(57)【要約】【課題】低消費電力でありながら、高い安全性を有するＤＣＤＣコンバータを提供する。【解決手段】エラーアンプの出力電圧を監視し、エラーアンプの出力電圧が一定値以下になったことを検出して、過熱保護回路と電源電圧監視回路を間欠駆動する構成とした。【選択図】図１
2017200386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子に入力される電源電圧からスイッチング素子によって出力端子に所望の出力電圧を出力するＤＣＤＣコンバータであって、
前記出力電圧を監視するエラーアンプと、
前記エラーアンプの出力信号に基づき、前記スイッチング素子のゲートに制御信号を出力する出力制御回路と、
異常状態を検出すると前記出力制御回路に信号を出力し、前記スイッチング素子をオフさせる保護回路と、を備え、
前記保護回路は、前記エラーアンプの出力信号に基づいた信号に応じて、所定の期間のみ動作する間欠動作を行うことを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記所定の期間は、少なくとも前記スイッチング素子がオンしている期間であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記エラーアンプの出力信号に基づき前記保護回路を間欠動作させるための制御信号を出力するコンパレータを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記保護回路は、電源電圧が所定の電圧以下になると前記異常状態を検出する電源電圧監視回路であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＤＣＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記保護回路は、周囲温度が所定の温度以上になると前記異常状態を検出する過熱保護回路であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＤＣＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣＤＣコンバータに関し、特に軽負荷時において消費電流を削減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電池を搭載する電子機器においては、低消費電力化が進んでいる。特にスマートホン、携帯機器、ウェアラブル機器等においては、駆動時間をより長くするため、電子機器の低消費電力化は、より一層強く要求されるようになっている。そのためその電子機器に内蔵される半導体集積回路においても消費電力の削減要求が著しい。
【０００３】
一方、携帯機器等の人が直接扱う電子機器は、爆発や感電など人体に悪影響を及ぼさないような安全性が特に求められる。
例えば、電池駆動の電子機器に内蔵され、電池電圧で動作するＤＣＤＣコンバータは、半導体集積回路内のチップ温度が上昇し所定温度以上の温度に達した場合に動作を止める過熱保護回路や、電池電圧が著しく低下した場合に内部回路の誤動作を防ぐための電源電圧監視回路などを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２８５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＤＣＤＣコンバータに保護回路や監視回路を追加すると、その回路を動作させるための電力が必要となり、電子機器に求められる低消費電力化が阻害される。従って、従来のＤＣＤＣコンバータは、安全性を確保しながら、電力効率を向上させる事が困難である、という課題があった。
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、低消費電力でありながら、高い安全性を有するＤＣＤＣコンバータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従来の課題を解決するため、本発明のＤＣＤＣコンバータは以下のような構成とした。
入力端子に入力される電源電圧からスイッチング素子によって出力端子に所望の出力電圧を出力するＤＣＤＣコンバータであって、出力電圧を監視するエラーアンプと、エラーアンプの出力信号に基づきスイッチング素子のゲートに制御信号を出力する出力制御回路と、異常状態を検出すると出力制御回路に信号を出力し、スイッチング素子をオフさせる保護回路とを備え、保護回路は、エラーアンプの出力信号に基づいた信号に応じて所定の期間のみ動作する間欠動作を行う構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のＤＣＤＣコンバータは、所定の期間だけ過熱保護回路と電源電圧監視回路を間欠的に動作する構成としたので、特に軽負荷時の消費電流が削減でき、電力効率を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態のＤＣＤＣコンバータの一例を示した回路図である。
【図２】本実施形態のＤＣＤＣコンバータのコンパレータ２０の動作を示したタイミングチャートである。
【００１０】
（ａ）重負荷時の動作
（ｂ）軽負荷時の動作
【図３】本実施形態のＤＣＤＣコンバータの過熱保護回路の一例を示した回路図である。
【図４】本実施形態のＤＣＤＣコンバータの電源電圧監視回路の一例を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本実施形態のＤＣＤＣコンバータの一例を示した回路図である。ＤＣＤＣコンバータ１００は、入力端子１に入力された電源電圧Ｖｉｎを定電圧に変換し、出力端子７に出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する同期整流型ＤＣＤＣコンバータである。
【００１２】
本実施形態のＤＣＤＣコンバータ１００は、第１のスイッチング素子であるＰＭＯＳトランジスタ３と、第２のスイッチング素子であるＮＭＯＳトランジスタ４と、インダクタ５と、出力コンデンサ６と、エラーアンプ１０と、発振回路１１と、基準電圧回路１２及び２１と、コンパレータ１３及び２０と、出力制御回路１４と、バッファー回路１５及び１６と、分圧抵抗１７及び１８と、過熱保護回路２２と、電源電圧監視回路２３と、を備える。
【００１３】
分圧抵抗１７及び１８は、出力電圧Ｖｏｕｔに応じたフィードバック電圧ＶＦＢを出力する。基準電圧回路１２は、基準電圧Ｖｒｅｆ１を出力する。エラーアンプ１０は、フィードバック電圧ＶＦＢを基準電圧ＶＲＥＦ１と比較し、フィードバック電圧Ｖｆｂと基準電圧Ｖｒｅｆ１との差を増幅した電圧Ｖｅｒｒをコンパレータ１３及び２０に出力する。発振回路１１は、一定周期の三角波信号を出力する。コンパレータ１３は、発振回路１１の三角波信号とエラーアンプ１０の電圧Ｖｅｒｒを比較し、比較結果の信号を出力する。出力制御回路１４は、コンパレータ１３の出力信号を受けて、バッファー回路１５及び１６に制御信号を出力する。バッファー回路１５はＰＭＯＳトランジスタ３を制御し、またバッファー回路１６はＮＭＯＳトランジスタ４を制御する。
【００１４】
基準電圧回路２１は、基準電圧Ｖｒｅｆ２を出力する。コンパレータ２０は、エラーアンプ１０の電圧Ｖｅｒｒを基準電圧Ｖｒｅｆ２と比較して制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する。そして、エラーアンプ１０の電圧Ｖｅｒｒが基準電圧Ｖｒｅｆ２を越えると、過熱保護回路２２及び電源電圧監視回路２３に停止するように制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する。
【００１５】
過熱保護回路２２は、ＤＣＤＣコンバータの温度を監視し、ＤＣＤＣコンバータが発熱し、過熱状態であると判定されると出力制御回路１４に信号を出力する。過熱保護回路２２の信号を受けた出力制御回路１４は、バッファー回路１５を介してＰＭＯＳトランジスタ３をオフさせることにより、ＤＣＤＣコンバータを発熱による破壊から保護する。
【００１６】
電源電圧監視回路２３は、電源電圧を監視し、電源電圧が所定の電圧より低下したと判定すると、出力制御回路１４に信号を出力する。出力制御回路１４は、電源電圧監視回路２３から信号を受けると、バッファー回路１５を介してＰＭＯＳトランジスタ３をオフする。電源電圧監視回路２３は、このようにして、意図しないスイッチング動作によるＤＣＤＣコンバータの破壊を防ぐ。
【００１７】
次に、図２のタイミングチャートを元に、コンパレータ２０の動作を説明する。図２（ａ）は出力端子７に接続される負荷が重い重負荷の場合、図２（ｂ）は出力端子７に接続される負荷が軽い軽負荷の場合を示している。
【００１８】
重負荷のときは、出力端子７から出力する電流が増すため、出力電圧Ｖｏｕｔが低下、即ち、フィードバック電圧ＶＦＢが低下する。従って、エラーアンプ１０の電圧Ｖｅｒｒは高くなり、コンパレータ１３の出力はＨ期間の長い発振信号になる。従って、出力制御回路１４は、Ｌ期間の長い信号をＰＭＯＳトランジスタ３のゲートに、Ｈ期間の長い信号をＮＭＯＳトランジスタ４のゲートに出力する。
【００１９】
このとき図２（ａ）のように、エラーアンプ１０の電圧Ｖｅｒｒは、基準電圧回路２１の基準電圧Ｖｒｅｆ２を常に上回るので、コンパレータ２０は常にＨの制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する。このＨ信号を受け、過熱保護回路２２と電源電圧監視回路２３は温度及び電源電圧を常に監視する。
【００２０】
負荷が軽いときは、出力電圧Ｖｏｕｔが上昇、即ち、エラーアンプ１０の電圧Ｖｅｒｒが低下し、コンパレータ１３の出力はＬ期間の長い発振信号になる。従って、出力制御回路１４は、Ｈ期間の長い信号をＰＭＯＳトランジスタ３のゲートに、Ｌ期間の長い信号をＮＭＯＳトランジスタ４のゲートに出力する。
【００２１】
このとき図２（ｂ）のように、エラーアンプ１０の電圧Ｖｅｒｒは、基準電圧回路２１の基準電圧Ｖｒｅｆ２と同程度にまで低下しているので、その大小に応じてコンパレータ２０の制御信号ＶｃｏｎｔはＨレベルとＬレベルに変化する。この制御信号Ｖｃｏｎｔを受けて、過熱保護回路２２と電源電圧監視回路２３は温度及び電源電圧を間欠的に監視する。
【００２２】
以上説明したように、コンパレータ２０は、過熱保護回路２２及び電源電圧監視回路２３の動作を間欠的に制御するため、過熱保護回路２２及び電源電圧監視回路２３の消費電力を低減させることが出来る。
【００２３】
特に、過熱保護回路２２においては、軽負荷時には、ＮＭＯＳトランジスタ４に流れる電流による温度上昇によって素子が破壊する危険性はないため、過熱保護回路２２は停止状態にあっても良い。
【００２４】
過熱保護回路２２と電源電圧監視回路２３は一旦、過熱状態もしくは電源低下状態であると判断すると、過熱状態もしくは電源低下状態ではないと判断するまで検出動作を継続する。この動作により、過熱保護回路２２と電源電圧監視回路２３は、軽負荷時に間欠動作をしていてもＤＣＤＣコンバータを確実に保護することが出来る。
【００２５】
図３は、本発明の過熱保護回路の一例を示した回路図である。過熱保護回路２２は、感温素子３１と、基準電圧回路３２と、感温素子３１の電圧と基準電圧回路３２の出力電圧を比較することで温度検出を行うコンパレータ３３と、感温素子３１に電流を供給するバイアス回路３４と、コンパレータ２２に電流を供給するバイアス回路３５と、バイアス回路３４から感温素子３１への電流供給を制御するスイッチ３６と、バイアス回路３５からコンパレータ３３への電流供給を制御するスイッチ３７と、を備える。スイッチ３６は、感温素子３１とバイアス回路３４の間に設けられる。スイッチ３７は、コンパレータ３３とバイアス回路３５の間に設けられる。
【００２６】
コンパレータ２０のＨ信号がＩＮ端子に入力されると、スイッチ３６とスイッチ３７はオンになり、感温素子３１及びコンパレータ３３に電流が供給される。電流が供給され、感温素子３１の電圧及びコンパレータ３３が比較可能な状態に安定した後に、コンパレータ３３が基準電圧回路３２の出力電圧と感温素子３１の電圧を比較することで温度判定を行う。過熱状態であると判定される場合には、バイアス回路３４、３５は感温素子３１とコンパレータ３３に電流供給を続け、温度検出を継続する。過熱状態でないと判定される場合には、ＩＮ端子に入力される信号に従い、Ｌ信号になるとスイッチ３６及びスイッチ３７がオフとなり、感温素子３１とコンパレータ３３への電流供給が停止する。
【００２７】
図４は、本発明の電源電圧監視回路の一例を示した回路図である。電源電圧監視回路２３は、分圧抵抗４１、４２と、基準電圧回路４３と、出力信号をラッチするコンパレータ４４と、バイアス回路４５を備える。また電源電圧監視回路２３はバイアス回路４５からコンパレータ４４への電流供給を制御するスイッチ４６と、分圧抵抗４１、４２に流れる電流を遮断するスイッチ４７と、を備える。
スイッチ４６、４７がオフした状態では、分圧抵抗４１、４２からなる分圧抵抗回路の分圧電圧は電源電圧Ｖｉｎにプルアップされる。
【００２８】
コンパレータ２０が出力するＨ信号がＩＮ端子に入力されると、スイッチ４６とスイッチ４７はオンになり、分圧抵抗４１、４２及びコンパレータ４４に電流が供給される。コンパレータ４４は、分圧電圧と基準電圧回路４３の基準電圧を比較することで電源電圧Ｖｉｎを監視する。分圧電圧が基準電圧値以下の低電圧の場合には、コンパレータ４４はＬ信号をＯＵＴ端子から出力する。そして低電圧でないと判定されるまで、電源監視を継続する。分圧電圧が基準電圧値以上になると、コンパレータ４４はＨ信号をＯＵＴ端子から出力する。その際、スイッチ４６、４７が、コンパレータ２０からＩＮ端子に入力される信号を元に、オン・オフ動作を行う。コンパレータ４４は、スイッチ４６がオフのときには、オンのときの信号をラッチすることで間欠信号をＯＵＴ端子から出力する。電源電圧Ｖｉｎが低電圧かそうでないかを判断するための電源電圧監視回路２３における電圧は、基準電圧回路４３の基準電圧値と、分圧抵抗回路の分圧比で決められる。
【００２９】
以上の説明において電源電圧監視回路は、電源電圧Ｖｉｎを監視し、ＤＣＤＣコンバータの動作を停止することでＤＣＤＣコンバータを保護するとしたが、ＤＣＤＣコンバータの回路内の制御回路を駆動する内部電源を監視する監視回路に適用することも可能である。
【００３０】
また、出力電圧Ｖｏｕｔを監視し、過電圧状態であることを検出して、ＤＣＤＣコンバータの動作を停止するＯＶＰ（Ｏｖｅｒ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）回路に適用することも可能である。
【００３１】
さらに出力電圧Ｖｏｕｔが低下したことを検出して、ＤＣＤＣコンバータの動作を停止するＵＶＰ（Ｕｎｄｅｒ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）回路に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  エラーアンプ
１１  発振回路
１２、２１、３２、４３  基準電圧回路
１３、２０、３３、４４  コンパレータ
１４  出力制御回路
２２  過熱保護回路
２３  電源電圧監視回路
３１  感温素子
３４、３５、４５  バイアス回路
【図１】
2017200386.tif 000003
【図２】
2017200386.tif 000004
【図３】
2017200386.tif 000005
【図４】
2017200386.tif 000006