制御装置（点灯制御部５０）に設けられ、ＤＣＤＣコンバータ５の起動時に、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２を初期値から逓増させるソフトスタート制御装置（ソフトスタート回路１０）であって、初期値を起動時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ２の残存電圧に応じた値に設定する。
この構成により、負帰還制御によって出力電流Ｉ_ｏｕｔを目標電流に制御するＤＣＤＣコンバータ５が、出力電圧に残存電圧がある状態で起動されても、起動時間を短縮したスムーズな起動ができる。

【0039】

さらに、本実施の形態において、残存電圧が予め設定された閾電圧以上である場合、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１、Ｖ_ｏｕｔ２の上昇率を初期値が０Ｖの通常時よりも低く変更する。
この構成により、起動時間を短縮しつつ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１、Ｖ_ＯＵＴ２のオーバーシュートを抑制できる。

【0040】

さらに、本実施の形態において、残存電圧に応じて、初期値が０Ｖの通常時の起動時間で起動するように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ１、Ｖ_ｏｕｔ２の上昇率を変更する。
この構成により、起動時間を短縮できないが、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１、Ｖ_ＯＵＴ２のオーバーシュートをさらに抑制できる。

【0041】

なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、同一構成要素には、各図において、同一符号を付している。

【符号の説明】

【0042】

１ スイッチング電源装置
２ 交流電源
３ 全波整流回路
４ ＰＦＣ回路
５ ＤＣＤＣコンバータ
６ ＬＥＤ
１０ ソフトスタート回路
１１ 定電流源
１２、１３ スイッチ
４０ ＰＦＣ制御部
４１ 誤差増幅器
４２ 比較器
４３ 発振回路
４４ ドライブ回路
４５ アンプ
５０ 点灯制御部
６０ ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）
６１ ＳＳ（ソフトスタート）制御部
６２ フィードバック制御演算部
７１ ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）
７２ 制御目標値
７３ ＰＷＭ生成部
Ｉ_ｏｕｔ 出力電流
Ｖ_ＯＵＴ１、Ｖ_ＯＵＴ２ 出力電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】