JP2013046490A - 過電流保護回路及びこれを用いた降圧型スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流保護動作時の発熱を抑える。
【解決手段】過電流保護回路１５は、降圧型スイッチング電源装置１の出力電流Ｉｏｕｔが第１過電流保護値Ｉ１を上回ってから出力トランジスタ１１を強制オフするまでの間に出力電流Ｉｏｕｔを第１過電流保護値Ｉ１よりも低い第２過電流保護値Ｉ２まで引き下げる過電流保護動作部１５３を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、過電流保護回路及びこれを用いた降圧型スイッチング電源装置に関する。

従来より、同期整流方式の降圧型スイッチング電源装置には、過電流検出時に出力トランジスタ（上側トランジスタ）と同期整流トランジスタ（下側トランジスタ）を強制的にオフとして出力動作をシャットダウンさせる過電流保護回路が設けられている。このように、出力トランジスタと同期整流トランジスタをいずれも強制オフする構成であれば、過電流の発生原因（コントローラＩＣ外部の状態）に関わらず、過電流の流れ得る経路を遮断して、システムを安全な状態に保つことができる。

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や特許文献２を挙げることができる。

特開２００８−２８９３０８号公報 特開２００２−１５３０４７号公報

しかしながら、上記従来の降圧型スイッチング電源装置において、出力段のコイルは、過電流検出時に出力トランジスタと同期整流トランジスタが強制的にオフされた後にも、接地端から同期整流トランジスタのボディダイオードを介して出力端に向けた電流を流し続ける。そのため、例えば、ボディダイオードの順方向降下電圧を０．７Ｖとし、ボディダイオードに流れる電流の最大値を１０Ａとした場合、ボディダイオードでは７Ｗもの大電力が消費されることになるので、大きな発熱を生じて降圧型スイッチング電源装置（またはこれを搭載したアプリケーション）の熱破壊を招くおそれがあった。

なお、上記で例示した同期整流方式の降圧型スイッチング電源装置に限らず、非同期整流方式の降圧型スイッチング電源装置についても同様の課題が存在する。

本発明は、本願の発明者らにより見出された上記の問題点に鑑み、過電流保護動作時の発熱を抑えられる過電流保護回路、及び、これを用いた降圧型スイッチング電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る過電流保護回路は、降圧型スイッチング電源装置の出力電流が第１過電流保護値を上回ってから出力トランジスタを強制オフするまでの間に前記出力電流を前記第１過電流保護値よりも低い第２過電流保護値まで引き下げる過電流保護動作部を有する構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成る過電流保護回路において、前記過電流保護動作部は、前記第２過電流保護値を複数段階に引き下げる構成（第２の構成）にするとよい。

また、上記第１または第２の構成から成る過電流保護回路において、前記過電流保護動作部は、前記出力電流が前記第１過電流保護値を上回った直後に前記出力電流を前記第２過電流保護値まで引き下げる構成（第３の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第３いずれかの構成から成る過電流保護回路において、前記過電流保護動作部は、前記出力電流が前記第１過電流保護値を上回ってから第１時間が経過するまでの間、前記出力電流の上限値を前記第１過電流保護値にクランプし、前記第１時間が経過してからさらに第２時間が経過するまでの間、前記出力電流の上限値を前記第２過電流保護値にクランプし、前記第２時間が経過した時点で前記出力トランジスタを強制的にオフとする構成（第４の構成）にするとよい。

また、上記第４の構成から成る過電流保護回路において、前記過電流保護動作部は、前記第１時間及び前記第２時間を計時するタイマを含む構成（第５の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第５いずれかの構成から成る過電流保護回路は、前記出力電流を監視する電流監視部と、前記第１過電流保護値と前記第２過電流保護値を設定する保護値設定部と、を有し、前記過電流保護動作部は、前記電流監視部の出力と前記保護値設定部の出力を比較して過電流保護動作を行う構成（第６の構成）にするとよい。

また、本発明に係る降圧型スイッチング電源装置は、上記第１〜第６いずれかの構成から成る過電流保護回路を有する構成（第７の構成）とされている。

なお、上記第７の構成から成る降圧型スイッチング電源装置は、整流素子として同期整流トランジスタを有する構成（第８の構成）にするとよい。

また、上記第８の構成から成る降圧型スイッチング電源装置において、前記過電流保護動作部は、前記出力トランジスタを強制オフする際、前記同期整流トランジスタも同時に強制オフする構成（第９の構成）にするとよい。

また、上記第７の構成から成る降圧型スイッチング電源装置は、整流素子として整流ダイオードを有する構成（第１０の構成）にするとよい。

本発明によれば、過電流保護動作時の発熱を抑えられる過電流保護回路、及び、これを用いた降圧型スイッチング電源装置を提供することが可能となる。

降圧型スイッチング電源装置の一構成例を示す図 過電流保護回路１５の一構成例を示す図 過電流保護動作の第１例を示すタイムチャート 過電流保護動作の第２例を示すタイムチャート 過電流保護動作の第３例を示すタイムチャート 降圧型スイッチング電源装置の一変形例を示す図

＜降圧型スイッチング電源装置＞
図１は、降圧型スイッチング電源装置の一構成例を示す図である。本構成例の降圧型スイッチング電源装置１は、半導体装置１０と、半導体装置１０に外付けされる種々のディスクリート部品（コイルＬ１、キャパシタＣ１、抵抗Ｒ１及びＲ２）と、を有する。

半導体装置１０は、外部との電気的な接続を確立するために、少なくとも外部端子Ｘ１〜Ｘ３を有する。半導体装置１０の外部において、外部端子（電源端子）Ｘ１は、入力電圧Ｖｉｎの印加端に接続されている。外部端子（スイッチ端子）Ｘ２は、コイルＬ１の第１端に接続されている。コイルＬ１の第２端、キャパシタＣ１の第１端、及び、抵抗Ｒ１の第１端は、いずれも出力電圧Ｖｏｕｔの印加端に接続されている。キャパシタＣ１の第２端は、接地端に接続されている。抵抗Ｒ１の第２端、及び、抵抗Ｒ２の第１端は、いずれも半導体装置１０の外部端子（帰還端子）Ｘ３に接続されている。抵抗Ｒ２の第２端は接地端に接続されている。抵抗Ｒ１及びＲ２は、互いの接続ノードから出力電圧Ｖｏｕｔを分圧した帰還電圧Ｖｆｂを出力する帰還電圧生成部として機能する。コイルＬ１及びキャパシタＣ１は、外部端子Ｘ２に現れる矩形波状のスイッチ電圧Ｖｓｗを平滑化して出力電圧Ｖｏｕｔを生成する出力平滑部として機能する。

半導体装置１０は、トランジスタ１１と、トランジスタ１２と、ドライバ１３と、コントローラ１４と、過電流保護回路１５と、を集積化したいわゆるスイッチング電源コントローラＩＣである。

トランジスタ１１は、外部端子Ｘ１と外部端子Ｘ２との間に接続され、ドライバ１３から入力されるゲート信号Ｇ１に応じてオン／オフ制御される出力トランジスタ（上側トランジスタ）である。トランジスタ１１をＮＭＯＳＦＥＴ［N-channel type metal oxide semiconductor field effect transistor］で形成した場合、トランジスタ１１には、図示の向きでボディダイオードＤ１が寄生する。

トランジスタ１２は、外部端子Ｘ２と接地端との間に接続され、ドライバ１３から入力されるゲート信号Ｇ２に応じてオン／オフ制御される同期整流トランジスタ（下側トランジスタ）である。なお、トランジスタ１２をＮＭＯＳＦＥＴで形成した場合、トランジスタ１２には、図示の向きでボディダイオードＤ２が寄生する。

ドライバ１３は、コントローラ１４から入力されるスイッチ制御信号Ｓ０に応じてゲート信号Ｇ１及びＧ２を生成し、所定の駆動周波数（例えば５００ｋＨｚ）でトランジスタ１１及び１２を相補的（排他的）にスイッチング制御する。なお、本明細書中で用いられる「相補的（排他的）」という文言は、トランジスタ１１及び１２のオン／オフが完全に逆転している場合だけでなく、貫通電流防止の観点からトランジスタ１１及び１２のオン／オフ遷移タイミングに所定の遅延が与えられている場合（同時オフ期間が設けられている場合）も含む。トランジスタ１１及び１２が相補的（排他的）にオン／オフされることにより、外部端子Ｘ２には矩形波状のスイッチ電圧Ｖｓｗが生成される。

コントローラ１４は、外部端子Ｘ３に入力される帰還電圧Ｖｆｂが所定の目標値と一致するようにスイッチ制御信号Ｓ０を生成する。なお、コントローラ１４によるトランジスタ１１及び１２の駆動方式としては、ＰＷＭ［pulse width modulation］駆動方式やＰＦＭ［pulse frequency modulation］駆動方式など、いかなる方式を採用しても構わない。

過電流保護回路１５は、降圧型スイッチング電源装置１に流れる出力電流Ｉｏｕｔが過電流状態であるか否かを監視し、その監視結果に応じたクランプ制御信号Ｓ１とシャットダウン制御信号Ｓ２をコントローラ１４に出力する。

＜過電流保護回路＞
図２は、過電流保護回路１５の一構成例を示す図である。本構成例の過電流保護回路１５は、電流監視部１５１と、保護値設定部１５２と、過電流保護動作部１５３を有する。

電流監視部１５１は、出力電流Ｉｏｕｔを監視して、出力電流Ｉｏｕｔの電流値に応じた電流検出信号（電圧信号または電流信号）を過電流保護動作部１５３に出力する。出力電流Ｉｏｕｔの電流値を監視する手法としては、トランジスタ１１での電圧降下量を監視する手法や、出力電流Ｉｏｕｔの導通経路上に設けられたセンス抵抗での電圧降下量を監視する手法などが考えられる。

保護値設定部１５２は、電流検出信号と比較参照される過電流保護値Ｉ１及びＩ２（ただしＩ１＞Ｉ２）を設定する。

過電流保護動作部１５３は、電流監視部１５１の出力と保護値設定部１５２の出力とを比較して過電流保護動作を行う。なお、過電流保護動作部１５３は、過電流の誤検出を防止するためのマスク時間Ｔ（＝Ｔ１＋Ｔ２）を計時するタイマ１５４を含んでおり、出力電流Ｉｏｕｔが過電流保護値Ｉ１を上回っている状態がマスク時間Ｔにわたって継続したときに、トランジスタ１１及び１２を強制オフして出力動作をシャットダウンさせる。

＜過電流保護動作＞
図３は、過電流保護動作の第１例を示すタイムチャートであり、上から順に、出力電流Ｉｏｕｔ及びコイル電流ＩＬの電流波形、並びに、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形が描写されている。なお、実線は本発明の挙動を示しており、破線は従来の挙動を示している。

何らかの異常によって出力電流Ｉｏｕｔが過電流状態に陥り、時刻ｔ１において出力電流Ｉｏｕｔが過電流保護値Ｉ１を上回ると、過電流保護動作部１５３は、タイマ１５４を用いてマスク時間Ｔ（例えば１μｓ）の計時を開始する。

時刻ｔ１から時間Ｔ１（例えば５００ｎｓ）が経過するまでの間、過電流保護動作部１５３は、出力電流Ｉｏｕｔの上限値を過電流保護値Ｉ１にクランプするようにクランプ制御信号Ｓ１を生成する。クランプ制御信号Ｓ１の入力を受けたコントローラ１４は、出力電流Ｉｏｕｔの上限値を過電流保護値Ｉ１にクランプするようにスイッチ制御信号Ｓ０を生成する。なお、出力電流Ｉｏｕｔの上限値が過電流保護値Ｉ１にクランプされたことに伴い、出力電圧Ｖｏｕｔは目標値から低下する。

時刻ｔ１から時間Ｔ１が経過して時刻ｔ２に至ると、過電流保護動作部１５３は、保護値設定部１５２に対して過電流保護値Ｉ１を過電流保護値Ｉ２とするように指示を送る。そして、時刻ｔ２からさらに時間Ｔ２（例えば５００ｎｓ）が経過するまでの間、過電流保護動作部１５３は、出力電流Ｉｏｕｔの上限値を過電流保護値Ｉ２にクランプするようにクランプ制御信号Ｓ１を生成する。クランプ制御信号Ｓ１の入力を受けたコントローラ１４は、出力電流Ｉｏｕｔの上限値を過電流保護値Ｉ２にクランプするようにスイッチ制御信号Ｓ０を生成する。なお、出力電流Ｉｏｕｔの上限値が過電流保護値Ｉ２へ引き下げられたことに伴い、出力電圧Ｖｏｕｔは目標値からさらに低下する。

時刻ｔ２から時間Ｔ２が経過して時刻ｔ３に至ると、過電流保護動作部１５２は、トランジスタ１１及び１２を強制オフするようにシャットダウン信号Ｓ２を生成する。シャットダウン信号Ｓ２の入力を受けたコントローラ１４は、トランジスタ１１及び１２を強制オフするようにスイッチ制御信号Ｓ０を生成する。その結果、降圧型スイッチング電源装置１の出力動作はシャットダウンされる。

このとき、出力段のコイルＬ１は、トランジスタ１１及び１２が強制的にオフされた後にも、接地端からトランジスタ１２のボディダイオードＤ２を介して出力端に向けた電流を流し続ける。ただし、図３で示したように、過電流保護動作部１５３は、時刻ｔ１において出力電流Ｉｏｕｔが過電流保護値Ｉ１を上回ってから、時刻ｔ３においてトランジスタ１１及び１２を強制オフするまでの間に、出力電流Ｉｏｕｔを過電流保護値Ｉ１よりも低い過電流保護値Ｉ２まで引き下げる構成とされている。

このような構成とすることにより、ボディダイオードＤ２での消費電力を低減することができるので、過電流保護動作時の発熱を抑えて、降圧型スイッチング電源装置１（またはこれを搭載したアプリケーション）の熱破壊を回避することが可能となる。

なお、過電流保護動作の第１例（図３）では、過電流保護値Ｉ２が一つだけ設定された構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、過電流保護動作の第２例（図４）で示したように、過電流保護動作部１５３は、過電流保護値Ｉ２を複数段階（Ｉ２ａ、Ｉ２ｂ）で引き下げる構成としてもよい。

また、過電流保護動作の第１例（図３）や第２例（図４）では、出力電流Ｉｏｕｔが過電流保護値Ｉ１を上回ってから時間Ｔ１が経過した後に過電流保護値Ｉ１を過電流保護値Ｉ２に引き下げる構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、過電流保護動作の第３例（図５）で示したように、過電流保護動作部１５３は、出力電流Ｉｏｕｔが過電流保護値Ｉ１を上回った直後に出力電流Ｉｏｕｔを過電流保護値Ｉ２まで引き下げる構成（時間Ｔ１をゼロ値に設定した構成）としても構わない。

このように、過電流保護動作の第２例（図４）や第３例（図５）を採用すれば、過電流保護動作の第１例（図３）と同様の効果を享受し得るほか、トランジスタ１１及び１２の強制オフ後に生じる発熱のみならず、トランジスタ１１及び１２のスイッチング動作が継続されるマスク時間Ｔに生じる発熱についても、できる限り抑制することが可能となる。

＜電流クランプ手法＞
まず、第１の電流クランプ手法（コンパレータモード）について説明する。第１の電流クランプ手法では、トランジスタ１１またはトランジスタ１２（いずれもオン抵抗値：Ｒｏｎ）でのドロップ電圧Ｖｄｒｏｐ（＝Ｒｏｎ×Ｉｏｕｔ）と、過電流保護値Ｉ１に相当する閾値電圧が比較され、その比較結果に基づいてクランプ制御信号Ｓ１が生成される。クランプ制御信号Ｓ１の入力を受けたコントローラ１４では、出力電流Ｉｏｕｔの上限値を過電流保護値Ｉ１にクランプするようにスイッチ制御信号Ｓ０が生成される。

次に、第２の電流クランプ手法（カレントモード）について説明する。第２の電流クランプ手法では、トランジスタ１１に流れる出力電流Ｉｏｕｔが電圧信号（クランプ制御信号Ｓ１）として取り出され、この電圧信号がコントローラ１４内のカレントスロープ生成部（図１では不図示）に送出される。カレントスロープ生成部では、上記の電圧信号が電流に再変換され、この電流に基づいてスロープ電圧Ｖｓｌｐの角度（立上り速度）が可変制御される。コントローラ１４では、帰還電圧Ｖｆｂに応じて生成された誤差電圧Ｖｅｒｒ（＝帰還電圧Ｖｆｂと参照電圧Ｖｒｅｆとの差分電圧）と上記のスロープ電圧Ｖｓｌｐが比較され、その比較結果に基づいてトランジスタ１１のオンデューティが決定される。具体的に述べると、カレントスロープ生成部では、トランジスタ１１に流れる出力電流Ｉｏｕｔが過電流保護値Ｉ１に近いほどトランジスタ１１のオンデューティが小さくなるように、スロープ電圧Ｖｓｌｐの角度が周期的に可変制御されるので、出力電流Ｉｏｕｔの上限値を過電流保護値Ｉ１にクランプするようにスイッチ制御信号Ｓ０が生成される。

＜その他の変形例＞
また、上記の実施形態では、同期整流方式の降圧型スイッチング電源装置を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、例えば、図６（降圧型スイッチング電源装置の一変形例）で示すように、同期整流トランジスタ１２に代えて整流ダイオード１６を有する非同期整流方式の降圧型スイッチング電源装置にも本発明を適用することが可能である。

このように、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。例えばバイポーラトランジスタとＭＯＳ電界効果トランジスタとの相互置換や、各種信号の論理レベル反転は任意である。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、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、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るべきである。

本発明は、降圧型スイッチング電源装置の安全性を高めるための技術として利用することが可能である。

１ 降圧型スイッチング電源装置
１０ 半導体装置
１１ 出力トランジスタ
１２ 同期整流トランジスタ
１３ ドライバ
１４ コントローラ
１５ 過電流保護回路
１５１ 電流監視部
１５２ 保護値設定部
１５３ 過電流保護動作部
１５４ タイマ
１６ 整流ダイオード
Ｌ１ コイル
Ｃ１ キャパシタ
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗

Claims (10)

1. 降圧型スイッチング電源装置の出力電流が第１過電流保護値を上回ってから出力トランジスタを強制オフするまでの間に前記出力電流を前記第１過電流保護値よりも低い第２過電流保護値まで引き下げる過電流保護動作部を有することを特徴とする過電流保護回路。
2. 前記過電流保護動作部は、前記第２過電流保護値を複数段階に引き下げることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護回路。
3. 前記過電流保護動作部は、前記出力電流が前記第１過電流保護値を上回った直後に前記出力電流を前記第２過電流保護値まで引き下げることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の過電流保護回路。
4. 前記過電流保護動作部は、
   前記出力電流が前記第１過電流保護値を上回ってから第１時間が経過するまでの間、前記出力電流の上限値を前記第１過電流保護値にクランプし、
   前記第１時間が経過してからさらに第２時間が経過するまでの間、前記出力電流の上限値を前記第２過電流保護値にクランプし、
   前記第２時間が経過した時点で前記出力トランジスタを強制的にオフとする、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の過電流保護回路。
5. 前記過電流保護動作部は、前記第１時間及び前記第２時間を計時するタイマを含むことを特徴とする請求項４に記載の過電流保護回路。
6. 前記出力電流を監視する電流監視部と、
   前記第１過電流保護値と前記第２過電流保護値を設定する保護値設定部と、
   を有し、
   前記過電流保護動作部は、前記電流監視部の出力と前記保護値設定部の出力を比較して過電流保護動作を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の過電流保護回路。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の過電流保護回路を有することを特徴とする降圧型スイッチング電源装置。
8. 整流素子として同期整流トランジスタを有することを特徴とする請求項７に記載の降圧型スイッチング電源装置。
9. 前記過電流保護動作部は、前記出力トランジスタを強制オフする際、前記同期整流トランジスタも同時に強制オフすることを特徴とする請求項８に記載の降圧型スイッチング電源装置。
10. 整流素子として整流ダイオードを有することを特徴とする請求項７に記載の降圧型スイッチング電源装置。

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