(57)【要約】【課題】高入力電圧等に起因するスイッチング素子のオン幅が狭い領域においても安定して動作するスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】スイッチング素子２のスイッチング動作により入力された直流電圧を所定の電圧に変換して負荷１４に供給するスイッチング電源装置であって、負荷１４に供給される出力電圧値と所定の基準電圧値との差に応じた誤差増幅信号と、スイッチング素子２に流れる電流値に応じた電流検出信号との比較結果に基づいてスイッチング素子２のオン／オフ制御を行う電流モード制御部と、誤差増幅信号と所定周波数のランプ信号との比較結果に基づいてスイッチング素子２のオン／オフ制御を行う電圧モード制御回路１６と、電流モード制御部と電圧モード制御回路１６とのいずれかを選択してスイッチング素子２をオン／オフ制御させる制御モード選択部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主スイッチング素子のスイッチング動作により入力された直流電圧を所定の電圧に変換して負荷に供給するスイッチング電源装置であって、
前記負荷に供給される出力電圧値と所定の基準電圧値との差に応じた誤差増幅信号と、前記主スイッチング素子に流れる電流値に応じた電流検出信号との比較結果に基づいて前記主スイッチング素子のオン／オフ制御を行う電流モード制御部と、
前記誤差増幅信号と所定周波数のランプ信号との比較結果に基づいて前記主スイッチング素子のオン／オフ制御を行う電圧モード制御部と、
前記電流モード制御部と前記電圧モード制御部とのいずれかを選択して前記主スイッチング素子をオン／オフ制御させる制御モード選択部と、
を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記制御モード選択部は、前記主スイッチング素子のオン幅が第１所定期間以下の場合に、前記電圧モード制御部を選択して前記主スイッチング素子をオン／オフ制御させることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記制御モード選択部は、前記電流モード制御部によるオフ制御のタイミングに基づいて、前記主スイッチング素子のオン幅が第１所定期間以下であることを検知することを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記制御モード選択部は、前記主スイッチング素子のオン幅が第２所定期間以上の場合に、前記電流モード制御部を選択して前記主スイッチング素子をオン／オフ制御させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記電流モード制御部は、
前記主スイッチング素子に流れる電流値を検出するとともに、当該電流値に応じた電流検出信号を生成する電流検出部と、
前記負荷に供給される出力電圧値と所定の基準電圧値との差に応じた誤差増幅信号を生成するフィードバック制御部と、
前記電流検出部により生成された電流検出信号と前記フィードバック制御部により生成された誤差増幅信号とを比較し、前記電流検出信号が前記誤差増幅信号を超えた場合に前記主スイッチング素子をオフ制御するための第１オフトリガー信号を生成する電流制御比較部と、
前記主スイッチング素子がターンオンした際に流れるスパイク電流に応じた前記第１オフトリガー信号により前記主スイッチング素子がオフ制御されるのを防止するためのマスク信号を生成するマスク信号生成部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記電圧モード制御部は、前記制御モード選択部により前記電圧モード制御部が選択された場合に、前記誤差増幅信号と前記ランプ信号とを比較し、前記ランプ信号が前記誤差増幅信号を超えた場合に前記マスク信号の状態にかかわらず前記主スイッチング素子をオフ制御するための第２オフトリガー信号を生成する電圧制御比較部を有することを特徴とする請求項５記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記制御モード選択部は、前記マスク信号によるマスク期間終了後に前記主スイッチング素子がオン状態である場合に、前記主スイッチング素子のオン幅が第２所定期間以上であると検知し、前記電流モード制御部を選択して前記主スイッチング素子をオン／オフ制御させることを特徴とする請求項５又は請求項６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、スイッチング動作により所定の電圧を生成して出力する降圧チョッパ型のスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、スイッチング素子をオン／オフ制御して出力電圧制御を行うスイッチング電源装置は、ＯＡ機器や民生機器等に利用されている。図３は、電流モードで制御する従来の降圧チョッパ方式のスイッチング電源装置の構成例を示す回路図である。また、図４は、従来のスイッチング電源装置の動作を説明するための各部における波形図である。図３に示すように、従来のスイッチング電源装置は、入力電圧源Ｖ１を用いて出力負荷１４に電力を供給するＤＣＤＣコンバータとしての電源装置であって、制御回路１ｂ、インダクタ１２、平滑コンデンサ１３、及びフライホイールダイオード１５により構成される。このスイッチング電源装置は、出力にＬＣ回路を構成することにより出力負荷１４に安定的な電力を供給するとともに、制御回路１ｂ内のスイッチング素子２に流れる電流に基づいてスイッチング素子２のＰＷＭ制御を行うものである。
【０００３】
制御回路１ｂは、スイッチング素子２、電流センス素子３、電流検出回路４、フィードバック制御回路５、電流制御コンパレータ６、遅延回路７、ＡＮＤ回路８、発振器９、ＰＷＭラッチ１０、及びゲートドライブ回路１１により構成される回路であり、１チップの集積回路として構成される場合が多い。
【０００４】
電流センス素子３は、スイッチング素子２と同じタイミングでオン／オフ制御される素子であり、スイッチング素子２に流れる電流Ｉ１に比例したセンス電流Ｉ２が流れる。例えば、センス電流Ｉ２は、電流Ｉ１の数百分の一といった小さな電流である。また、電流検出回路４は、電流センス素子３に流れるセンス電流Ｉ２を検出するとともに、検出したセンス電流Ｉ２に基づいて電流Ｉ１に比例する電流検出信号Ｖ２を出力する。
【０００５】
フィードバック制御回路５は、内部に有する基準電圧と出力電圧Ｖ１３との差に応じた誤差増幅信号Ｖ３を出力する。この誤差増幅信号Ｖ３は、出力電圧が基準電圧に比して高い場合には小さな電圧値となり、逆に出力電圧が基準電圧に比して低い場合には大きな電圧値となる信号である。
【０００６】
発振器９は、ＰＷＭラッチ１０のＳ端子に対して、一定周期のパルス信号であるオントリガー信号を出力する。また、ＰＷＭラッチ１０は、Ｓ端子に入力されるオントリガー信号とＲ端子に入力される後述する第１オフトリガー信号Ｖ６とに基づき、Ｑ端子からドライブ入力信号Ｖ１５を出力する。発振器９によりオントリガー信号が入力された場合には、ＰＷＭラッチ１０は、ハイレベルのドライブ入力信号Ｖ１５を生成して出力し、ゲートドライブ回路１１を介してスイッチング素子２をターンオンさせる。
【０００７】
また、電流制御コンパレータ６は、誤差増幅信号Ｖ３と電流検出信号Ｖ２とを比較し、電流検出信号Ｖ２が誤差増幅信号Ｖ３を超えた場合にハイレベルの第１オフトリガー信号Ｖ６を生成するとともに、ＡＮＤ回路８を介して生成した第１オフトリガー信号Ｖ６をＰＷＭラッチ１０のＲ端子に対して出力する。
【０００８】
ＰＷＭラッチ１０は、電流制御コンパレータ６により出力された第１オフトリガー信号Ｖ６に基づいてローレベルのドライブ入力信号Ｖ１５を出力し、ゲートドライブ回路１１を介してスイッチング素子２をターンオフさせる。
【０００９】
すなわち、図３に示す従来のスイッチング電源装置は、上述したオントリガー信号と第１オフトリガー信号Ｖ６とに基づいて入力電圧源Ｖ１に接続されたスイッチング素子２のオン／オフを制御し、出力負荷１４に対してエネルギーを伝達させる。
【００１０】
また、遅延回路７は、ＰＷＭラッチ１０により出力されたドライブ入力信号Ｖ１５を受け、所定時間だけ位相を遅らせてＡＮＤ回路８にマスク信号Ｖ４として出力する。これにより、遅延回路７により出力されたマスク信号Ｖ４がローレベルの間は、電流検出信号Ｖ２が誤差増幅信号Ｖ３を超えたとしても、ＡＮＤ回路８は第１オフトリガー信号Ｖ６を出力せず、スイッチング素子２がターンオフするのを防止する。
【００１１】
この遅延回路７によるマスク期間の設定は、電流検出信号Ｖ２のスパイク電流に起因する誤動作を防止するためにある。詳述すると、スイッチング素子２がターンオンした瞬間に、フライホイールダイオード１５に逆回復時間の間にリカバリー電流Ｉ６がカソードからアノード方向に流れる。したがって、ドレイン電流Ｉ１には、インダクタ電流Ｉ５に対して、スパイク状のリカバリー電流Ｉ６や寄生容量に流れる電流が重畳されることになり、電流検出信号Ｖ２に対してもスパイク電流成分が重畳される。このため、上述したマスク期間が設けられていないとすると、スイッチング素子２がターンオンした瞬間にスパイク電流成分が重畳された電流検出信号Ｖ２が誤差増幅信号Ｖ３を超えてしまい、第１オフトリガー信号Ｖ６が生成されてスイッチング素子２が即座にターンオフしてしまうという誤動作に陥る可能性がある。
【００１２】
しかしながら、図３に示すスイッチング電源装置は、遅延回路７によりスイッチング素子２がターンオンしてから１００ｎＳ程度のマスク期間Ｔ１が設けられているので（図４参照）、マスク期間におけるスイッチング素子２のターンオフを阻止してスパイク電流に起因する誤動作を防止することができる。
【００１３】
なお、遅延回路７による遅延時間は、上述した誤動作を防止するために、スイッチング素子２がターンオンしてから所定のマスク期間（１００ｎＳ程度の時間）はマスク信号Ｖ４がローレベルを保つように適切に調整されている。
【００１４】
特許文献１には、電流波形のアンバランスを抑制し、安定な制御特性を有するスイッチング電源が記載されている。このスイッチング電源は、出力電圧を検出して入力側に設けたメインスイッチに制御信号を出力する電流モード制御の制御回路を備えており、この制御回路内に出力電圧検出手段とインダクタ電流検出手段と２次曲線または２次曲線に類似した補償波形が発生する第１の補償波形発生手段とこれらの波形を合成する手段とを有する。さらに、制御回路は、出力電圧検出手段で検出した信号とインダクタ電流検出手段で検出した信号と補償波形発生手段から得られた補償波形とを合成し２つの信号を生成し、得られた２つの信号を比較してメインスイッチに出力する比較手段を備えている。
【００１５】
したがって、このスイッチング電源によれば、誤差増幅器の位相補償コンデンサを小さくし、誤差増幅器のループ利得が０ｄＢになる周波数がスイッチング周波数に近づくような高周波にしても、インダクタ電流の低周波振動が起き難くなり、補償波形を用いることによりスイッチング周波数に近いループ応答周波数を持った高速応答を実現することができ、小型で高信頼の電源を安価に実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００５−１１０３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ここで、スイッチング素子２のデューティ比は、入出力電圧比（Ｖ１３／Ｖ１）によって決まる。すなわち、スイッチング素子２のデューティ比において、入出力電圧差が小さい場合にはオン幅が広くなり、入出力電圧差が大きい場合にはオン幅が狭くなる。したがって、出力電圧Ｖ１３を一定に保つ場合において、スイッチング素子２は、入力電圧Ｖ１が低い（低入力）場合には広いオン幅で制御され、入力電圧Ｖ１が高い（高入力）場合には狭いオン幅で制御される。
【００１８】
しかしながら、図４に示すように、入力電圧Ｖ１が極端に高い場合やスイッチング周波数が高い場合等により、オン幅がマスク期間と同等あるいはそれ以下に狭くなるような条件下においては、マスク期間以下でスイッチング素子２をオフさせることができないという弊害が生ずる。すなわち、図３に示す従来のスイッチング電源装置は、マスク期間を設けたことが逆に障害となり、スイッチング素子２を適切なタイミングでオフさせることができずにマスク期間終了後にオフさせることになるため、本来のオン幅よりも広いオン幅となり、図４の右側部に示すように出力電圧Ｖ１３が徐々に上昇して制御不能に陥る場合が考えられる。最悪のケースとしては、出力電圧Ｖ１３が規定値を越えて上昇し、出力負荷１４における回路を破壊することも想定される。
【００１９】
また、入力電圧Ｖ１が高いほど、フライホイールダイオード１５に瞬間的に流れるリカバリー電流Ｉ６のピーク値は大きくなり、サージ電流の持続時間も延びてしまうため、電流モード方式におけるスイッチング素子２の適切な制御がさらに困難になるという問題もある。
【００２０】
なお、図４は、必ずしも入力電圧Ｖ１が低入力から高入力に途中で切り替わることを示すものではなく、低入力の場合と高入力の場合とを１枚の波形図で示したものとする。高入力でも低入力でも適切に動作する入力電圧範囲の広いスイッチング電源装置はニーズが高いため、上述した問題点の解決は重要である。
【００２１】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、高入力電圧等に起因するスイッチング素子のオン幅が狭い領域においても安定して動作するスイッチング電源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係るスイッチング電源装置は、上記課題を解決するために、主スイッチング素子のスイッチング動作により入力された直流電圧を所定の電圧に変換して負荷に供給するスイッチング電源装置であって、前記負荷に供給される出力電圧値と所定の基準電圧値との差に応じた誤差増幅信号と、前記主スイッチング素子に流れる電流値に応じた電流検出信号との比較結果に基づいて前記主スイッチング素子のオン／オフ制御を行う電流モード制御部と、前記誤差増幅信号と所定周波数のランプ信号との比較結果に基づいて前記主スイッチング素子のオン／オフ制御を行う電圧モード制御部と、前記電流モード制御部と前記電圧モード制御部とのいずれかを選択して前記主スイッチング素子をオン／オフ制御させる制御モード選択部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高入力電圧等に起因するスイッチング素子のオン幅が狭い領域においても安定して動作するスイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１の形態のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施例１の形態のスイッチング電源装置の動作を示す各部の波形図である。
【図３】従来のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。
【図４】従来のスイッチング電源装置の動作を示す各部の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明のスイッチング電源装置の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。まず、本実施の形態の構成を説明する。図１は、本発明の実施例１のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。このスイッチング電源装置は、主スイッチング素子であるスイッチング素子２のスイッチング動作により入力された直流電圧Ｖ１を所定の電圧に変換して負荷１４に供給する電源装置であり、制御回路１、インダクタ１２、平滑コンデンサ１３、及びフライホイールダイオード１５により構成される。スイッチング素子２は、例えばハイサイドＭＯＳＦＥＴである。また、制御回路１は、スイッチング素子２、電流センス素子３、電流検出回路４、フィードバック制御回路５、電流制御コンパレータ６、遅延回路７、ＡＮＤ回路８、発振器９、ＰＷＭラッチ１０、ゲートドライブ回路１１、及び電圧モード制御回路１６により構成される。
【００２７】
すなわち、本実施例のスイッチング電源装置は、図３で説明した従来のスイッチング電源装置の構成に加えて、電圧モード制御回路１６を備えた構成を有するものであり、ＤＣＤＣコンバータとして機能する。なお、図１において、図３における構成要素と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以て示し、重複した説明を省略する。
【００２８】
電流検出回路４、フィードバック制御回路５、電流制御コンパレータ６、遅延回路７、ＡＮＤ回路８、発振器９、ＰＷＭラッチ１０、及びゲートドライブ回路１１は、本発明の電流モード制御部に対応し、負荷１４に供給される出力電圧値と所定の基準電圧値との差に応じた誤差増幅信号Ｖ３と、スイッチング素子２に流れる電流値に応じた電流検出信号Ｖ２との比較結果に基づいてスイッチング素子２のオン／オフ制御を行う。電流モード制御部の各構成については以下に述べる。
【００２９】
電流検出回路４は、本発明の電流検出部に対応し、スイッチング素子２に流れる電流値を検出するとともに、当該電流値に応じた電流検出信号Ｖ２を生成する。具体的には、電流検出回路４は、電流センス素子３に流れるセンス電流Ｉ２を検出するとともに、検出したセンス電流Ｉ２に基づいて電流Ｉ１に比例する電流検出信号Ｖ２を出力する。
【００３０】
フィードバック制御回路５は、本発明のフィードバック制御部に対応し、負荷１４に供給される出力電圧値と所定の基準電圧値との差に応じた誤差増幅信号Ｖ３を生成する。この誤差増幅信号Ｖ３は、出力電圧が基準電圧に比して高い場合には小さな電圧値となり、逆に出力電圧が基準電圧に比して低い場合には大きな電圧値となる信号である。
【００３１】
電流制御コンパレータ６は、本発明の電流制御比較部に対応し、電流検出回路４により生成された電流検出信号Ｖ２とフィードバック制御部５により生成された誤差増幅信号Ｖ３とを比較し、電流検出信号Ｖ２が誤差増幅信号Ｖ３を超えた場合に、スイッチング素子２をオフ制御するための第１オフトリガー信号Ｖ６を生成するとともに、ＡＮＤ回路８を介して生成した第１オフトリガー信号Ｖ６をＰＷＭラッチ１０のＲ端子に対して出力する。
【００３２】
発振器９は、ＰＷＭラッチ１０のＳ端子に対して、一定周期のパルス信号であるオントリガー信号を出力し、ＰＷＭラッチ１０とともにスイッチング素子２に対してオン制御を行う。また、ＰＷＭラッチ１０は、図３で説明した従来のスイッチング電源装置におけるＰＷＭラッチ１０と同じであり、重複した説明を省略する。
【００３３】
また、遅延回路７は、本発明のマスク信号生成部に対応し、スイッチング素子２がターンオンした際に流れるスパイク電流に応じた第１オフトリガー信号Ｖ６によりスイッチング素子２がオフ制御されるのを防止するためのマスク信号を生成する。具体的には、遅延回路７は、ＰＷＭラッチ１０により出力されたドライブ入力信号Ｖ１５を所定時間だけ位相を遅らせてＡＮＤ回路８にマスク信号Ｖ４として出力する。これにより、遅延回路７により出力されたマスク信号Ｖ４がローレベルの間は、電流検出信号Ｖ２が誤差増幅信号Ｖ３を超えたとしても第１オフトリガー信号Ｖ６がＡＮＤ回路８から出力されず、スイッチング素子２はターンオフしない。
【００３４】
電圧モード制御回路１６は、本発明の電圧モード制御部に対応し、誤差増幅信号Ｖ３と所定周波数のランプ信号との比較結果に基づいてスイッチング素子２のオン／オフ制御を行う。なお、厳密には電圧モード制御回路１６はスイッチング素子２のオフ制御のみを行い、オン制御は発振器９、ＰＷＭラッチ１０、及びゲートドライブ回路１１により行われる。したがって、発振器９、ＰＷＭラッチ１０、及びゲートドライブ回路１１は、電流モード制御部と電圧モード制御部との共有部であるといえる。
【００３５】
電圧モード制御回路１６は、定電流源Ｉ３、コンデンサ１６１、シュミット回路１６２、ＳＲフリップフロップ１６３、スイッチ１６４、インバータ１６５、電圧制御コンパレータ１６６、ＡＮＤ回路１６７、ＯＲ回路１６８、ＡＮＤ回路１６９、ＡＮＤ回路１７０、ＳＲフリップフロップ１７１、及び１ショット回路１７２により構成される。
【００３６】
コンデンサ１６１は、スイッチ１６４が開放状態の場合に定電流Ｉ３により充電され、ランプ信号Ｖ１０を生成し、電圧制御コンパレータ１６６の正入力端子及びシュミット回路１６２に対して出力する。
【００３７】
ＳＲフリップフロップ１６３は、シュミット回路１６２からＳ端子に入力された信号と、１ショット回路１７２からＲ端子に入力された信号とに基づき、Ｑ端子からスイッチ１６４に対して制御信号を出力し、スイッチ１６４を制御する。
【００３８】
１ショット回路１７２は、ドライブ入力信号Ｖ１５がローレベルからハイレベルに切り替わった場合に、一定期間だけハイレベルのリセットトリガー信号をＳＲフリップフロップ１６３のＲ端子に出力し、ＳＲフリップフロップ１６３をリセット状態にするとともにスイッチ１６４を開放状態にする。
【００３９】
シュミット回路１６２は、ランプ信号Ｖ１０が所定のしきい値に達した場合に、インバータ１６５を介してＡＮＤ回路１７０に対して入力検知クロックＶ５を出力するとともに、ＳＲフリップフロップ１６３をセット状態にしてスイッチ１６４を導通させる。これにより、コンデンサ１６１の電荷は放電される。
【００４０】
したがって、ランプ信号Ｖ１０及び入力検知クロックＶ５は、発振器９のオントリガー信号に同期した所定周波数の信号となる。ただし、入力検知クロックＶ５にとって重要な点は、ハイになるタイミングではなく、マスク信号Ｖ４がローからハイに切り替わった時点から一定期間（例えば１００ｎＳ）ハイ状態を保つことである。入力検知クロックＶ５がハイからローになるタイミングは、適切なしきい値のシュミット回路１６２を選択することにより、調節が可能である。
【００４１】
ＡＮＤ回路１６９、ＡＮＤ回路１７０、及びＳＲフリップフロップ１７１は、本発明の制御モード選択部に対応し、電流モード制御部と電圧モード制御部とのいずれかを選択してスイッチング素子２をオン／オフ制御させる。なお、本実施例のスイッチング電源装置において、制御モード選択部は、電圧モード制御回路１６に内蔵された形となっているが、必ずしも電圧モード制御回路１６に内蔵される必要はない。
【００４２】
制御モード選択部は、スイッチング素子２のオン幅が第１所定期間以下の場合に、電圧モード制御部を選択してスイッチング素子２をオン／オフ制御させる。また、制御モード選択部は、電流モード制御部によるオフ制御のタイミングに基づいて、スイッチング素子２のオン幅が第１所定期間以下であることを検知する。本実施例において、第１所定期間とは、マスク期間と同じ長さの期間である。また、電流モード制御部によるオフ制御とは、第１オフトリガー信号Ｖ６による制御を指す。入力検知クロックＶ５と第１オフトリガー信号Ｖ６とのいずれもがハイ状態である場合には、スイッチング素子２は、マスク期間終了後に即オフ制御されているので、オン幅が第１所定期間以下であることがわかる。
【００４３】
すなわち、制御モード選択部は、入力検知クロックＶ５と第１オフトリガー信号Ｖ６との両方がハイ状態であるか否かをＡＮＤ回路１６９で判断することにより、スイッチング素子２のオン幅が第１所定期間以下であることを検知する。
【００４４】
したがって、制御モード選択部は、上述したようにスイッチング素子２のオン幅が第１所定期間以下であることを検知した場合に、ＡＮＤ回路１６９がＳＲフリップフロップ１７１をセット状態にすることにより電圧モード制御部を選択してスイッチング素子２をオン／オフ制御させる。これは、ＳＲフリップフロップ１７１がセット状態にされると、後述する電圧制御コンパレータ１６６が第２オフトリガー信号Ｖ１１をＡＮＤ回路１６７を介して出力可能になることにより実現される。
【００４５】
また、制御モード選択部は、スイッチング素子２のオン幅が第２所定期間以上の場合に、電流モード制御部を選択してスイッチング素子２をオン／オフ制御させる。ここで、制御モード選択部は、マスク信号Ｖ４によるマスク期間終了後にスイッチング素子２がオン状態である場合に、スイッチング素子２のオン幅が第２所定期間以上であると検知する。すなわち、制御モード選択部は、マスク信号Ｖ４、入力検知クロックＶ５、及びドライブ制御信号Ｖ１５のいずれもがハイ状態であるか否かをＡＮＤ回路１７０で判断することにより、スイッチング素子２のオン幅が第２所定期間以上であることを検知する。
【００４６】
したがって、制御モード選択部は、上述したようにスイッチング素子２のオン幅が第２所定期間以上であることを検知した場合に、ＡＮＤ回路１７０がＳＲフリップフロップ１７１をリセット状態にすることによって電流モード制御部を選択し、スイッチング素子２をオン／オフ制御させる。これは、ＳＲフリップフロップ１７１がリセット状態にされると、ＡＮＤ回路１６７を介しての電圧制御コンパレータ１６６による第２オフトリガー信号Ｖ１１の出力が不可能になり、電圧モード制御部による制御が無効になるからである。
【００４７】
すなわち、制御モード選択部は、電流モード制御部を選択する場合にはＳＲフリップフロップ１７１をリセット状態とし、電圧モード制御部を選択する場合にはＳＲフリップフロップ１７１をセット状態とする。
【００４８】
電圧制御コンパレータ１６６は、本発明の電圧制御比較部に対応し、制御モード選択部により電圧モード制御部が選択された場合に、誤差増幅信号Ｖ３とランプ信号Ｖ１０とを比較し、ランプ信号Ｖ１０が誤差増幅信号Ｖ３を超えた場合にマスク信号Ｖ４の状態にかかわらずスイッチング素子２をオフ制御するための第２オフトリガー信号Ｖ１１を生成する。第２オフトリガー信号Ｖ１１は、ＡＮＤ回路１６７及びＯＲ回路１６８を介してＰＷＭラッチ１０のＲ端子に出力されるので、マスク信号Ｖ４の影響を受けない。
【００４９】
ＯＲ回路１６８は、ＡＮＤ回路８とＡＮＤ回路１６７とのいずれかによりハイレベルの第１オフトリガー信号Ｖ６又は第２オフトリガー信号Ｖ１１が入力された場合に、ハイレベルの信号をＰＷＭラッチ１０のＲ端子に対して出力する。
【００５０】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図２は、本実施例のスイッチング電源装置の動作を示す各部の波形図である。まず、入力電圧が低い場合について説明する。この場合には、本実施例のスイッチング電源装置は、通常の電流モード制御で動作する。電流検出回路４は、電流センス素子３に流れるセンス電流Ｉ２を検出するとともに、検出したセンス電流Ｉ２に基づいて電流Ｉ１に比例する電流検出信号Ｖ２を生成し、電流制御コンパレータ６の正入力端子に対して出力する。
【００５１】
一方、フィードバック制御回路５は、負荷１４に供給される出力電圧値と所定の基準電圧値との差に応じた誤差増幅信号Ｖ３を生成し、電流制御コンパレータ６の負入力端子と電圧制御コンパレータ１６６の負入力端子とに出力する。
【００５２】
発振器９は、ＰＷＭラッチ１０のＳ端子に対して、一定周期のパルス信号であるオントリガー信号を出力し、ＰＷＭラッチ１０とともにスイッチング素子２に対してオン制御を行う。また、遅延回路７は、ＰＷＭラッチ１０により出力されたドライブ入力信号Ｖ１５に基づき、所定時間（例えば１００ｎＳ程度）だけ位相を遅らせたマスク信号Ｖ４をＡＮＤ回路８に出力する。
【００５３】
電流制御コンパレータ６は、電流検出回路４により生成された電流検出信号Ｖ２とフィードバック制御部５により生成された誤差増幅信号Ｖ３とを比較し、電流検出信号Ｖ２が誤差増幅信号Ｖ３を超えた場合に、スイッチング素子２をオフ制御するための第１オフトリガー信号Ｖ６を生成する。
【００５４】
ＡＮＤ回路８は、マスク信号Ｖ４がハイ状態で且つ電流制御コンパレータ６の出力信号がハイ状態である場合に、ＯＲ回路１６８を介して第１オフトリガー信号Ｖ６をＰＷＭラッチ１０のＲ端子に対して出力する。その際にゲートドライブ信号Ｖ１２がハイからローに切り替わるため、スイッチング素子２はターンオフする。
【００５５】
マスク信号Ｖ４がロー状態の場合には、たとえ電流制御コンパレータ６の出力信号がハイ状態となってもマスク期間であるため、ＡＮＤ回路８は、第１オフトリガー信号Ｖ６を出力せず、スパイク電流に基づく誤動作を防止する。
【００５６】
次に、入力電圧Ｖ１が高くなり、電流モードから電圧モードへ移行する際の動作について説明する。スイッチング素子２のオンデューティ幅は、出力電圧Ｖ１３／入力電圧Ｖ１により決定されるため、高入力電圧時には低入力電圧時よりも狭いオンデューティ幅で動作することになる。その際に、スイッチング素子２のオン幅が第１所定期間（本実施例においてはマスク期間Ｔ２）以下の場合には、制御モード選択部は、電圧モード制御部を選択してスイッチング素子２をオン／オフ制御させる。
【００５７】
具体的には、スイッチング素子２のオン幅がマスク期間Ｔ２以下の場合には、ＡＮＤ回路８は、マスク期間Ｔ２が終了するまでの１００ｎＳ程度の期間において、ＰＷＭラッチ１０のＲ端子に対して第１オフトリガー信号Ｖ６を出力できない。したがって、スイッチング素子２は、その間ターンオフされず、マスク期間Ｔ２が終了するのを待ってターンオフされる。
【００５８】
この場合に、制御モード選択部は、入力検知クロックＶ５と第１オフトリガー信号Ｖ６との両方がハイ状態であることをＡＮＤ回路１６９で検知し、スイッチング素子２のオン幅が第１所定期間以下であるとして、ＳＲフリップフロップ１７１のＳ端子に対して高入力検知トリガーＶ７を出力する。これにより、ＳＲフリップフロップ１７１はセット状態となり、ハイ状態の入力検知信号Ｖ９をＡＮＤ回路１６７に対して出力することによって電圧モード制御回路１６をアクティブ状態にする。以上のようにして制御モード選択部が電圧モード制御部を選択することにより電流モードから電圧モードへ移行し、本実施例のスイッチング電源装置は、次回のスイッチング周期以降において電圧モードで動作する。
【００５９】
電圧モード制御回路１６がアクティブ状態になると、出力電圧Ｖ１３を一定に保つために、フィードバック制御回路５は、誤差増幅信号Ｖ３の制御電圧をランプ信号Ｖ１０の振幅範囲内まで低下させる。
【００６０】
電圧モード制御回路１６は、誤差増幅信号Ｖ３と所定周波数のランプ信号との比較結果に基づいてスイッチング素子２のオン／オフ制御を行う。具体的に説明すると、電圧モード制御回路１６内の電圧制御コンパレータ１６６は、誤差増幅信号Ｖ３とランプ信号Ｖ１０とを比較し、ランプ信号Ｖ１０が誤差増幅信号Ｖ３を超えた場合にマスク信号Ｖ４の状態にかかわらずスイッチング素子２をオフ制御するための第２オフトリガー信号Ｖ１１を生成する。
【００６１】
第２オフトリガー信号Ｖ１１は、ＡＮＤ回路１６７及びＯＲ回路１６８を介してＰＷＭラッチ１０のＲ端子に入力されることにより、スイッチング素子２をターンオフさせる。
【００６２】
以上のようにして、電圧モード制御回路１６は、マスク期間内であっても、ＰＷＭ制御によりスイッチング素子２のオン／オフ制御を行うことができる。
【００６３】
次に、入力電圧Ｖ１が高い状態から低い状態となり、電圧モードから電流モードへ復帰する際の動作について説明する。入力電圧Ｖ１が低下すると、インダクタ電流Ｉ５の充電傾斜が緩くなるため、出力電圧Ｖ１３がわずかに下降する。そのため、フィードバック制御回路５は、出力電圧Ｖ１３を一定に保つために、誤差増幅信号Ｖ３の電圧を上昇させる。誤差増幅信号Ｖ３の電圧がランプ信号Ｖ１０の振幅範囲外まで上昇すると、第２オフトリガー信号Ｖ１１ではなく第１オフトリガー信号Ｖ６によりスイッチング素子２のオフ制御が行われることになり、スイッチング素子２は、広いオン幅で制御される。
【００６４】
ここで、制御モード選択部は、スイッチング素子２のオン幅が第２所定期間以上の場合に、電流モード制御部を選択してスイッチング素子２をオン／オフ制御させる。具体的には、制御モード選択部は、マスク信号Ｖ４、入力検知クロックＶ５、及びドライブ制御信号Ｖ１５のいずれもがハイ状態であることをＡＮＤ回路１７０で検知することにより、スイッチング素子２のオン幅が第２所定期間以上であることを検知する。その際に、ＡＮＤ回路１７０は、低入力検知トリガーＶ８をＳＲフリップフロップ１７１のＲ端子に対して出力することにより、入力検知信号Ｖ９をハイからローに切り替える。
【００６５】
以上のようにして制御モード選択部が電流モード制御部を選択することにより電圧モードから電流モードへ移行し、本実施例のスイッチング電源装置は、次回のスイッチング周期以降において電流モードで動作する。
【００６６】
本実施例のスイッチング電源装置は、上述した一連の動作により、低入力電圧でスイッチング素子２のオン幅が比較的広い場合には電流モード制御で動作し、高入力電圧でスイッチング素子２のオン幅が極端に狭い場合には、自動的に電圧モード制御へと切り替わることで、広い入力電圧範囲での安定動作を確保することができる。
【００６７】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係るスイッチング電源装置によれば、高入力電圧等に起因するスイッチング素子のオン幅が狭い領域においても安定して動作することができる。
【００６８】
すなわち、本発明のスイッチング電源装置は、スイッチング素子２のオン幅に応じて電流モード制御と電圧モード制御とを切り替える制御モード選択部を備えているので、ハイサイドＭＯＳＦＥＴであるスイッチング素子２のオン幅がマスク時間よりも広い場合には電流モード制御で動作し、スイッチング素子２のオン幅がマスク時間と同等あるいは狭い場合には電流情報が不要な電圧モード制御に自動的に切り替えることができ、オン幅がマスク時間以下の領域でもスイッチング素子２に対して適切なＰＷＭ制御を行うことができる。
【００６９】
これにより、本実施例のスイッチング電源装置は、入力電圧差が広くオンデューティ幅が極端に狭い場合や、スイッチング周波数が高くオン幅が極端に狭い場合でもスイッチング素子２に対するＰＷＭ制御を適切に行い、出力電圧Ｖ１３が規定値以上に上昇して負荷１４における回路を破壊するようなトラブルを回避することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係るスイッチング電源装置は、安定した電力供給を要する電気機器等に使用されるスイッチング電源装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１，１ｂ  制御回路
２      スイッチング素子
３      電流センス素子
４      電流検出回路
５      フィードバック制御回路
６      電流制御コンパレータ
７      遅延回路
８      ＡＮＤ回路
９      発振器
１０    ＰＷＭラッチ
１１    ゲートドライブ回路
１２    インダクタ
１３    平滑コンデンサ
１４    負荷
１５    フライホイールダイオード
１６    電圧モード制御回路
１６１  コンデンサ
１６２  シュミット回路
１６３  ＳＲフリップフロップ
１６４  スイッチ
１６５  インバータ
１６６  電圧制御コンパレータ
１６７  ＡＮＤ回路
１６８  ＯＲ回路
１６９  ＡＮＤ回路
１７０  ＡＮＤ回路
１７１  ＳＲフリップフロップ
１７２  １ショット回路
【図１】
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【図２】
2010259161.tif 000004
【図３】
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【図４】
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