(57)【要約】【課題】少なくとも制御部をＩＣ化する際に、外付け部品や端子数を増加させることなく天絡発生時の対策を行うことができるスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】スイッチング電源装置１に、出力端子ＶＯＵＴが天絡した際に、当該端子よりインダクタ３に電流が逆方向に流れる逆流経路中に配置され、降圧型のスイッチング動作に伴い同期整流を行うために用いられるローサイドスイッチ６を備える。入力低電圧検出部７は、電源電圧ＶＩＮが閾値電圧Ｖ１よりも低下すると入力低電圧検出信号を出力し、出力高電圧検出部８は、出力電圧ＶＯＵＴが閾値電圧Ｖ２よりも上昇すると、出力高電圧検出信号を出力する。パルス生成部１０は、入力低電圧検出信号，又は出力高電圧検出信号が出力されるとスイッチ６をオフさせて電流の逆流を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と出力端子との間に接続される通電用スイッチング（５）素子及びインダクタ（３）の直列回路と、
前記出力端子が天絡した際に、当該端子より電流が逆方向に流れる逆流経路中に配置され、少なくとも１つは同期整流を行うために用いられる１つ以上のスイッチング素子（６，３５）と、
前記出力端子の電圧と目標電圧との偏差に基づく誤差信号を出力する誤差増幅部（１１）と、
前記誤差信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、前記通電用スイッチング素子に出力する信号生成部（１０，３３）と、
前記電源の電圧が閾値電圧Ｖ１よりも低下すると、入力低電圧検出信号を出力する入力低電圧検出部（７）と、
前記出力端子の電圧が閾値電圧Ｖ２よりも上昇すると、出力高電圧検出信号を出力する出力高電圧検出部（８）と、
前記入力低電圧検出信号，又は前記出力高電圧検出信号が出力されると、前記逆流経路中に配置されているスイッチング素子をオフさせて、電流の逆流を防止する逆流防止制御部（１０，３３）とを備えるスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記逆流防止制御部がオフさせるスイッチング素子は、前記直列回路の共通接続点とグランドとの間に接続される同期整流用スイッチング素子（６）である請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記出力端子と前記インダクタとの間に接続される第１昇圧用スイッチング素子（３５）と、
前記インダクタとの前記第１昇圧用スイッチング素子との共通接続点とグランドとの間に接続される第２昇圧用スイッチング素子（３６）とを備え、前記ＰＷＭ信号を前記第１及び第２昇圧用スイッチング素子に与えることで、昇圧した電圧を出力可能である請求項１又は２記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記逆流防止制御部（３３）がオフさせるスイッチング素子は、前記第１昇圧用スイッチング素子（３５）である請求項３記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記閾値電圧Ｖ１は、前記閾値電圧Ｖ２よりも高く設定されている請求項１から４の何れか一項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記閾値電圧Ｖ１よりも高い電圧の閾値Ｖ１’と、前記閾値電圧Ｖ２よりも低い電圧の閾値Ｖ２’とを設定して、これらの閾値の高低関係をＶ１’＞Ｖ２，Ｖ１＞Ｖ２’に設定し、
前記入力低電圧検出部は、前記電源の電圧が前記検出解除閾値Ｖ１’以上になると前記入力低電圧検出信号の出力を停止し、
前記出力高電圧検出部は、前記出力端子の電圧が前記検出解除閾値Ｖ２’以下になると前記入力高電圧検出信号の出力を停止する請求項１から５の何れか一項に記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源と出力端子との間に接続される通電用スイッチング素子及びインダクタの直列回路を備えて同期整流を行うスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源と出力端子との間にハイサイドスイッチ及びインダクタの直列回路を備えるスイッチング電源装置においては、例えば特許文献１に示すように、ローサイドスイッチを設けて同期整流を行うものがある。同期整流方式は、フリーホイールダイオードにより整流を行う構成に比較して、順方向電圧により発生する損失を低減できるメリットがある。
【０００３】
その一方で、出力端子が天絡した際には、フィードバック制御によりローサイドスイッチがオンするためグランド側に電流が逆流し、インダクタ及びローサイドスイッチに過大な電流が流れるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７１７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような事態を防止するには、例えばインダクタに流れる電流をシャント抵抗を介して検出することで、過大な電流が流れた際にローサイドスイッチをオフする構成が想定される。しかしながら、スイッチング電源装置の制御部をＩＣで構成する場合には、シャント抵抗において損失が発生すると共に、外付け部品の増加及びＩＣの端子数が増加することでコストアップを招来するという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、少なくとも制御部をＩＣ化する際に、外付け部品や端子数を増加させることなく天絡発生時の対策を行うことができるスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載のスイッチング電源装置は、出力端子が天絡した際に、当該端子よりインダクタに電流が逆方向に流れる逆流経路中に配置され、少なくとも１つは同期整流を行うために用いられる１つ以上のスイッチング素子を備える。以下、前記スイッチング素子を逆流経路スイッチング素子と称する。入力低電圧検出部は、電源の電圧が閾値電圧Ｖ１よりも低下すると入力低電圧検出信号を出力し、出力高電圧検出部は、出力端子の電圧が閾値電圧Ｖ２よりも上昇すると、出力高電圧検出信号を出力する。そして、逆流防止制御部は、入力低電圧検出信号，又は出力高電圧検出信号が出力されると、逆流経路スイッチング素子をオフさせて電流の逆流を防止する。
【０００８】
正常な状態であれば、出力端子の電圧は、誤差増幅部及び信号生成部の作用により一定の電圧に制御されるため、出力高電圧検出信号が出力されることはない。また、電源電圧は、負荷に電流を供給する際に一時的に低下することがある。その際に、電源電圧が閾値電圧Ｖ１よりも低下すると、入力低電圧検出部が入力低電圧検出信号を出力する。その期間は、逆流経路スイッチング素子による同期整流動作が停止される。
【０００９】
一方、出力端子が天絡すれば、当該端子の電圧は電源電圧と同様に変化することになるから、電源電圧が閾値電圧Ｖ２よりも上昇すれば、出力高電圧検出部が出力高電圧検出信号を出力する。例えば、電源電圧が閾値電圧Ｖ１及びＶ２よりも低い状態から上昇する過程では、例えばＶ１＝Ｖ２に設定すると、入力低電圧検出信号の出力に続いて出力高電圧検出信号が出力されることになる。これにより、逆流防止制御部により逆流経路スイッチング素子による同期整流動作が停止されるので、出力端子側からグランドに電流が逆流することを防止できる。
【００１０】
ここで、スイッチング素子及びインダクタを除く制御部をＩＣで構成することを想定する。この場合、出力端子の電圧は、ＰＷＭ信号を生成するために誤差増幅部が検出する必要があるので、ＩＣの端子を増やす必要がない。したがって、出力高電圧検出部は、電源電圧を検出する入力低電圧検出部と共にＩＣの内部に構成でき、逆流防止制御部についても同様である。つまり、ＩＣに外付け部品を追加することなく、且つＩＣの端子を増加させることなく、天絡に対処する機能をスイッチング電源装置に持たせることができる。
【００１１】
請求項２記載のスイッチング電源装置は、逆流防止制御部がオフさせるスイッチング素子は、直列回路の共通接続点とグランドとの間に接続される同期整流用スイッチング素子とする。このように構成すれば、少なくとも降圧型のスイッチング動作を行う構成について、同期整流用スイッチング素子をオフさせて電流の逆流を防止できる。
【００１２】
請求項３記載のスイッチング電源装置は、出力端子とインダクタとの間に接続される第１昇圧用スイッチング素子と、インダクタ及び第１昇圧用スイッチング素子の共通接続点とグランドとの間に接続される第２昇圧用スイッチング素子とを備える。そして、ＰＷＭ信号を第１及び第２昇圧用スイッチング素子に与えることで、昇圧した電圧を出力可能とするので、昇降圧スイッチング動作を行う構成についても、逆流経路スイッチング素子をオフさせて電流の逆流を防止できる。
【００１３】
請求項４記載のスイッチング電源装置は、逆流防止制御部が第１昇圧用スイッチング素子をオフさせる。これにより、昇降圧スイッチング動作を行う構成であれば、少なくとも第１昇圧用スイッチング素子をオフさせることで電流の逆流を防止できる。
【００１４】
請求項５記載のスイッチング電源装置は、閾値電圧Ｖ１を閾値電圧Ｖ２よりも高く設定するので、電源電圧が、閾値電圧Ｖ２よりも低い状態から閾値電圧Ｖ１を超えて変化する過程では、入力低電圧検出信号の出力期間と出力高電圧検出信号の出力期間とが確実にオーバーラップする。したがって、電流の逆流をより確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態であり、スイッチング電源装置の構成を示す図
【図２】天絡時の動作を示すタイミングチャート
【図３】通常時の動作を示すタイミングチャート
【図４】天絡時において、出力高電圧検出部のみによる動作を示すタイミングチャート
【図５】天絡時において、入力低電圧検出部のみによる動作を示すタイミングチャート
【図６】第２実施形態であり、天絡時の動作を示すタイミングチャート
【図７】第３実施形態であり、スイッチング電源装置の構成を示す図
【図８】第４実施形態であり、スイッチング電源装置の構成を示すと共に、天絡発生時の対応を示す図（その１）
【図９】天絡発生時の対応を示す図（その２）
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態のスイッチング電源装置１は、例えば車両に搭載されるもので、制御ＩＣ２と、外付けのインダクタ３及びコンデンサ４とを備えている。制御ＩＣ２の内部は、電源ＶＩＮとグランドとの間に接続されるハイサイドスイッチ５及びローサイドスイッチ６の直列回路がある。これらのスイッチ５，６はスイッチング素子に相当し、具体的には例えばＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタ，ＩＧＢＴ等である。本実施形態では、これらは何れも、ハイレベル信号が与えられるとオフするスイッチとして説明する。
【００１７】
スイッチ５，６の両端には、図示しないがそれぞれフリーホイールダイオードが接続されている。スイッチ５及び６の共通接続点は、インダクタ３及びコンデンサ４の直列回路を介してグランドに接続されている。インダクタ３及びコンデンサ４の共通接続点は、スイッチング電源装置１の出力端子ＶＯＵＴである。また、ハイサイドスイッチ５は通電用スイッチング素子に相当し、ローサイドスイッチ６は逆流経路スイッチング素子，同期整流用スイッチング素子に相当する。
【００１８】
また、制御ＩＣ２の内部には、入力低電圧検出部７及び出力高電圧検出部８がある。入力低電圧検出部７は、コンパレータ７ａにより反転入力端子に入力される電源電圧ＶＩＮと、非反転入力端子に与えられる閾値電圧Ｖ１とを比較する。出力高電圧検出部８は、コンパレータ８ａにより非反転入力端子に入力される出力電圧ＶＯＵＴと、反転入力端子に与えられる閾値電圧Ｖ２とを比較する。コンパレータ７ａ，８ａの出力端子は、それぞれＯＲゲート９の入力端子に接続されている。
【００１９】
本実施形態では、電源が車載バッテリであるから、電圧ＶＩＮは例えば１２〜１４Ｖ程度であり、スイッチング電源装置１の設定電圧は例えば５Ｖ程度である。これに対して、閾値電圧Ｖ１は例えば１０Ｖ程度に設定し、閾値電圧Ｖ２は例えば６Ｖ程度に設定する。すなわち、Ｖ１＞Ｖ２に設定されている。
【００２０】
ＯＲゲート９の出力端子は、パルス生成部１０の入力端子の１つに接続されている。誤差増幅部１１は、出力電圧ＶＯＵＴと、設定電圧との差を増幅するエラーアンプであり、その出力電圧は、パルス生成部１０の入力端子の他の１つに入力される。パルス生成部１０は、誤差増幅部１１より入力される誤差電圧をＰＷＭ指令とし、キャリアと比較することでＰＷＭ信号を生成し、スイッチ５，６にそれぞれ出力する。基本的に、スイッチ６に与えられるＰＷＭ信号は、スイッチ５に与えられるＰＷＭ信号の反転である。スイッチ５により降圧スイッチング動作が行われ、スイッチ６により同期整流動作が行われる。
【００２１】
また、パルス生成部１０は、ＯＲゲート９より入力される信号レベルがハイになると、ローサイドスイッチ６に与える信号をハイレベルに維持してスイッチ６をオフ状態にする。パルス生成部１０は、逆流防止部に相当する。
【００２２】
次に、本実施形態の作用について説明する。図３に示すように、出力端子ＶＯＵＴが天絡等していない正常状態であれば、電源電圧ＶＩＮが変動しても出力電圧ＶＯＵＴは略一定の設定電圧５Ｖに維持される。電源電圧ＶＩＮは、負荷への通電状態に応じて変動する。例えばエンジンのクランクキングが行われる際に、電源電圧ＶＩＮは３Ｖ程度にまで低下することがある。
【００２３】
電源電圧ＶＩＮが閾値電圧Ｖ１を下回ると、入力低電圧検出部７の出力信号がハイレベルになる。このハイレベル信号が入力低電圧検出信号に相当する。これにより、パルス生成部１０は、ローサイドスイッチ６に対するＰＷＭ信号の出力を停止し、信号レベルをハイに維持する。すると、スイッチ６はオフ状態を維持することになり、同期整流動作が停止する。この期間では、ハイサイドスイッチ５がオフした際に流れる還流電流は、スイッチ６側のフリーホイールダイオードを介して流れる。図中の「ＳＷ」は、スイッチ６が同期整流動作を行う期間を示す。
【００２４】
一方、出力端子ＶＯＵＴが天絡状態になると、その電圧ＶＯＵＴは電源電圧ＶＩＮに等しくなる。したがって、図２に示すように、出力電圧ＶＯＵＴは電源電圧ＶＩＮと同様に変化する。電源電圧ＶＩＮが、図３に示すケースと同様に変化すると、電源電圧ＶＩＮが閾値電圧Ｖ１よりも低い状態から上昇する過程では、Ｖ１＞Ｖ２に設定されていることで、入力低電圧検出部７の出力信号がローレベルに変化する以前のタイミングで、出力高電圧検出部８の出力信号がハイレベルに変化する。このハイレベル信号が出力高電圧検出信号に相当する。
【００２５】
また、電源電圧ＶＩＮが閾値電圧Ｖ１よりも高い状態から低下する過程においては、出力高電圧検出部８の出力信号がローレベルに変化する以前のタイミングで、入力低電圧検出部７の出力信号がハイレベルに変化する。これにより、ローサイドスイッチ６に与えられる信号は、切れ目なくハイレベルとなることで、スイッチ６はオフ状態を継続的に維持する。
【００２６】
その結果、天絡が発生し、スイッチ６がオンした際に形成される下記の電流の逆流経路は、
電源ＶＩＮ→出力端子ＶＯＵＴ→インダクタ３→スイッチ６→グランド
図１に示すように、スイッチ６がオフになることで断たれる。したがって、電流の逆流が阻止される。
【００２７】
ここで、例えば図４に示すように、出力高電圧検出部８のみを備えた場合は、電源電圧ＶＩＮが図２に示すケースと同様に変化すると、電源電圧ＶＩＮが出力設定電圧を超えてから閾値電圧Ｖ２を上回るまでの期間にローサイドスイッチ６による同期整流が行われる。その間に逆流電流が流れてしまう。また、電源電圧ＶＩＮが低下する際に、閾値電圧Ｖ２を下回ってから出力設定電圧を下回るまでの期間にも、同様に逆流電流が流れてしまう。
【００２８】
一方、図５に示すように入力定電圧検出部７のみを備えた場合は、電源電圧ＶＩＮが閾値電圧Ｖ１を上回っている期間にローサイドスイッチ６による同期整流が行われるため、やはりその間に逆流電流が流れてしまう。すなわち、何れか一方のみを備える構成では、電流の逆流を適切に阻止できない。
【００２９】
以上のように本実施形態によれば、スイッチング電源装置１に、出力端子ＶＯＵＴが天絡した際に、当該端子よりインダクタ３に電流が逆方向に流れる逆流経路中に配置され、降圧型のスイッチング動作に伴い同期整流を行うために用いられるローサイドスイッチ６を備える。入力低電圧検出部７は、電源電圧ＶＩＮが閾値電圧Ｖ１よりも低下すると入力低電圧検出信号を出力し、出力高電圧検出部８は、出力電圧ＶＯＵＴが閾値電圧Ｖ２よりも上昇すると出力高電圧検出信号を出力する。そして、パルス生成部１０は、入力低電圧検出信号，又は出力高電圧検出信号が出力されると、スイッチ６をオフさせて電流の逆流を防止する。
【００３０】
このように構成すれば、天絡発生時に電源電圧ＶＩＮが閾値電圧Ｖ２を下回る状態から上昇する過程では、その電圧が閾値電圧Ｖ１よりも低い期間に続いて、閾値電圧Ｖ２よりも高くなる期間が続く。これにより、入力低電圧検出信号の出力に続いて出力高電圧検出信号が出力されるため、パルス生成部１０によりスイッチ６による同期整流動作が停止され、出力端子ＶＯＵＴからグランド側に電流が逆流することを防止できる。
【００３１】
そして、制御ＩＣ２では、ＰＷＭ信号を生成するために誤差増幅部１１が出力電圧ＶＯＵＴを検出しているので、制御ＩＣ２の端子を増やす必要がない。したがって、出力高電圧検出部８は、電源電圧ＶＩＮを検出する入力低電圧検出部７と共に制御ＩＣ２の内部に構成でき、パルス生成部１０についても同様である。つまり、外付け部品を追加することなく、且つ制御ＩＣ２の端子数を増加させることなく、天絡に対処する機能をスイッチング電源装置１に持たせることができる。
【００３２】
（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第２実施形態は、入力低電圧検出部７及び出力高電圧検出部８にヒステリシスコンパレータを用いた場合を示す。ここで、閾値電圧Ｖ１に対してより高い電圧の閾値Ｖ１’を設定し、閾値電圧Ｖ２に対してより低い電圧の閾値Ｖ２’を設定する。そして、閾値電圧Ｖ１’を電圧検出閾値とし、閾値電圧Ｖ１を検出解除閾値とする。また、閾値電圧Ｖ２を高電圧検出閾値とし、閾値電圧Ｖ２’を検出解除閾値とする。更にこの場合、
Ｖ１’＞Ｖ２，Ｖ１＞Ｖ２’となるように設定する。
【００３３】
次に、第２実施形態の作用について説明する。このように検出部７及び８で用いるコンパレータにヒステリシス特性を持たせた場合にも、天絡が発生した際に、入力低電圧検出部７が入力低電圧検出信号を出力する期間と、出力高電圧検出部８が出力高電圧検出信号を出力する期間とが確実にオーバーラップするようになる。したがって、天絡発生時における電流の逆流を確実に防止できる。
【００３４】
（第３実施形態）
図７に示すように、第３実施形態のスイッチング電源装置２１は、第１実施形態の制御ＩＣ２よりスイッチ５及び６の直列回路を除いたものを制御ＩＣ２２として構成し、前記直列回路を外付けの素子で構成している。このように構成した場合も、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００３５】
（第４実施形態）
図８に示すように、第４実施形態のスイッチング電源装置３１は、第３実施形態の構成において、インダクタ３の一端と出力端子ＯＵＴとの間にハイサイドスイッチ３５を挿入し、インダクタ３の一端とグランドとの間にローサイドスイッチ３６を接続している。制御ＩＣ３２は、パルス生成部１０に替わるパルス生成部３３を備え、パルス生成部３３は、スイッチ３５及び３６に対してもＰＷＭ信号を出力する。スイッチ３５及び３６は、それぞれ第１及び第２昇圧用スイッチング素子に相当する。また、スイッチ３５は逆流経路スイッチング素子にも相当する。
【００３６】
すなわち、スイッチ３５をオン，スイッチ３６をオフした状態で、第１〜第３実施形態と同様にスイッチ５及び６を制御すれば、同じく降圧型のスイッチング動作が行われる。一方、スイッチ５をオン，スイッチ６をオフした状態で、スイッチ３５及び３６をスイッチング動作させれば、昇圧型のスイッチング動作になる。つまり、スイッチング電源装置３１は昇降圧型の構成となっている。
【００３７】
このように構成すれば、天絡が発生した際には、例えば第１〜第３実施形態と同様に、図８に示すように、スイッチ６をオフにすることで電流の逆流を防止できる。また、図９に示すように、スイッチ３５をオフにすることによっても、同様に電流の逆流を防止できる。
【００３８】
以上のように第４実施形態によれば、スイッチング電源装置３１は、出力端子ＶＯＵＴとインダクタ３との間に接続されるハイサイドスイッチ３５と、インダクタ３とスイッチ３５との共通接続点とグランドとの間に接続されるローサイドスイッチ３６とを備える。そして、スイッチ３５及び３６にもＰＷＭ信号を与えることで、昇圧した電圧を出力可能とするので、昇降圧スイッチング動作を行う構成についても、逆流経路スイッチング素子をオフさせて電流の逆流を防止できる。
【００３９】
具体的には、パルス生成部３３は、天絡が発生した際にスイッチ６又はスイッチ３５をオフさせる。これにより、昇降圧スイッチング動作を行う構成であれば、少なくともスイッチ３５をオフさせることで電流の逆流を防止できる。
【００４０】
（その他の実施形態）
閾値電圧Ｖ１，Ｖ２は、必ずしもＶ１＞Ｖ２に設定する必要は無く、少なくともＶ１＝Ｖ２に設定すれば良い。
第４実施形態の４つのスイッチを、制御ＩＣ３２の内部に構成しても良い。
車両に搭載されるものに限ることはない。
【００４１】
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００４２】
図面中、１はスイッチング電源装置、２は制御ＩＣ、３はインダクタ、５はハイサイドスイッチ、６はローサイドスイッチ、７は入力低電圧検出部、８は出力高電圧検出部、１０はパルス生成部、１１は誤差増幅部を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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