(57)【要約】【目的】ソフトスタート信号の初期値を容易に変更することができ、ソフトスタート信号が起動されてからスイッチングトランジスタのスイッチング動作を開始するまでの遅延時間を短縮することのできるスイッチング電源を提供する。【構成】引き算回路により、定電流回路およびコンデンサからなる回路で生成するリニアに減少する信号と基準電圧との重みつき差分をとることにより、任意の初期値から開始するソフトスタート信号を得ることができる。このソフトスタート信号によれば、その初期値を三角波Ｖｏｓｃの下限値ＶＬに近い値にすることができるから、ソフトスタート信号が起動されてからスイッチングトランジスタのスイッチング動作を開始するまでの遅延時間を短縮することができる。【選択図】        図１
2006217720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング電源から負荷に対して出力される電圧値を検出し、該電圧値と第１の基準電圧値との誤差電圧信号またはソフトスタート信号に基づいて入力電源と前記負荷の間にあるスイッチング手段のオン・オフをパルス幅変調（ＰＷＭ）制御することにより前記負荷に一定の電圧を印加するようにしたスイッチング電源において、前記ソフトスタート信号を非ゼロの初期値から開始するようにしたことを特徴とするスイッチング電源。
【請求項２】
前記ソフトスタート信号は単調増加信号および該単調増加信号および第２の基準電圧値を入力とする引き算回路により生成されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源。
【請求項３】
前記単調増加信号はコンデンサおよび該コンデンサと基準電位の間に接続された定電流源からなる回路の前記コンデンサと前記定電流源との接続部電位として生成され、前記引き算回路はその非反転入力端子に前記第２の基準電圧値が、その反転入力端子に第１の抵抗を介して前記前記単調増加信号がそれぞれ入力されるとともにその反転入力端子とその出力端子の間に第２の抵抗が接続されている演算増幅器であることを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源。
【請求項４】
三角波もしくは鋸波を出力する発振回路を有し、前記誤差電圧信号のレベルまたは前記ソフトスタート信号のレベルの最小値と前記発振回路の出力値の大小を比較することにより前記パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行うＰＷＭ信号を生成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソフトスタート信号が発生してからスイッチング動作が開始するまでの遅延時間を削減可能なソフトスタート信号を用いたスイッチング電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源においては、電源起動時に電源回路に発生する突入電流防止を目的として、起動時はスイッチング信号のパルス幅をソフトスタート信号により徐々に広げていく制御を行うのが通常である（例えば特許文献１参照）。このようなスイッチング電源の例を図３に示す。図３は入力電圧Ｖｉｎより出力電圧Ｖｏを生成して負荷Ｚに供給するＰＷＭ（パルス幅変調）方式の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータである。このＤＣ／ＤＣコンバータは誤差増幅器１，ソフトスタート信号Ｖｓを生成するソフトスタート信号生成回路２，三角波Ｖｏｓｃを生成する発振器３，ＰＷＭコンパレータ４、スイッチング素子であるＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５，同期整流方式の転流素子としてのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６，ＰＷＭコンパレータ４の出力に従いＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５およびＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６を駆動するドライブ回路７，インダクタ８，コンデンサ９，電圧設定用のフィードバック手段となる抵抗１０および１１，基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧源１２，並びに出力端子１３を有している。１４は入力電源より入力電圧Ｖｉｎが供給される電源供給ラインである。誤差増幅器１の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、出力端子と反転入力端子の間には位相補償素子として抵抗１５およびコンデンサ１６が接続されている。ＰＷＭコンパレータ４の２つの非反転入力端子には誤差増幅器１の出力信号Ｖｅｒｒおよびソフトスタート信号Ｖｓがそれぞれ入力され、非反転入力端子には三角波Ｖｏｓｃが入力される。ＰＷＭコンパレータ４は誤差増幅器１の出力信号Ｖｅｒｒおよびソフトスタート信号Ｖｓのうちその信号レベルの小さい方（すなわち最小値）と三角波Ｖｏｓｃを比較し、三角波Ｖｏｓｃの信号レベルの方が小さければＨ（ハイレベル）を、三角波Ｖｏｓｃの信号レベルの方が大きければＬ（ローレベル）をＰＷＭ信号としてドライブ回路７に出力するものである。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５およびＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６のドレインは互いに接続されるとともにインダクタ８の一端に接続されている。またＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５およびＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６のソースはそれぞれ電源供給ライン１４および接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。インダクタ８の他端は出力端子１３に接続されている。出力端子１３とＧＮＤの間にはコンデンサ９および抵抗１０，１１の直列回路が接続されている。抵抗１０と１１の接続点の電位はフィードバック信号ＶFBとして誤差増幅器１の反転入力端子へ入力される。またＤＣ／ＤＣコンバータの負荷として出力端子１３には負荷１７が接続されている。
【０００３】
以下、簡単にこのＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明する。まずソフトスタート信号Ｖｓを無視して（Ｖｓが最大値になっている定常状態の場合）、動作を説明する。
誤差増幅器１は基準電圧Ｖｒｅｆとフィードバック信号ＶFBの差を増幅した信号ＶｅｒｒをＰＷＭコンパレータ４に入力する。ＰＷＭコンパレータ４はＶｅｒｒと三角波Ｖｏｓｃを比較することにより、周期は一定であるが１周期内のＨとＬの割合が誤差増幅器１の出力により変化する方形波パルス（ＰＷＭ信号）をドライブ回路７を介してＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５のゲートに出力する。すなわち、（Ｖｒｅｆ−ＶFB）が大きい（小さい）ほど１周期内のＰチャネルＭＯＳＦＥＴ７１がオン（導通）する期間が長く（短く）なるような方形波パルスを発生し、インダクタ６に蓄積するエネルギを大きく（小さく）することにより出力電圧ＶOを一定に保つ。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６のゲートにも同様に方形波パルスが出力される。基本的にはＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６のゲートに出力される方形波パルスは同相であるが、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６が同時にオンして貫通電流が流れることがないように、両方オフの期間であるデッドタイムを設ける。
【０００４】
次に電源の起動時を考える。スイッチング電源の起動直後は出力電圧が不足しているため、スイッチング素子（図３のＤＣ／ＤＣコンバータにおけるＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５に相当）のオンデューティ（１周期内でスイッチング素子がオンしている割合）が最大となる駆動パルスが出力される。しかし、起動直後は出力コンデンサ（図３のコンデンサ９に相当）が未充電であるため、見かけ上出力電流は短絡状態とほぼ等しくなるため、インダクタ（図３のインダクタ８に相当）に流れる電流が際限なく大きくなる。従い、インダクタやスイッチング素子に大電流が流れ、これらの素子が破壊されるおそれがある。そこでソフトスタート機能によりスイッチング素子のオン幅を徐々に広げていくことにより、インダクタに流れる電流を徐々に増加させ、出力コンデンサも徐々に充電されていく方式がとられる。ソフトスタート機能について、図４によりさらに説明を行なう。
【０００５】
図４に示す回路は、従来のソフトスタート信号Ｖｓを生成する回路である。この回路は定電流Ｉｓを流す定電流回路５０，コンデンサ５１およびＮチャネルＭＯＳＦＥＴ５２からなる。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ５２のゲートに入力される信号ＲＥＳＥＴによりＮチャネルＭＯＳＦＥＴ５２を一時オンしてコンデンサ５１を放電することによりＶｓをゼロに初期化した後、定電流Ｉｓがコンデンサ５１を充電することにより、Ｉｓ×ｔ／Ｃｓという式に従う電圧をＶｓとして出力する。ここで、ｔはＮチャネルＭＯＳＦＥＴ５２に対するリセット信号が解除されてからの（ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ５２が一旦オンした後に再度オフしてからの）時間であり、Ｃｓはコンデンサ５１の容量値である。
スイッチング電源の立ち上がりにおけるソフトスタート動作を説明するために、図４のソフトスタート回路および図３のＰＷＭコンパレータ４の出力（ＰＷＭ信号）に関するタイミングチャートを図５に示す。図５においては、説明を簡単にするために誤差増幅器１の出力Ｖｅｒｒを無視したものになっている（もしくは、図３のコンデンサ９が充電されていないために、出力Ｖｅｒｒが最大値となっていると考えてもよい）。
【特許文献１】特開２００４−１６６４２８号公報  （段落００４０、図１，２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５を見れば分かるように、従来のソフトスタートはソフトスタート信号Ｖｓが三角波Ｖｏｓｃの下限値ＶＬに達してからようやくスイッチングトランジスタ（図３に示すＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５）のスイッチング動作を開始する。従って、信号ＲＥＳＥＴにより起動をかけてもソフトスタート信号Ｖｓが三角波Ｖｏｓｃの下限値ＶＬに達するまでの遅延時間ｔｄが生じてしまう。この遅延時間ｔｄは上述のようにＶｓ＝Ｉｓ×ｔ／Ｃｓと表されることから、ｔｄ＝Ｃｓ×ＶＬ／Ｉｓとなることが導かれる。遅延時間ｔｄは、スイッチング動作を開始してから出力電圧Ｖｏが定常値になるまでの時間と同等もしくはそれより長くなってしまうこともある。電源を適用しようとするセット側からはできるだけ速く電源の立ち上げるよう要求されているが、遅延時間ｔｄのためにその要求を満たすことができないという課題があった。また、コンデンサ５１の容量値Ｃｓや三角波Ｖｏｓｃの下限値ＶＬを変更する、もしくはこれらの定数が異なる回路に適用された場合は遅延時間ｔｄが変動してしまい、電源起動時のシーケンス構成に影響を与えてしまうこともある。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は上記の課題を解決して、ソフトスタート信号の初期値を容易に変更することができ、ソフトスタート信号が起動されてからスイッチングトランジスタのスイッチング動作を開始するまでの遅延時間を短縮することのできるスイッチング電源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、スイッチング電源から負荷に対して出力される電圧値を検出し、該電圧値と第１の基準電圧値との誤差電圧信号またはソフトスタート信号に基づいて入力電源と前記負荷の間にあるスイッチング手段のオン・オフをパルス幅変調（ＰＷＭ）制御することにより前記負荷に一定の電圧を印加するようにしたスイッチング電源において、前記ソフトスタート信号を非ゼロの初期値から開始するようにしたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記ソフトスタート信号は単調増加信号および該単調増加信号および第２の基準電圧値を入力とする引き算回路により生成されることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記単調増加信号はコンデンサおよび該コンデンサと基準電位の間に接続された定電流回路からなる回路の前記コンデンサと前記定電流回路との接続部電位として生成され、前記引き算回路はその非反転入力端子に前記第２の基準電圧値が、その反転入力端子に第１の抵抗を介して前記前記単調増加信号がそれぞれ入力されるとともにその反転入力端子とその出力端子の間に第２の抵抗が接続されている演算増幅器であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに係る発明において、三角波もしくは鋸波を出力する発振回路を有し、前記誤差電圧信号のレベルまたは前記ソフトスタート信号のレベルの最小値と前記発振回路の出力値の大小を比較することにより前記パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行うＰＷＭ信号を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明のスイッチング電源は、引き算回路により、定電流回路およびコンデンサからなる回路で生成するリニアに減少する信号と基準電圧との重みつき差分をとることにより、任意の初期値から開始するソフトスタート信号を得ることができる。このソフトスタート信号によれば、その初期値を三角波Ｖｏｓｃの下限値ＶＬに近い値にすることができるから、ソフトスタート信号が起動されてからスイッチングトランジスタのスイッチング動作を開始するまでの遅延時間を短縮することができる。すなわち、立ち上がり特性の良好なスイッチング電源を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の測定方法について説明する。
図１は本発明のスタート信号Ｖｓを生成する回路に関する実施例を示すもので、コンデンサ２０，定電流回路２１，演算増幅器２２，抵抗２３，２４、基準電圧源２５，ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２６，およびインバータ２７から構成されている。コンデンサ２０および定電流回路２１は電源電圧Ｖｉが供給される電源ライン１４とＧＮＤの間に接続されて一種の積分回路を構成している。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２６およびインバータ２７は起動時にコンデンサ２０の両端を短絡させて積分回路の初期化を行うものである。抵抗２３はコンデンサ２０および定電流回路２１の接続点と演算増幅器２２の反転入力端子の間に接続されている。抵抗２４は演算増幅器２２の反転入力端子と出力端子の間に接続されている。また基準電圧源２５は演算増幅器２２の非反転入力端子に接続されて基準電圧Ｖｒを供給する。ここで、演算増幅器２２および抵抗２３，２４は、信号Ｖｓ０および基準電圧Ｖｒに対する引き算回路を構成している。なお、信号Ｖｓ０はコンデンサ２０および定電流回路２１の接続点の電位である。
【００１２】
図１に示す回路を図３に示すＤＣ／ＤＣコンバータのソフトスタート信号生成回路２として適用したものが、本実施の形態である。本発明の実施の形態としては、ソフトスタート信号生成回路２以外の構成は図３のものと同じである。
以下、図１の回路の動作について説明する。また、そのタイミングチャートを図２に示す。図２は背景技術に関する図５に対応するものであり、図５と同様に、説明を簡単にするために誤差増幅器１の出力Ｖｅｒｒを無視したものになっている（もしくは、図３のコンデンサ９が充電されていないために、出力Ｖｅｒｒが最大値となっていると考えてもよい）。なお以下の説明において、Ｃｓはコンデンサ２０の容量値，Ｉｓは定電流回路に流れる定電流値，Ｒａ，Ｒｂはそれぞれ抵抗２３，２４の抵抗値である。抵抗２３を一旦無視すると、信号Ｖｓ０は次式で与えられる。
【００１３】
（数１）
Ｖｓ０＝Ｖｉｎ−Ｉｓ×ｔ／Ｃｓ  ・・・（１）
ここで、ｔはインバータ２７を介したＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２６に対するリセット信号が解除されてからの（ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２６が一旦オンした後に再度オフしてからの）時間である。抵抗値Ｒａが十分大きければ、（１）式は抵抗２３を接続した状態でもなりたつ。必要に応じて、コンデンサ２０および定電流回路２１の接続点と抵抗２３との間にボルテージフォロワ−を設けてもよい。
演算増幅器２２の出力電圧Ｖｓは次式で表される。
【００１４】
（数２）
Ｖｓ＝Ｖｒ×（１＋Ｒａ／Ｒｂ）−Ｖｓ０×Ｒｂ／Ｒａ  ・・・（２）
（１）式および（２）式より、演算増幅器２２の出力電圧Ｖｓ（ｔ）は次式となる。
【００１５】
（数３）
Ｖｓ（ｔ）＝Ｖｒ×（１＋Ｒａ／Ｒｂ）−（Ｖｉｎ−Ｉｓ×ｔ／Ｃｓ）×Ｒｂ／Ｒａ  ・・・（３）
（３）式より、出力電圧Ｖｓのｔ＝０における初期値電圧Ｖｓ（０）は次式となる。
【００１６】
（数４）
Ｖｓ（０）＝Ｖｒ×（１＋Ｒａ／Ｒｂ）−Ｖｉｎ×Ｒｂ／Ｒａ  ・・・（４）
（４）式より、電圧Ｖｒ，Ｖｉｎおよび抵抗値Ｒａ，Ｒｂを調整することにより出力電圧Ｖｓの初期値電圧を任意の値とすることができる。この初期値電圧を三角波Ｖｏｓｃの下限値ＶＬと等しくすればソフトスタート信号Ｖｓは電圧ＶＬからスタートし、このスタート信号Ｖｓと三角波ＶｏｓｃをＰＷＭコンパレータ４で比較することにより、スタート信号の開始から遅延なくスイッチングトランジスタのスイッチング動作を開始することができる。なお、製品のばらつきを考慮して、初期値電圧を三角波Ｖｏｓｃの下限値ＶＬより小さくしてもよい。
また、上述の形態の説明では同期式の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータをスイッチング電源の実施例として説明したが、非同期式のスイッチング電源でもよい。また、昇圧型や昇降圧型のスイッチング電源でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】発明の実施の形態におけるソフトスタート信号生成回路の回路図である。
【図２】図１に示す回路および発明の実施の形態におけるＰＷＭ信号に関するタイミングチャートである。
【図３】ＰＷＭ（パルス幅変調）方式の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成例である。
【図４】従来のソフトスタート信号生成回路の回路図である。
【図５】図４に示す回路および従来技術におけるＰＷＭ信号に関するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００１８】
１                            誤差増幅器
２                            ソフトスタート信号生成回路
３                            発振器
４                            ＰＷＭコンパレータ
５，２６                      ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ
６，５２                      ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ
７                            ドライブ回路
８                            インダクタ
９，１６，２０，５１          コンデンサ
１０，１１，１５，２３，２４  抵抗
１２，２５                    基準電圧源
１７                          負荷
２２                          演算増幅器
２１，５０                    定電流回路
ｔｄ                          遅延
Ｖｉｎ                        入力電圧
Ｖｏｓｃ                      三角波
ＶＬ                          三角波Ｖｏｓｃの下限値
Ｖｓ                          ソフトスタート信号
【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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