(57)【要約】【課題】検出抵抗などを用いることなく、低損失で、両レギュレータの動作を切り替えること。【解決手段】電源制御切替回路１０５は、降圧型スイッチングレギュレータ１０３のハイサイドスイッチ１３１及びシリーズレギュレータ１０４の制御トランジスタ１４２に接続された電流検出用トランジスタ１５１と、制御トランジスタ１４２をオフ状態としてハイサイドスイッチ１３１をオンオフし、電流検出用トランジスタ１５１の制御端子がハイサイドスイッチ１３１のオン時の制御端子と同電位に設定される第１の状態と、制御トランジスタ１４２を能動状態としてハイサイドスイッチ１３１をオフ状態とし、電流検出用トランジスタ１５１の制御端子が制御トランジスタ１４２の制御端子と同電位に設定される第２の状態とを、電流検出用トランジスタ１５１に流れる電流によって切り替えるスイッチ回路１５２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】
入力端子と出力端子を共有し、一端が前記入力端子に接続されたスイッチングトランジスタを有するスイッチングレギュレータと、一端が前記入力端子に接続された制御トランジスタを有するシリーズレギュレータとの並列構成からなる電源装置であって、
一端が前記入力端子を介して前記スイッチングトランジスタ及び前記制御トランジスタに接続された電流検出用トランジスタと、
前記制御トランジスタをオフ状態として前記スイッチングトランジスタをオンオフし、前記電流検出用トランジスタの制御端子が前記スイッチングトランジスタのオン時の制御端子と同電位に設定される第１の状態と、前記制御トランジスタを能動状態として前記スイッチングトランジスタをオフ状態とし、前記電流検出用トランジスタの制御端子が前記制御トランジスタの制御端子と同電位に設定される第２の状態とを、前記電流検出用トランジスタに流れる電流によって切り替えるスイッチ回路と
を備えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記電流検出用トランジスタの他端が前記スイッチングトランジスタの他端と同電位となるように、前記電流検出用トランジスタの他端に接続された可変インピーダンス回路と、
前記可変インピーダンス回路に流れる電流を検出する電流検出回路とを備え、
前記スイッチ回路は、前記電流検出回路の出力によって前記第１の状態と前記第２の状態を切り替えることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記可変インピーダンス回路は、一端が前記電流検出用トランジスタの他端に接続され、他端が前記可変インピーダンス回路の出力とするトランジスタと、
反転入力端子が前記電流検出用トランジスタの他端に接続され、非反転入力端子が前記スイッチングトランジスタの他端に接続され、出力端子を前記トランジスタの制御端子に接続された演算増幅器とを備えることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
【請求項４】
前記電流検出回路は、前記可変インピーダンス回路から出力される電流が流れる抵抗と、該抵抗の電圧降下を基準電圧と比較する比較器とを備えることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
【請求項５】
前記電流検出回路の出力によって前記スイッチングトランジスタ又は前記制御トランジスタに流れる電流を制限する過電流保護回路を備えることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
【請求項６】
抵抗と基準電圧のいずれか又は両方を複数個有し、前記スイッチ回路の切替レベルと前記過電流保護回路の過電流検出レベルとを設定する請求項５記載の電源装置。
【請求項７】
前記電流検出用トランジスタは、前記スイッチングトランジスタ及び／又は前記制御トランジスタとミラー構成となることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項８】
前記電流検出用トランジスタは、前記スイッチングトランジスタ及び前記制御トランジスタと同一プロセスで構成されていることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項９】
入力端子と出力端子を共有し、一端が前記入力端子に接続されたスイッチングトランジスタを有するスイッチングレギュレータと、一端が前記入力端子に接続された制御トランジスタを有するシリーズレギュレータとが並列構成され、並列構成された前記スイッチングレギュレータと前記シリーズレギュレータの動作を切り替える電源制御切替回路であって、
一端が前記入力端子を介して前記スイッチングトランジスタ及び前記制御トランジスタに接続された電流検出用トランジスタと、
前記制御トランジスタをオフ状態として前記スイッチングトランジスタをオンオフし、前記電流検出用トランジスタの制御端子が前記スイッチングトランジスタのオン時の制御端子と同電位に設定される第１の状態と、前記制御トランジスタを能動状態として前記スイッチングトランジスタをオフ状態とし、前記電流検出用トランジスタの制御端子が前記制御トランジスタの制御端子と同電位に設定される第２の状態とを、前記電流検出用トランジスタに流れる電流によって切り替えるスイッチ回路と
を備えることを特徴とする電源制御切替回路。
【請求項１０】
前記電流検出用トランジスタの他端が前記スイッチングトランジスタの他端と同電位となるように、前記電流検出用トランジスタの他端に接続された可変インピーダンス回路と、
前記可変インピーダンス回路に流れる電流を検出する電流検出回路とを備え、
前記スイッチ回路は、前記電流検出回路の出力によって前記第１の状態と前記第２の状態を切り替えることを特徴とする請求項９記載の電源制御切替回路。
【請求項１１】
前記可変インピーダンス回路は、一端が前記電流検出用トランジスタの他端に接続され、他端が前記可変インピーダンス回路の出力とするトランジスタと、
反転入力端子が前記電流検出用トランジスタの他端に接続され、非反転入力端子が前記スイッチングトランジスタの他端に接続され、出力端子を前記トランジスタの制御端子に接続された演算増幅器とを備えることを特徴とする請求項９記載の電源制御切替回路。
【請求項１２】
前記電流検出用トランジスタは、前記スイッチングトランジスタ及び／又は前記制御トランジスタとミラー構成となることを特徴とする請求項９記載の電源制御切替回路。
【請求項１３】
前記電流検出用トランジスタは、前記スイッチングトランジスタ及び前記制御トランジスタと同一プロセスで構成されていることを特徴とする請求項９に記載の電源制御切替回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子機器に安定した直流電圧を供給する電源装置、特に並列接続されたスイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの動作を切り替える電源制御切替回路及びこの電源制御切替回路を有する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯機器のＣＰＵ用電源などに、スイッチングレギュレータがよく用いられる。
【０００３】
図５は、一般的なパルス幅変調制御の降圧型スイッチングレギュレータの回路構成図である。また、図６は、図５のスイッチングレギュレータの動作波形図である。
【０００４】
図５において、降圧型スイッチングレギュレータ１０は、インダクタ１１及びコンデンサ１２からなる平滑回路、エラーアンプ２１、発振器２２、ＰＷＭコンパレータ２３、ドライバ２４、及び直流電源入力端子Ｖｄｄと接地電位との間にハイサイドスイッチ３１及びローサイドスイッチ３０を備えて構成される。上記エラーアンプ２１、発振器２２、ＰＷＭコンパレータ２３及びドライバ２４は、レギュレータブロック２０を構成する。
【０００５】
ハイサイドスイッチ３１とローサイドスイッチ３０が交互にオン・オフを繰り返すことによって、インダクタ１１は磁気エネルギーの蓄積と放出を繰り返し、その際に発生する交流電圧が整流されて、負荷へ出力電圧として供給される。また出力電圧は、ハイサイドスイッチ３１の一周期におけるオン時間の割合によって調整される。出力端子ＯＵＴに出力される直流電圧Ｖｏｕｔは、フィードバック抵抗１，２によって検出され、検出電圧はエラーアンプ２１に入力される。エラーアンプ２１は、検出電圧を基準電圧１と比較し、その誤差出力をＰＷＭコンパレータ２３に出力する（図６参照）。ＰＷＭコンパレータ２３は、その誤差出力と発振器２２の信号の比較を行い、ハイサイドスイッチ３１のオンする時間を制御している。
【０００６】
このような降圧型スイッチングレギュレータ１０は、重負荷時には高い電力変換効率を示すが、軽負荷時には低下する。特許文献１には、降圧型スイッチングレギュレータと軽負荷時に高い効率を示すシリーズレギュレータを並列に接続し、負荷によって動作する電源回路を降圧型スイッチングレギュレータかシリーズレギュレータに切り替える方法と電源装置が開示されている。
【０００７】
図７は、特許文献１に記載の電源装置を示す回路構成図である。図５と同一機能を示す部分には同一符号を付している。図７において、この電源装置は、降圧型スイッチングレギュレータ１０とシリーズレギュレータ４０と、これらを排他的にオン・オフさせる切替回路であるインバータ５１と負荷の状態を予測する予測手段であるＣＰＵ５０から構成される。シリーズレギュレータ４０は、アンプ４１及び制御トランジスタ４２から構成され、アンプ４１のイネーブル端子にはＣＰＵ５０からの制御信号が入力される。
【０００８】
以上の構成において、ＣＰＵ５０が負荷の状態を判断し、重負荷の場合には降圧型スイッチングレギュレータ１０を動作させ、軽負荷の場合にはシリーズレギュレータ４０を動作させる。
【０００９】
また、図８は、特許文献１に記載の別の電源装置を示す回路構成図である。図５と同一機能を示す部分には同一符号を付している。図８において、この電源装置は、図６のＣＰＵ５０及びインバータ５１に代えて、電流検出手段として出力端子ＯＵＴに検出抵抗Ｒ３と電流検出コンパレータ６０とインバータ６１を設け、インバータ６１出力はシリーズレギュレータ４０のアンプ４１のイネーブル端子に入力される。
【００１０】
以上の構成において、電流検出コンパレータ６０は、出力電流を抵抗Ｒ３によって検出し、この検出電流を基準電流値と比較することにより、重負荷の場合には降圧型スイッチングレギュレータ１０を動作させ、軽負荷の場合にはシリーズレギュレータ４０を動作させる制御信号をアンプ４１のイネーブル端子に出力する。
【特許文献１】特開２００３−２１６２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このような従来の降圧型スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの動作を切り替える電源装置にあっては、以下のような問題点があった。
【００１２】
ＣＰＵ５０のような負荷状態を予測する回路を用いる装置では、回路が大規模化してしまうことに加え、外部回路と通信するための信号とそのための端子が必要となる。また、上記切替え制御を常に外部回路に依存するので、電源装置としての汎用性に欠けるとともに、電子機器が変更された場合など電源装置の設計変更も考慮しなければならない。
【００１３】
また、出力電流を抵抗Ｒ３及び電流検出コンパレータ６０で検出する装置では、上述した不具合はないものの、電流検出のための損失が発生し、電力変換効率が低下してしまうという問題点がある。一般に、出力電流の検出方法として、出力端子側に設置した抵抗の電圧値を検出する方法が多用されるが、この検出方法を電源装置の出力端子にそのまま適用した従来の電源装置では、電力を常時供給するという電源装置の性質上、検出抵抗のために常に電流を消費することになり電力変換効率が低下してしまう大きな欠点がある。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、外部回路や出力電流を検出するための抵抗などを用いることなく、低損失で、スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの動作を切り替えることができる電源制御切替回路及び電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の電源装置は、入力端子と出力端子を共有し、一端が前記入力端子に接続されたスイッチングトランジスタを有するスイッチングレギュレータと、一端が前記入力端子に接続された制御トランジスタを有するシリーズレギュレータとの並列構成からなる電源装置であって、一端が前記入力端子を介して前記スイッチングトランジスタ及び前記制御トランジスタに接続された電流検出用トランジスタと、前記制御トランジスタをオフ状態として前記スイッチングトランジスタをオンオフし、前記電流検出用トランジスタの制御端子が前記スイッチングトランジスタのオン時の制御端子と同電位に設定される第１の状態と、前記制御トランジスタを能動状態として前記スイッチングトランジスタをオフ状態とし、前記電流検出用トランジスタの制御端子が前記制御トランジスタの制御端子と同電位に設定される第２の状態とを、前記電流検出用トランジスタに流れる電流によって切り替えるスイッチ回路とを備える構成を採る。
【００１６】
また、本発明の電源制御切替回路は、入力端子と出力端子を共有し、一端が前記入力端子に接続されたスイッチングトランジスタを有するスイッチングレギュレータと、一端が前記入力端子に接続された制御トランジスタを有するシリーズレギュレータとが並列構成され、並列構成された前記スイッチングレギュレータと前記シリーズレギュレータの動作を切り替える電源制御切替回路であって、一端が前記入力端子を介して前記スイッチングトランジスタ及び前記制御トランジスタに接続された電流検出用トランジスタと、前記制御トランジスタをオフ状態として前記スイッチングトランジスタをオンオフし、前記電流検出用トランジスタの制御端子が前記スイッチングトランジスタのオン時の制御端子と同電位に設定される第１の状態と、前記制御トランジスタを能動状態として前記スイッチングトランジスタをオフ状態とし、前記電流検出用トランジスタの制御端子が前記制御トランジスタの制御端子と同電位に設定される第２の状態とを、前記電流検出用トランジスタに流れる電流によって切り替えるスイッチ回路とを備える構成を採る。
【００１７】
前記電流検出用トランジスタの他端が前記スイッチングトランジスタの他端と同電位となるように、前記電流検出用トランジスタの他端に接続された可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路に流れる電流を検出する電流検出回路を備え、前記スイッチ回路は、前記電流検出回路の出力によって前記第１の状態と前記第２の状態を切り替える構成とすることがより好ましい。
【００１８】
前記可変インピーダンス回路は、一端が前記電流検出用トランジスタの他端に接続され、他端が前記可変インピーダンス回路の出力とするトランジスタと、反転入力端子が前記電流検出用トランジスタの他端に接続され、非反転入力端子が前記スイッチングトランジスタの他端に接続され、出力端子を前記トランジスタの制御端子に接続された演算増幅器とを備える構成であってもよい。
【００１９】
前記電流検出回路は、前記可変インピーダンス回路から出力される電流が流れる抵抗と、該抵抗の電圧降下を基準電圧と比較する比較器とを有する構成としてもよい。また、抵抗の検出電圧がローパスフィルタを介して前記比較器に入力される構成としてもよい。
【００２０】
より好ましい具体的な態様として、前記電流検出用トランジスタは、前記スイッチングトランジスタ及び／又は前記制御トランジスタとミラー構成で作製される。また、前記電流検出用トランジスタは、前記スイッチングトランジスタ及び前記制御トランジスタと同一プロセスで構成される。
【００２１】
以上の構成により、スイッチングレギュレータのスイッチングトランジスタとシリーズレギュレータの制御トランジスタに流れる電流を一つの電流検出用トランジスタで低損失に検出できるとともに、該検出電流によってどちらの電流を検出するか、どちらのレギュレータを動作させるかを切り替えることができる。
【００２２】
また、本発明に係る電源装置は、前記電源制御切替回路と、前記電流検出回路の出力によって前記スイッチングトランジスタ又は前記制御トランジスタに流れる電流を制限する過電流保護回路を備える構成であってもよい。
【００２３】
また、本発明に係る電源装置は、抵抗と基準電圧のいずれか又は両方を複数個有し、前記スイッチ回路の切替レベルと前記過電流保護回路の過電流検出レベルが別個に設定される前記電源制御切替回路を有する構成としてもよい。
【００２４】
以上のような構成により、スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの切り替えレベルと、両者の過電流保護動作のレベルを一つの電流検出用トランジスタで低損失に検出できる。
【００２５】
また、前記スイッチングレギュレータは、前記電流検出用トランジスタに流れる電流を制御することによって、出力を制御することを特徴とする前記電源制御切替回路を有する構成としてもよい。このような構成により、前記スイッチングレギュレータと前記シリーズレギュレータの切り替えレベルの検出と、前記スイッチングレギュレータのカレントモード制御のための電流検出が、一つの電流検出用トランジスタによって低損失で可能になる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、入力端子と出力端子を共有する、スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータが並列接続された電源装置において、スイッチングレギュレータのスイッチングトランジスタとシリーズレギュレータの制御トランジスタに流れる電流を一つの電流検出用トランジスタで低損失に検出できるとともに、該検出電流によってどちらの電流を検出するか、どちらのレギュレータを動作させるかを切り替えることができる。その結果、負荷状態に応じた最適な電源回路を動作させることができ、信号端子が不要で外部回路に依存することなく、高い電力変換効率の電源システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電源制御切替回路及びそれを用いた電源装置の構成を示す回路図である。本実施の形態は、降圧型スイッチングレギュレータに適用した例である。
【００２９】
図１において、電源装置１００は、フィードバック抵抗１０１，１０２、降圧型スイッチングレギュレータ１０３、シリーズレギュレータ１０４、及びスイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４とを切り替える電源制御切替回路１０５を備えて構成される。
【００３０】
Ｖｄｄは直流電源入力端子を示しており、ＯＵＴは一定の直流電圧を出力する出力端子である。直流電源入力端子Ｖｄｄと出力端子ＯＵＴとの間には、シリーズレギュレータ１０４及び降圧型スイッチングレギュレータ１０３の並列回路が設けられている。
【００３１】
フィードバック抵抗１０１，１０２は、出力電圧を抵抗分割してシリーズレギュレータ１０４及び降圧型スイッチングレギュレータ１０３へフィードバックする。
【００３２】
降圧型スイッチングレギュレータ１０３は、エラーアンプ，発振器，ＰＷＭコンパレータ及びドライバからなるレギュレータブロック１２０、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴからなるローサイドスイッチ１３０、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴからなるハイサイドスイッチ１３１、インダクタ１１１と出力電圧を供給する出力コンデンサ１１２を備えて構成される。ハイサイドスイッチ１３１は、一端が入力端子Ｖｄｄに接続されたスイッチングトランジスタである。ローサイドスイッチ１３０とハイサイドスイッチ１３１とインダクタ１１１の接続点をＬＸ端子と呼ぶ。レギュレータブロック１２０は、前記図５のレギュレータブロック２０と同一構成であり同様の機能を持つ。
【００３３】
シリーズレギュレータ１０４は、アンプ１４１、及びＰチャンネルＭＯＳＦＥＴからなる制御トランジスタ１４２を備える。
【００３４】
上記降圧型スイッチングレギュレータ１０３のレギュレータブロック１２０及びシリーズレギュレータ１０４のアンプ１４１は、イネーブル端子ＥＮ３，ＥＮ４をそれぞれ備え、電源制御切替回路１０５からのイネーブル信号により降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４のいずれか一方が動作状態となる。
【００３５】
このように電源装置１００は、入力端子Ｖｄｄと出力端子ＯＵＴを共有し、一端が入力端子Ｖｄｄに接続されたハイサイドスイッチ１３１（スイッチングトランジスタ）を有する降圧型スイッチングレギュレータ１０３と、一端が入力端子Ｖｄｄに接続された制御トランジスタ１４２を有するシリーズレギュレータ１０４との並列構成からなる。
【００３６】
電源制御切替回路１０５は、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴからなる電流検出用トランジスタ１５１と、スイッチ回路１５２と、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴからなるインピーダンス素子１５３及び演算増幅器１５４からなる可変インピーダンス回路１５５と、抵抗１５６と、フィルタ１５７と、比較器１５８と、インバータ１５９とを備えて構成される。
【００３７】
電流検出用トランジスタ１５１は、降圧型スイッチングレギュレータ１０３のハイサイドスイッチ１３１とシリーズレギュレータ１０４の制御トランジスタ１４２と共にミラー構成をとる。すなわち、いずれもＰチャンネルＭＯＳＦＥＴからなる電流検出用トランジスタ１５１、ハイサイドスイッチ１３１及び制御トランジスタ１４２は、同一プロセスによる同一チップ上にソースを共通にして形成されたミラー構成をとり、そのサイズは１：Ｎ：Ｎ（Ｎは任意の自然数）である。上記電流検出用トランジスタ１５１、ハイサイドスイッチ１３１及び制御トランジスタ１４２の一端（ソース端子）は、直流電源入力端子Ｖｄｄに接続される。上記トランジスタサイズは、任意であり等倍でも構わないが、電流検出用トランジスタ１５１は、その設置目的が降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４とを切り替えるための電流検出にある。したがって、消費電流低減の観点から、電流検出が可能な範囲においてサイズはできるだけ小さいことが好ましい。本実施の形態では、電流検出用トランジスタ１５１は、ハイサイドスイッチ１３１及び制御トランジスタ１４２に対して例えば１：２０程度に作製される。
【００３８】
スイッチ回路１５２は、電流検出用トランジスタ１５１のゲート端子を接地もしくは制御トランジスタ１４２のゲート端子に接続する。
【００３９】
可変インピーダンス回路１５５は、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴからなるインピーダンス素子１５３と演算増幅器１５４とから構成される。インピーダンス素子１５３のソース端子は、電流検出用トランジスタ１５１のドレイン端子に接続される。演算増幅器１５４の出力端子は、インピーダンス素子１５３のゲート端子に接続され、反転入力端子はインピーダンス素子１５３のソース端子に接続され、非反転入力端子はＬＸ端子に接続される。
【００４０】
抵抗１５６は、電流検出用トランジスタ１５１及びインピーダンス素子１５３を流れる電流を検出する。フィルタ１５７は、ローパスフィルタからなり比較器１５８に出力する信号を直流化する。
【００４１】
比較器１５８は、抵抗１５６の電圧を基準電圧１と比較し、その出力がスイッチ回路１５２を駆動するとともに、降圧型スイッチングレギュレータ１０３のイネーブル端子ＥＮ３へ印加される。また、比較器１５８の出力はインバータ１５９により反転され、反転信号がシリーズレギュレータ１０４のイネーブル端子ＥＮ４に印加される。
【００４２】
以下、上述のように構成された電源制御切替回路１０５を備える電源装置１００の動作について説明する。まず、電源装置１００の基本動作について説明する。
【００４３】
電源装置１００は、一端が入力端子Ｖｄｄに接続されたハイサイドスイッチ１３１を有する降圧型スイッチングレギュレータ１０３と、一端が入力端子Ｖｄｄに接続された制御トランジスタ１４２を有するシリーズレギュレータ１０４とが並列構成されている。電源制御切替回路１０５は、電流検出用トランジスタ１５１に流れる電流によって、降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４のいずれか一方が動作するように切り替える。電流検出用トランジスタ１５１は、以下に述べる第１の状態と第２の状態となるように、ハイサイドスイッチ１３１と制御トランジスタ１４２の動作状態を切り替える。
【００４４】
第１の状態は、制御トランジスタ１４２をオフ状態としてハイサイドスイッチ１３１（スイッチングトランジスタ）をオン・オフし、電流検出用トランジスタ１５１の制御端子がハイサイドスイッチ１３１のオン時の制御端子と同電位に設定される状態である。第２の状態は、制御トランジスタ１４２を能動状態としてハイサイドスイッチ１３１をオフ状態とし、電流検出用トランジスタ１５１の制御端子が制御トランジスタ１４２の制御端子と同電位に設定される状態である。電源制御切替回路１０５は、電流検出用トランジスタ１５１に流れる電流によって第１の状態と第２の状態とを切り替えることによって、降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４のいずれか一方が動作するように切り替える。
【００４５】
次に、電源制御切替回路１０５及びそれを用いた電源装置１００の動作を具体的に説明する。
【００４６】
図２は、電源装置１００の動作波形図である。
【００４７】
まず、シリーズレギュレータ１０４は、イネーブル端子ＥＮ４がＨレベルの時に動作し、Ｌレベルの時には制御トランジスタ１４２がオフ状態となって動作を停止する。動作時においては、フィードバック抵抗１０１及び１０２からのフィードバック信号を受けて出力端子ＯＵＴからの出力電圧が所定の安定な直流電圧となるように制御トランジスタ１４２のインピーダンスが制御される。一方、降圧型スイッチングレギュレータ１０３は、イネーブル端子ＥＮ３がＨレベルの時に動作し、Ｌレベルの時にはハイサイドスイッチ１３１がオフ状態となって動作を停止する。動作時においては、ハイサイドスイッチ１３１とローサイドスイッチ１３０が交互にオン・オフを繰り返すことによって、インダクタ１１１は磁気エネルギーの蓄積と放出を繰り返し、その際に発生する交流電圧が整流平滑されて、出力電圧として供給される。出力電圧は、ハイサイドスイッチ１３１の一スイッチング周期におけるオン時間の割合によって調整される。フィードバック抵抗１０１及び１０２からのフィードバック信号を受けて、出力端子ＯＵＴからの出力電圧が所定の安定な直流電圧となるように、ハイサイドスイッチ１３１のオン時間が制御される。
【００４８】
いま、電源制御切替回路１０５において、出力端子ＯＵＴから供給する電流が重負荷であるとき、降圧型スイッチングレギュレータ１０３が動作するように設定する。スイッチ回路１５２は電流検出用トランジスタ１５１のゲート端子を接地電位に接続し、電源制御切替回路１０５は降圧型スイッチングレギュレータ１０３の出力電流検出回路となる。電流検出用トランジスタ１５１のソース、ドレイン、及びゲートの各端子電位は、オン状態におけるハイサイドスイッチ１３１と同電位となり、それぞれのドレイン電流はサイズに比例する。すなわち、電流検出用トランジスタ１５１に流れる電流はハイサイドスイッチ１３１に流れる電流の１／Ｎであり、これを抵抗１５６で検出し、検出電圧をフィルタ１５７を介して比較器１５８に入力する（図２参照）。比較器１５８では、検出電圧を基準電圧１と比較することによって、降圧型スイッチングレギュレータ１０３の出力電流を所定値と比較できる。重負荷時には流れる電流が大きいため、発生する電圧も高く、比較器１５８はハイサイドスイッチ１３１のオン時にＨレベルを出力する。比較器１５８の出力がＨレベルであれば、イネーブル端子ＥＮ３にＨレベルの信号を受ける降圧型スイッチングレギュレータ１０３は動作し、インバータ１５９を介してイネーブル端子ＥＮ４にＬレベルの信号を受けるシリーズレギュレータ１０４は停止する。
【００４９】
また、電源制御切替回路１０５において、出力端子ＯＵＴから供給する電流が軽負荷になると、電流検出用トランジスタ１５１に流れていた電流が減少していくため、抵抗１５６に発生する電圧も低下する。この検出電圧が基準電圧よりも低下すると、フィルタ１５７を介して比較器１５８に入力され、比較器１５８から出力される出力信号もＬレベルとなる（図２参照）。比較器１５８の出力がＬレベルであれば、イネーブル端子ＥＮ３にＬレベルの信号を受ける降圧型スイッチングレギュレータ１０３は停止し、インバータ１５９を介してイネーブル端子ＥＮ４にＨレベルの信号を受けるシリーズレギュレータ１０４は動作する。同時に、電流検出用トランジスタ１５１のゲート端子は、シリーズレギュレータ１０４の制御トランジスタのゲート端子に接続される。降圧型スイッチングレギュレータ１０３は停止しているので、インダクタ１１１には電流は流れない。このため、ＬＸ端子電位は出力端子ＯＵＴと同電位となるので、電流検出用トランジスタ１５１のソース、ドレイン、及びゲートの各端子電位は、シリーズレギュレータ１０４の制御トランジスタ１４２と同電位となり、それぞれのドレイン電流はサイズに比例する。すなわち、電流検出用トランジスタ１５１に流れる電流は制御トランジスタ１４２に流れる電流の１／Ｎであり、これを抵抗１５６で検出し、検出電圧を基準電圧１と比較器１５８で比較することによって、シリーズレギュレータ１０４の出力電流を所定値と比較できる。
【００５０】
このように、降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４が並列接続された電源装置１００において、降圧型スイッチングレギュレータ１０３のハイサイドスイッチ１３１（スイッチングトランジスタ）とシリーズレギュレータ１０４の制御トランジスタ１４２に流れる電流を一つの電流検出用トランジスタ１５１で低損失に検出できるとともに、該検出電流によってどちらの電流を検出するか、どちらのレギュレータを動作させるかを切り替えることができる。例えば、降圧型スイッチングレギュレータ１０３の動作時はハイサイドスイッチ１３１に流れる。図２の動作波形図では、破線（基準電圧１）を境にして負荷が重い時は降圧型スイッチングレギュレータ１０３の動作に、また負荷が軽い時はシリーズレギュレータ１０４の動作に切り替わる。
【００５１】
以上のように、本実施の形態によれば、電源装置１００は、並列接続された降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４と、降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４の動作を切り替える電源制御切替回路１０５とを備え、電源制御切替回路１０５は、一端が入力端子Ｖｄｄを介して降圧型スイッチングレギュレータ１０３のハイサイドスイッチ１３１及びシリーズレギュレータ１０４の制御トランジスタ１４２に接続された電流検出用トランジスタ１５１と、制御トランジスタ１４２をオフ状態としてハイサイドスイッチ１３１をオンオフし、電流検出用トランジスタ１５１の制御端子がハイサイドスイッチ１３１のオン時の制御端子と同電位に設定される第１の状態と、制御トランジスタ１４２を能動状態としてハイサイドスイッチ１３１をオフ状態とし、電流検出用トランジスタ１５１の制御端子が制御トランジスタ１４２の制御端子と同電位に設定される第２の状態とを、電流検出用トランジスタ１５１に流れる電流によって切り替えるスイッチ回路１５２とを備えて構成したので、降圧型スイッチングレギュレータ１０３のハイサイドスイッチ１３１とシリーズレギュレータ１０４の制御トランジスタ１４２に流れる電流を一つの電流検出用トランジスタ１５１で低損失に検出できるとともに、該検出電流によってどちらの電流を検出するか、どちらのレギュレータを動作させるかを切り替えることができる。
【００５２】
特に、ＣＰＵなどの外部回路やそのための信号端子が不要であるため電源システムが小規模で、かつ外部回路に依存しないことから自由度及び汎用性が高い電源システムとなる。また、出力端子側に、出力電流を検出するための抵抗などを用いていないので、極めて低損失で精度良く降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４の動作を切り替えることができる。
【００５３】
また、本実施の形態では、電流検出用トランジスタ１５１は、ハイサイドスイッチ１３１及び制御トランジスタ１４２と１：Ｎ：Ｎのサイズ比で作製されている。したがって、降圧型スイッチングレギュレータ１０３の動作時はハイサイドスイッチ１３１に流れる電流の１／Ｎを検出して、基準電圧より高い時は降圧型スイッチングレギュレータ１０３に、低い時はシリーズレギュレータ１０４に切り替える。シリーズギュレータ１０４の動作時は制御トランジスタの電流の１／Ｎを検出して、基準電圧より低い時はシリーズレギュレータ１０４、高い時は降圧型スイッチングレギュレータ１０３に切り替える。さらに、過電流保護回路を動作させるための電流検出手段としての併用や、カレントモード制御の降圧型スイッチングレギュレータ１０３の電流検出手段としての併用も行っている。これらにより、負荷状態に応じた最適な電源回路を動作させることにより、極めて高い電力変換効率の電源装置を実現することができる。
【００５４】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る電源制御切替回路及びそれを用いた電源装置の構成を示す回路図である。図１と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００５５】
図３において、電源装置２００は、フィードバック抵抗１０１，１０２、降圧型スイッチングレギュレータ１０３、シリーズレギュレータ１０４、及び降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４とを切り替える電源制御切替回路２０５を備えて構成される。
【００５６】
電源制御切替回路２０５は、図１の電源制御切替回路１０５にさらに、抵抗１５６の電圧を基準電圧２と比較する比較器２１１と、比較器２１１の出力を一定期間オンに保つためのタイマ２１２が付加されている。比較器２１１は、異常負荷検出用であり、応答性確保のためローパスフィルタを通さない。
【００５７】
以下、上述のように構成された電源制御切替回路２０５及びそれを用いた電源装置２００の動作について説明する。
【００５８】
軽負荷時にシリーズレギュレータ１０４が動作し、重負荷時に降圧型スイッチングレギュレータ１０３が動作する切替動作は、図１の電源装置１００と同様である。異なるのは過電流保護動作である。
【００５９】
電源装置２００の過電流保護動作について説明する。
【００６０】
比較器２１１に入力される基準電圧２は、比較器１５８に入力される基準電圧１よりも高い電圧に設定する。また、基準電圧２の設定電圧は過電流値によって設定され、その電圧値は抵抗１５６と最大負荷電流時のコイルピーク電流によって設定される。マージンを持つ必要があればその電圧値に持たせる。
【００６１】
これにより異常負荷時には、比較器２１１とタイマ２１２は過電流保護回路として動作し、異常負荷時には比較器２１１の出力はＬとなりこれがタイマ２１２の設定時間維持されることによってシリーズレギュレータ１０４及び降圧型スイッチングレギュレータ１０３に異常負荷状態を通知し、少なくともシリーズレギュレータ１０４の動作を停止する。ここで、シリーズレギュレータ１０４の動作停止に連動して降圧型スイッチングレギュレータ１０３の動作を停止する態様も可能である。
【００６２】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、降圧型スイッチングレギュレータ１０３のハイサイドスイッチ１３１とシリーズレギュレータ１０４の制御トランジスタ１４２に流れる電流を一つの電流検出用トランジスタ１５１で低損失に検出できるとともに、該検出電流によってどちらの電流を検出するか、どちらのレギュレータを動作させるかを切り替えることができる。この効果に加えて、比較器２１１及びタイマ２１２からなる過電流保護回路によって過電流保護動作が可能になり、過電流から電源装置２００のレギュレータを保護することができる。
【００６３】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る電源制御切替回路及びそれを用いた電源装置の構成を示す回路図である。図３と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００６４】
図４において、電源装置３００は、フィードバック抵抗１０１，１０２、降圧型スイッチングレギュレータ１０３、シリーズレギュレータ１０４、及び降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４とを切り替える電源制御切替回路３０５を備えて構成される。
【００６５】
電源制御切替回路３０５は、一つの基準電圧１により電流検出用トランジスタ１５１の電流と過電流とを検出するため、図３の電源制御切替回路２０５の抵抗１５６に代えて、抵抗３１１と抵抗３１２を直列に接続し、抵抗３１１の電圧と、抵抗３１１と抵抗３１２の分圧をそれぞれ比較器１５８，２１１に入力する。
【００６６】
以下、上述のように構成された電源制御切替回路３０５及びそれを用いた電源装置３００の動作について説明する。
【００６７】
軽負荷時にシリーズレギュレータ１０４が動作し重負荷時に降圧型スイッチングレギュレータ１０３が動作する切替動作は、実施の形態１と同様である。異なるのは過電流保護動作である。
【００６８】
電源装置３００の過電流保護動作について説明する。
【００６９】
抵抗３１２と抵抗３１１の総和の抵抗値で発生する電圧と基準電圧１によって比較器１５８が動作し、降圧型スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４が切り替わる。基準電圧１は過電流値と抵抗によって発生する電圧によって決定されている。同じ電流値でも抵抗３１２のみによって発生する電圧は基準電圧１より低い。そのため、重負荷時は比較器２１１は動作しない。負荷がさらに重くなり、過電流値になると抵抗３１２に発生する電圧が基準電圧１よりも高くなる。すると比較器２１１により発生し及びタイマ２１２から出力されるＤＩＳＥＮ信号によってシリーズレギュレータ１０４及び降圧型スイッチングレギュレータ１０３をオフする。なお、実施の形態２と同様にシリーズレギュレータ１０４のみをオフ、又はシリーズレギュレータ１０４の動作停止に連動して降圧型スイッチングレギュレータ１０３を遅らせてオフすることも可能である。
【００７０】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様の効果、すなわち降圧型スイッチングレギュレータ１０３のハイサイドスイッチ１３１とシリーズレギュレータ１０４の制御トランジスタ１４２に流れる電流を一つの電流検出用トランジスタ１５１で低損失に検出できるとともに、該検出電流によってどちらの電流を検出するか、どちらのレギュレータを動作させるかを切り替えることができることに加えて、さらに実施の形態２と同様に、一つの電流検出用トランジスタ１５１で過電流保護動作を併用することができる。
【００７１】
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【００７２】
例えば、上記各実施の形態では、電流検出用トランジスタ１５１と制御トランジスタ１４２とハイサイドスイッチ１３１のサイズは１：Ｎ：Ｎに設定されているものとして説明してきたが、本発明はこのサイズ比に限定されるものではない。制御トランジスタ１４２とハイサイドスイッチ１３１のサイズはほぼ同じか、制御トランジスタ１４２の方が大きければよい。例えば、電流検出用トランジスタ１５１と制御トランジスタ１４２とハイサイドスイッチ１３１のサイズが１：Ｍ：Ｎに設定されているものとし、電源装置の出力電流をＩｏとする。この場合、制御トランジスタ１４２の検出電流は、Ｉｏ／Ｍ となる。一方、ハイサイドスイッチ１３１の検出電流は、（Ｉｏ＋Ｉｄ）／Ｎ  となる。ここでＩｄはインダクタ１１１のインダクタンスの励磁電流分である。したかって、制御トランジスタ１４２とハイサイドスイッチ１３１のサイズはほぼ同じ（Ｍ≒Ｎ）か、制御トランジスタ１４２の方が大きい（Ｍ＞Ｎ）と、動作切替閾値にヒステリシスがつき、シリーズレギュレータ１０４と降圧型スイッチングレギュレータ１０３との動作切替がスムーズになる。
【００７３】
また、電流検出用トランジスタを含む各トランジスタの種類、極性は上記各実施の形態のものに限定されるものではない。例えば、電流検出用トランジスタ１５１、ハイサイドスイッチ１３１及び制御トランジスタ１４２を、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成（但し回路構成は異なる）することも可能である。
【００７４】
また、上記各実施の形態は、電源装置に適用した例であるが、降圧型スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータが並列接続された回路であれば、どのような回路構成であってもよい。また、上述した電源制御切替回路を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ、及び電源回路であってもよい。
【００７５】
また、上記各実施の形態では電源制御切替回路及び電源装置という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、レギュレータ、スイッチングレギュレータ、電源制御装置等であってもよいことは勿論である。
【００７６】
さらに、上記電源制御切替回路及び電源装置を構成する各回路部、例えばスイッチ素子，比較器，アンプ等の種類、数及び接続方法などは前述した実施の形態に限られない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明に係る電源制御切替回路及び電源装置は、消費電流が大きく変動する電子機器の電源装置に有用である。また、携帯機器等の電子機器用電源回路、携帯機器以外の電子機器における電源装置にも広く適用され得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電源制御切替回路及び電源装置の回路構成図
【図２】上記実施の形態１に係る電源制御切替回路及び電源装置の動作波形図
【図３】本発明の実施の形態２に係る電源制御切替回路及び電源装置の回路構成図
【図４】本発明の実施の形態３に係る電源制御切替回路及び電源装置の回路構成図
【図５】従来の降圧型スイッチングレギュレータの回路構成図
【図６】図５のスイッチングレギュレータの動作波形図
【図７】従来の電源装置を示す回路構成図
【図８】従来の別の電源装置を示す回路構成図
【符号の説明】
【００７９】
１００，２００，３００  電源装置
１０１，１０２  フィードバック抵抗
１０３  降圧型スイッチングレギュレータ
１０４  シリーズレギュレータ
１０５，２０５，３０５  電源制御切替回路
１２０  レギュレータブロック
１３０  ローサイドスイッチ
１３１  ハイサイドスイッチ（スイッチングトランジスタ）
１４１  アンプ
１４２  制御トランジスタ
１５１  電流検出用トランジスタ
１５２  スイッチ回路
１５３  インピーダンス素子
１５４  演算増幅器
１５５  可変インピーダンス回路
１５６，３１１，３１２  抵抗
１５７  フィルタ
１５８，２１１  比較器
１５９  インバータ
２１２  タイマ
【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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