(57)【要約】【課題】スイッチング電源装置の軽負荷時におけるノイズを抑制する。【解決手段】直流電源端子間に直列接続した第１および第２のスイッチング素子と、平滑用インダクタおよびコンデンサを有し、第１および第２のスイッチング素子の接続点に生じる断続波を平滑する平滑回路を備え、前記第１および第２のスイッチング素子をオンオフ駆動して前記平滑回路を介して負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、前記第１のスイッチング素子がオフであり、かつ前記平滑用インダクタに流れる電流が反転したとき、導通して前記接続点に前記直流電源の電圧を供給するノイズ抑制用スイッチング素子を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源端子間に直列接続した第１および第２のスイッチング素子と、
平滑用インダクタおよびコンデンサを有し、第１および第２のスイッチング素子の接続点に生じる断続波を平滑する平滑回路を備え、
前記第１および第２のスイッチング素子をオンオフ駆動して前記平滑回路を介して負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、
前記第１のスイッチング素子がオフであり、かつ前記平滑用インダクタに流れる電流が反転したとき、導通して前記接続点に前記直流電源の電圧を供給するノイズ抑制用スイッチング素子を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
直流電源端子間に直列接続した第１および第２のスイッチング素子と、
平滑用インダクタおよびコンデンサを有し、第１および第２のスイッチング素子の接続点に生じる断続波を平滑する平滑回路を備え、
前記第１および第２のスイッチング素子をオンオフ駆動して前記平滑回路を介して負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、
前記第１のスイッチング素子がオフであり、かつ前記平滑用インダクタに流れる電流が反転したとき導通して前記接続点に前記負荷の電圧を供給するノイズ抑制用スイッチング素子を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項３】
請求項１記載のスイッチング電源において、
第１および第２のスイッチング素子に供給する駆動信号および前記接続点の電圧を検出し、第１および第２のスイッチング素子に供給する駆動信号が０であり、かつ前記接続点の電圧が接地電位以上負荷電圧以下であるとき前記ノイズ抑制用スイッチング素子を駆動するノイズ抑制回路を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項４】
請求項１記載のスイッチング電源において、
ノイズ抑制用スイッチング素子は、第１のスイッチング素子で兼用することを特徴とする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、スイッチング電源装置に係り、特にノイズを低減することのできるスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、基本的なスイッチング電源装置を説明する図である。この装置では、制御信号ＳＰ１０５によって、外部電源１０１と出力点１０３間に接続したスイッチング素子１０９をオンオフ制御して、外部電源１０１の電圧を断続して出力点１０３に出力する。出力点１０３の電圧はインダクタ１０８，コンデンサ１１２からなる平滑回路で平滑されて負荷電圧ＶＬＯＡＤとして負荷１０２に供給される。
【０００３】
図６は、同期整流式のスイッチング電源装置の例を示す図である（特許文献１参照）。図７（ａ）は、図６に示すスイッチング電源装置の高負荷時における動作波形を示す図、図７（ｂ）は、軽負荷時における動作波形を示す図である。
【０００４】
図６において、１０９は電源１０１側（ハイサイド）に接続されたスイッチング素子、１１０は接地側（ローサイド）に接続されたスイッチング素子である。１０４は制御回路であり、直列接続されたハイサイドスイッチング素子１０９およびローサイドスイッチング素子１１０にそれぞれ制御信号ＳＰ１０５，ＳＮ１０６を供給して、ハイサイドスイッチング素子１０９およびローサイドスイッチング素子１１０をオンオフ駆動する。これにより、外部電源１０１から供給される電源電圧は直列接続点（出力点）１０３において断続する出力電圧ＶＯＵＴに変換されて、平滑インダクタ１０８および平滑用コンデンサ１１２で平滑化し負荷１０２に供給される。
【０００５】
ここで、制御回路１０４には、負荷１０２の電圧がフィードバックされ、フィードバック電圧ＦＢ１０７が設定値以上であるとき、ハイサイドスイッチング素子のオン期間の割合を低減し、設定値以下であるときオン期間の割合を増大させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２３９７７８号公報
【特許文献２】特開２００５−２６９７３６号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、図６に示すスイッチング電源において、負荷１０２が高負荷（インダクタ１０８に流れる電流が連続する）である場合、ハイサイドスイッチング素子１０９のオン期間が長くなり、平滑回路を構成するインダクタ１０８には、直列接続点１０３から負荷１０２の方向の電流が連続して流れる。
【０００８】
負荷が、軽負荷であれば、ハイサイドスイッチング素子１０９のオン期間が短縮されて外部電源１０１から供給される電流が減少する。このときローサイドスイッチング素子のオン期間をハイサイドスイッチング素子のオフ期間に合わせて延長すると、インダクタ１０８の電流が反転し、負荷１０２から接地１１３方向の電流が発生し、損失が発生する。
【０００９】
このため、インダクタ１０８に流れる電流の反転を検出しローサイドスイッチイング素子１１０をオフにすることが望ましい。
【００１０】
なお、インダクタ１０８の電流の反転は、例えば、直列接続点１０３の電圧が負から正に変わることで検出できる。
【００１１】
図８および図９は軽負荷時における電流の流れを説明する図である。
【００１２】
ローサイドスイッチ１１０がオンであり、図８に電流経路１２０で示すように、インダクタ１０８の電流１２０が直列接続点１０３から負荷１０２に向けて流れている間においては、直列接続点１０３の電圧は接地１１３に対して負となっている。このとき、直列接続点１０３の電圧は負荷電圧１０２に対して低いため電流は徐々に減少する。
【００１３】
軽負荷時における前記電流１２０は小さくハイサイドスイッチイング素子１０９がオンする前にインダクタ１０８の電流が０となるため、この時点でローサイドスイッチ１１０をオフとする。
【００１４】
このとき、直列接続点１０３の電位は接地１１３レベルであるため、負荷１０２と直列接続点１０３との間の電位差により電流が流れ、インダクタ１０８を介して直列接続点１０３にある寄生容量１２５を充電する。
【００１５】
このとき、ハイサイドスイッチ１０９およびローサイドスイッチ１１０は共にオフであるため、インダクタ１０８と寄生容量１２５からなるＬＣ共振回路が構成され、電流経路１２１に示すように充放電を繰り返す（振動する）。
【００１６】
図９は、直列接続点の電圧波形およびインダクタに流れる電流波形を示す図である。図９に示すようにインダクタ１０８の寄生抵抗あるいは回路のリーク等によって減衰振動波形となる。
【００１７】
なお、インダクタ１０８および寄生容量の定数によっては、スイッチング電源回路のスイッチング周波数よりも高い周波数の振動が発生する。この振動は直列接続点１０３から、前記寄生容量１２５あるいはインダクタ１０８の漏れ磁束を通じて他の回路に対してノイズを与える。スイッチング電源回路装置におけるノイズの低減技術は、主としてスイッチングノイズの低減に関心が向けられており（例えば特許文献２参照）、軽負荷時の電気振動に関しては関心が薄い。
【００１８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、軽負荷時におけるノイズを抑制することのできるスイッチング電源装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００２０】
直流電源端子間に直列接続した第１および第２のスイッチング素子と、平滑用インダクタおよびコンデンサを有し、第１および第２のスイッチング素子の接続点に生じる断続波を平滑する平滑回路を備え、前記第１および第２のスイッチング素子をオンオフ駆動して前記平滑回路を介して負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、前記第１のスイッチング素子がオフであり、かつ前記平滑用インダクタに流れる電流が反転したとき、導通して前記接続点に前記直流電源の電圧を供給するノイズ抑制用スイッチング素子を備えた。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、以上の構成を備えるため、スイッチング電源装置の特に軽負荷時におけるノイズを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態にかかるスイッチング電源装置を説明する図である。
【図２】スイッチング電源装置の軽負荷時における動作波形を示す図である。
【図３】ノイズ抑制回路の詳細を示す図である。
【図４】第２の実施形態を説明する図である。
【図５】基本的なスイッチング電源装置を説明する図である。
【図６】同期整流式のスイッチング電源装置の例を示す図である。
【図７】図６に示すスイッチング電源装置の動作波形を示す図である。
【図８】軽負荷時における電流の流れを説明する図である。
【図９】直列接続点の電圧波形およびインダクタに流れる電流波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（実施形態１）
図１は第１の実施形態にかかるスイッチング電源装置を説明する図である。図１において、１０９は電源１０１側（ハイサイド）に接続されたスイッチング素子、１１０は接地側（ローサイド）に接続されたスイッチング素子である。１０４は制御回路であり、直列接続されたハイサイドスイッチング素子１０９およびローサイドスイッチング素子１１０にそれぞれ制御信号ＳＰ１０５，ＳＮ１０６を供給して、ハイサイドスイッチング素子１０９およびローサイドスイッチング素子１１０をオンオフ駆動する。これにより、外部電源１０１から供給される電源電圧は直列接続点１０３において断続する出力電圧ＶＯＵＴに変換され、インダクタンス１０８，コンデンサ１１２からなる平滑回路で平滑された後、負荷１０２に供給される。
【００２４】
ここで、制御回路１０４には、負荷１０２の電圧がフィードバックされ、フィードバック電圧ＦＢ１０７が設定値以上であるとき、ハイサイドスイッチング素子のオン期間の割合を低減し、設定値以下であるときオン期間の割合を増大させる。これにより、負荷１０２の電圧は、フィードバック信号１０７を介して制御回路１０４により所定の電圧となるように制御される。
【００２５】
次に、軽負荷時における動作について説明する。図２は本実施形態にかかるスイッチング電源装置の軽負荷時における動作波形を示す図である。
【００２６】
前述したように、軽負荷時には、負荷に供給する電流が減少するため、ハイサイドスイッチイング素子１０９のオン期間あるいはオン期間の比率が減少する。このため、図２に示すようにインダクタ１０８を流れる電流が低下し、インダクタ１０８の電流が反転するまでの時間が短くなる。
【００２７】
前述したように、インダクタ１０８の電流が０になった時点における直列接続点１０３の電位は０Vであり、制御回路１０４は、直列接続点１０３の電位が０Ｖとなる時点を検出してローサイドスイッチイング素子１１０をオフ状態にする（このときハイサイドスイッチング素子はオフ状態である）。
【００２８】
これにより、インダクタ１０８の反転した電流が負荷１０２から接地１１３方向に流れることが抑制され、前記電流に伴う損失を抑制することができる。
【００２９】
しかし、ハイサイドスイッチング素子１０９およびローサイドスイッチング素子１１０が共にオフであると、直列接続点１０３の寄生容量を充電する電流がインダクタ１０８を通して流れる。この電流は前述のように振動電流であり、直列接続点１０３には振動電圧が現れる。
【００３０】
１３４はノイズ抑制回路であり、電源１０１と直列接続点１０３間に接続されたノイズ低減用スイッチング素子１３２をオンオフ制御することにより直列接続点１０３の電圧ＶＯＵＴが負荷１０２の電圧ＶＬＯＡＤになるように制御する
図３は、ノイズ抑制回路１３４の詳細を示す図である。図３において、ノイズ抑制回路１３４は、インダクタ１０８に流れる電流の反転を検出する電流反転検出回路、直列接続点１０３の電圧ＶＯＵＴと負荷１０２の電圧ＶＬＯＡＤを比較する電圧比較回路、および複数のゲートからなる。
【００３１】
軽負荷の条件であるハイサイドスイッチング素子１０９およびローサイドスイッチング素子１１０がオフしていることを制御信号ＳＰ１０５およびＳＮ１０６から読み取り、ノイズ低減用スイッチング素子のオン駆動を可能にする。
【００３２】
また、インダクタ１０８の電流が反転すると直列接続点１０３の電圧ＶＯＵＴは正電圧になる。
【００３３】
このため、前記条件となっている間（ハイサイドスイッチング素子１０９およびローサイドスイッチング素子１１０がオフしているとき）に、直列接続点１０３の電圧ＶＯＵＴが接地電位ＧＮＤ１１３から負荷電圧ＶＬＯＡＤの間である場合に、ノイズ抑制回路１３４は制御信号ＳＳ１３１をローレベルにして、ノイズ低減用スイッチング素子１３２をオンに駆動する。これにより、インダクタ１０８を流れる電流が減少しインダクタ１０８の逆電流を起因とする電気振動を低減すると共に収束までの時間を短縮することができる。
【００３４】
なお、ノイズ低減用スイッチング素子１３２を駆動する駆動信号をハイサイドスイッチング素子１０９に供給して、ノイズ低減用スイッチング素子１３２を省略することができる。
【００３５】
また、ハイサイドスイッチング素子１０９、ノイズ低減用スイッチング素子１３２およびローサイドスイッチング素子１１０のオンおよびオフのタイミングは外部電源１０１から接地１１３に対しての貫通電流が流れないように調整する必要がある。
【００３６】
（実施形態２）
図４は、スイッチング電源装置を集積回路装置に搭載した例を説明する図である。図４に示すようにスイッチング電源装置を集積回路装置１３３に搭載する。
【００３７】
また、図４に示すように直列接続点１０３は集積回路装置１３３の外部に配置したインダクタ１０８を介して集積回路装置１３３内の負荷１０２と接続する。このため、直列接続点１０３と負荷１０２間にノイズ低減用スイッチング素子１３２を容易に接続することができる。
【００３８】
このスイッチング電源装置においても、直列接続点１０３の電位が０Vのときにインダクタを流れる電流が０となることから、このときにノイズ低減用スイッチング素子１３２をオンにしてインダクタ１０８に流れる電流を低減することができる。
【００３９】
なお、この実施形態においては、ハイサイドスイッチング素子１０９およびローサイドスイッチング素子１０６がオフである場合において、ノイズ低減用スイッチング素子１３２をオンすればよい。
【００４０】
この回路においては、ノイズ低減スイッチング素子１３２がONとなった後に、インダクタ１０８に流れた電流はVOUT１０３の電圧を発振させる要因となり、ノイズ低減スイッチング素子１３２で消費され損失となる。この損失を最小限とするためには、インダクタ１０８を流れる電流が最小限となるようONタイミングを調整し、また、ノイズ低減スイッチング素子１３２のON抵抗値を下げるとよい。
【００４１】
以上、説明したように、本発明の実施形態によれば、軽負荷時において、直列接続点（スイッチング回路の出力点）１０３の電位が接地１１３より高く、且つ負荷１０２の電位よりも低い場合に、外部電源１０１の電位をノイズ低減用スイッチ１３２を介して供給し、直列接続点１０３の電位を負荷１０２の電位に調整する。これにより、直列接続点と接地間に形成される容量および平滑用のインダクタ１０８を介して行われる電気振動を抑制することができる。
【００４２】
このように、インダクタ１０８に流れる振動電流を減少させるため、インダクタ１０８に起因する振動の振幅を低減し、また振動の持続時間を短縮することができ、スイッチング電源回路装置の発生するノイズを低減することができる。  
【符号の説明】
【００４３】
１０１  外部電源
１０２  負荷
１０３  出力
１０４  制御回路
１０５  ハイサイドスイッチ制御信号
１０６  ローサイドスイッチ制御信号
１０７  負荷電圧検出信号
１０８  平滑用インダクタ
１０９  ハイサイドスイッチング素子（P型MOSトランジスタ）
１１０  ローサイドスイッチング素子（N型MOSトランジスタ）
１１１  ローサイド側整流ダイオード（または寄生ダイオード）
１１２  平滑用コンデンサ
１１３  接地
１３２  ノイズ低減用スイッチング素子（P型MOSまたはN型MOSトランジスタ）
１３３  集積回路装置
１３４  ノイズ抑制回路
１３５  インダクタ逆流検出回路
１３６  スイッチング回路の出力点および負荷の電圧検出回路
【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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