JP2007222000A - 過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】短絡に至る過電流の場合と、短絡には至らない過電流の場合を区別し、それぞれに最適な保護を行う過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータ、該スイッチングレギュレータを組み込んだ電子機器を提供すること。
【解決手段】Ｐｃｈドライバトランジスタ７００がＯＮの時動作し、発振出力Ｌｘのハイレベル時の電圧と第１の基準電圧ＬＭＴＲＥＦ１（過電流検出）および第１の基準電圧ＬＭＴＲＥＦ２（短絡検出）を比較する第１および第２のコンパレータ回路１００および３００と、第１および第２のコンパレータ回路１００および２００の出力を保持する第１および第２のラッチ回路２００および４００と、第１および第２のラッチ回路２００および４００の出力に基づいて、ＰＷＭコントローラ５００からのＰＷＭ信号８００をＰｃｈドライバトランジスタ７００のゲート電極に伝達するか否かを制御する出力制御回路６００からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力トランジスタを駆動するパルス信号のパルス幅を制御することにより出力電圧および出力電流を制御するスイッチングレギュレータ技術に係り、特に、短絡に至る過電流の場合と、短絡には至らない過電流の場合を区別し、それぞれに最適な保護を行う過電流保護回路を内蔵したスイッチングレギュレータ、ノイズなどによる一時的（瞬間的）な過電流に対しては発振周期単位で対応する過電流保護回路を内蔵したスイッチングレギュレータ、および該スイッチングレギュレータを組み込んだ携帯電話、ＰＨＳ、ＰＤＡやノートパソコンなどの各種携帯用電子機器に関する。

近年、携帯電話，ＰＨＳ(Personal Handyphone System)，ＰＤＡ(Personal Digital Assistants)，ノートパソコンなど様々な携帯用電子機器が普及している。これらの携帯用電子機器においては、内部回路を駆動するために様々な電源電圧を必要としており、これらの様々な電源電圧はバッテリー電圧を用いて電源回路で生成している。

これらの携帯用電子機器に対しては、小型軽量化および低コスト化が要望されている。そのため効率のよいスイッチングレギュレータを用いた電源回路が用いられ、これにより安定した様々な電源電圧を生成して、内部回路に安定した電源を供給している。

従来のスイッチングレギュレータの保護回路としては、例えば、(1)特開平９−１８２２７７号公報「スイッチングレギュレータ」、および、(2)特開平７−３２７３５５号公報「スイッチングレギュレータの保護回路」などがある。

図４は、特開平９−１８２２７７号公報に記載されたスイッチングレギュレータを説明するための図である。
同図において、１は制御部、Ｔｒ１は出力トランジスタ、Ｔｒ３はスイッチング素子、Ｌはコイルを示している。

図４の回路において、制御部１は、出力トランジスタＴｒ１を一定周波数の制御信号ＯＵＴでスイッチング駆動するとともに、出力端子Ｔoutから出力される出力電圧Ｔoutに基づいて制御信号ＯＵＴのデューティを調整して、該出力電圧Ｖoutを一定電圧に維持する。

制御部１は、出力電圧Ｖoutが所定の電圧以下となったとき、出力トランジスタＴｒ１をカットオフさせる短絡保護回路２を備えている。コイルＬと出力端子Ｔoutとの間には、制御信号ＯＵＴに基づいて出力トランジスタＴｒ１が動作するときにはオンしてダイオードとして動作し、短絡保護回路２の出力信号に基づいてコイルＬと出力端子Ｔoutとの接続を遮断するスイッチング素子Ｔr３が設けられている。

図５は、特開平７−３２７３５５号公報に記載されたスイッチングレギュレータを説明するための図である。
同図において、５はドライブトランジスタ６，ダイオード７，コイル８，コンデンサ９から構成されるスイッチングレギュレータ、１０はドライバトランジスタ６を駆動するための駆動回路、１１は出力トランジスタ１２〜１５，地絡検出回路１７および１８，天絡検出回路１９および２０からなるＢＴＬ（Balanced Transformerless）構成の出力増幅器、１６は電源電圧が高くなったことを検出する電圧検出回路、２１は入力増幅器、２２は出力増幅器１１と入力増幅器２１にバイアスを供給するバイアス回路、２３は駆動回路１０とバイアス回路２２を停止するための停止回路を示している。

図５の回路において、停止回路２３は、ＢＴＬ構成された出力トランジスタが地絡または天絡されたことを示す地絡検出回路１７，１８または天絡検出回路１９，２０の出力信号と電源電圧Ｖｃｃの過電圧／サージを検出したことを示す電圧検出回路１６の出力信号を入力し、駆動回路１０とバイアス回路に停止信号を出力する。

この構成により、出力増幅器１１を構成する出力トランジスタの地絡または天絡が検出された場合、バイアス回路の動作を停止して出力トランジスタ１２〜１５をオフにするとともにドライバトランジスタ６をオフにしてこれらのトランジスタを電源電圧Ｖｃｃの過電圧／サージによる破壊から保護するようにしている。

特開平９−１８２２７７号公報 特開平７−３２７３５５号公報

上述したように、特開平９−１８２２７７号公報に記載されたスイッチングレギュレータにおいて、出力トランジスタＴｒ１は、出力電圧Ｔoutが所定の電圧以下となったときにカットオフされ保護されるようになっている。しかし、出力電圧Ｔoutが、ノイズなどによって瞬間的（一時的）に所定の電圧以下になった場合であっても保護回路が動作してしまい、その後は、出力トランジスタＴｒ１が継続してオフにされてしまい復帰できないという問題点がある。

また、特開平７−３２７３５５号公報に記載された回路においては、出力トランジスタ１２〜１５が短絡し、過電流が流れた場合にスイッチングレギュレータ５のドライバトランジスタ６はオフされ保護される。しかしながら、このドライバトランジスタ６は、地絡までには至らないまでも、電流が瞬間的に流れる場合は壊れないが、電流が長時間流れると破壊に至る場合がある。

本発明の目的は、短絡に至る過電流の場合と、短絡には至らない過電流の場合を区別し、それぞれに最適な保護を行う過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータ、ノイズなどによる瞬間的な過電流に対しては発振周期単位で対応する過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータ、および該スイッチングレギュレータを組み込んだ携帯電話、ＰＨＳ、ＰＤＡやノートパソコンなどの各種携帯用電子機器を提供することである。

さらに具体的に述べると、
（１）請求項１〜３記載の発明は、短絡には至らない過電流の場合に、ドライバトランジスタをオフにして保護することが可能な過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを提供すること、短絡には至らないノイズなどの一時的（瞬間的、突発的）な過電流の場合に対処するためにドライバトランジスタを周期的に回復させることが可能な過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを提供することを目的としている。

（２）請求項４〜５記載の発明は、短絡に至る過電流の場合に、ドライバトランジスタをそれ以降継続的にオフにして保護する（システムダウン）ことが可能な過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを提供することを目的としている。

（３）請求項６〜７記載の発明は、請求項１〜５記載の過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを利用した応用機器を提案することを目的としている。

本発明は上記目的を達成するために、次の手段を有する。すなわち、
ａ）請求項記載の過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータは、第１の電極（ソース）を第１の電源電圧（Ｖｄｄ）に接続するとともに、第２の電極（ドレイン）を発振出力Ｌｘとするドライバトランジスタ（Ｐｃｈドライバトランジスタ７００）と、該ドライバトランジスタ（Ｐｃｈドライバトランジスタ７００）がＯＮの時のみ動作し、過電流によって変動する発振出力Ｌｘのハイレベル時の電圧と第１の基準電圧（ＬＭＴＲＥＦ１）を比較する第１のコンパレータ回路（１００）と、該第１のコンパレータ回路（１００）の出力が、前記発振出力Ｌｘのハイレベル時の電圧が前記第１の基準電圧（ＬＭＴＲＥＦ１）より小さいことを示す場合に、前記第１のコンパレータ回路の出力を保持する第１のラッチ回路（２００）と、該第１のラッチ回路（２００）の出力に基づいて、ＰＷＭコントローラ（５００）からの出力信号（８００）を前記ドライバトランジスタ（Ｐｃｈドライバトランジスタ７００）のオンオフを制御する制御電極に伝達するか否かを制御する出力制御回路（６００）を有することを特徴としている。

また、請求項２記載の過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータは、請求項１記載において、第１のラッチ回路（２００）を所定の周期でリセットするようにしたことを特徴としている。

また、請求項３記載の過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータは、請求項１または２において、第１の基準電圧が、発振出力Ｌｘのハイレベル時の電圧が過電流状態であることを示す目安となる電圧であることを特徴としている。

また、請求項４記載の過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータは、請求項１〜３の構成に加えて、第１の基準電圧（ＬＭＴＲＥＦ１）よりも低い第２の基準電圧（ＬＭＴＲＥＦ２）と発振出力Ｌｘを比較する第２のコンパレータ回路（３００）と、該第２のコンパレータ回路（３００）の出力が、発振出力Ｌｘのハイレベル時の電圧が第２の基準電圧（ＬＭＴＲＥＦ２）より小さいことを示す場合に、第２のコンパレータ回路（３００）の出力を保持する第２のラッチ回路（４００）と、該第２のラッチ回路（４００）の出力を出力制御回路（６００）に入力し、ＰＷＭコントローラ（５００）からの出力信号（８００）をドライバトランジスタ（Ｐｃｈドライバトランジスタ７００）のオンオフを制御する制御電極に伝達するか否かを制御することを特徴としている。

また、請求項５記載の過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータは、第２の基準電圧が、発振出力Ｌｘのハイレベル時の電圧が短絡状態であることを示す目安となる電圧であることを特徴としている。

また、請求項６記載の電子機器は、請求項１〜５記載のスイッチングレギュレータを内蔵する電子機器であり、請求項７記載の携帯用電子機器は、携帯電話、ＰＨＳ、ＰＤＡ、またはノートパソコンのいずれかであることを特徴としている。

本発明によれば、短絡に至る過電流の場合と、短絡には至らない過電流の場合を区別し、それぞれに最適な保護を行う過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータ、ノイズなどによる瞬間的な過電流に対しては発振周期単位で対応する過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータ、および該過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを内蔵した各種電子機器を実現することが可能になる。

具体的には、
（１）請求項１〜３記載の発明によれば、短絡には至らない過電流の場合に、ドライバトランジスタをオフにして保護することが可能な過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを提供すること、短絡には至らないノイズなどの一時的（瞬間的、突発的）な過電流の場合に対処するためにドライバトランジスタを周期的に回復させることが可能な過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを実現できる。

（２）請求項４〜５記載の発明によれば、短絡に至る過電流の場合に、ドライバトランジスタをそれ以降継続的にオフにして保護する（システムダウン）ことが可能な過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを実現できる。

（３）請求項６〜７記載の発明によれば、請求項１〜５記載の過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを利用し、ドライバトランジスタを保護することが可能な各種電子機器を実現できる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図１は、本実施例に係るスイッチングレギュレータの構成図である。
同図に示すように、本実施例に係るスイッチングレギュレータは、発振出力Ｌｘと定電圧ＬＭＴＲＥＦ１とを比較するコンパレータ１００、該コンパレータ１００の出力を保持するＳＲラッチ回路２００、また、前記定電圧ＬＭＴＲＥＦ１より低い電圧ＬＭＴＲＥＦ２と発振出力Ｌｘとを比較するコンパレータ３００、該コンパレータ３００の出力を保持するＳＲラッチ回路４００、ＰＷＭコントローラ５００、ＰＷＭコントローラ５００の出力８００の通過をＳＲラッチ回路２００またはＳＲラッチ回路４００のセット出力により抑止制御するための出力制御回路６００、該出力制御回路の出力によりオンオフが制御されるＰｃｈドライバトランジスタ７００で構成される。

出力制御回路６００は、例えば、ＳＲラッチ回路２００のセット出力とＳＲラッチ回路４００のセット出力の論理和を取り、その論理和とＰＷＭコントローラ５００の出力８００との論理積を取って出力する回路構成を有する。また、コンパレータ１００、３００は、Ｐｃｈドライバトランジスタ７００がオンのときにのみ動作するように構成されている。コイルＬおよび容量Ｃは、図示しない外付け回路をスイッチングレギュレータに接続するための接続用部品を示している。

図２および図３は、図１のスイッチングレギュレータの動作を説明するための、発振出力Ｌｘ，過電流，ＰＷＭコントローラ５００からの出力８００，ＰＷＭコントローラ５００からの出力９００のタイムチャートであり、図２はリミット動作１を、図３はリミット動作２を説明するためのタイムチャートを示している。

以下、図１〜３を用いて、本実施例に係るスイッチングレギュレータの動作を説明する。

（リミット動作１の説明）
通常動作時は、ＳＲラッチ２００はリセットされており、出力制御回路６００は、ＰＷＭコントローラ５００からの出力８００（パルス幅変調されたパルス列）を通過させてＰｃｈドライバトランジスタ７００のゲートに加え、スイッチングレギュレータを正常状態で動作させている。この正常状態で動作している期間を、図２中の（イ）で示している。

しかし、出力電圧Ｖｏｕｔに過電流が流れると（瞬間的であるか継続的であるかを問わない）、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルが電源電圧より低くなっていく。発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルと定電圧ＬＭＴＲＥＦ１とをコンパレータ１００で比較し、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルが定電圧ＬＭＴＲＥＦ１よりも低くなった場合（図２中の（ａ）のタイミング）、コンパレータ１００の出力によってＳＲラッチ２００がセットされる。

出力制御回路６００は、ＳＲラッチ２００のセット出力により、ＰＷＭコントローラ５００からの出力８００を通過させず、Ｐｃｈドライバトランジスタ７００をオフにし、発振出力Ｌｘを強制的に０レベルにする。このＳＲラッチ２００がセットされている期間を（ロ）で示している（リミット動作１の区間）。この構成により、出力電圧Ｖｏｕｔに過電流が流れた場合に、Ｐｃｈドライバトランジスタ７００を破壊せずに保護することができる。

その後、ＳＲラッチ２００は、発振周期Ｔ後に、ＰＷＭコントローラ５００で作成された信号９００によりリセットされる（図２の（ｂ））。このリセット後、出力制御回路６００は、ＰＷＭコントローラ５００からの出力８００を通過させてＰｃｈドライバトランジスタ７００のゲートに加え、これを再び通常動作させる。

従って、出力電圧Ｖｏｕｔに流れる過電流がノイズなどに起因する一時的（瞬間的）な過電流であれば、発振周期Ｔ以降は、通常のＰＷＭ動作に復帰し、装置障害などによる継続的な過電流であればＳＲラッチ回路２００はコンパレータ１００の出力により再度セットされＰｃｈドライバトランジスタ７００を保護する。

（リミット動作２の説明）
上記リミット動作１は、出力電圧Ｖｏｕｔに流れる過電流がノイズなどに起因する一時的な過電流の場合に、一時的にＳＲラッチ回路２００をセットしてＰｃｈドライバトランジスタ７００を保護するものであるが、本リミット動作２は、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルが前記定電圧ＬＭＴＲＥＦ１より低い定電圧ＬＭＴＲＥＦ２より低くなった場合（出力電圧Ｖｏｕｔが短絡（ショート）などの異常が発生した可能性が大きい）、コンパレータ３００の出力によりＳＲラッチ回路４００をセットして継続的にＰｃｈドライバトランジスタ７００をオフにして保護するようにしたものである。

さらに詳しく説明すると、図３のタイムチャートに示すように、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルと前述の定電圧ＬＭＴＲＥＦ１より低い定電圧ＬＭＴＲＥＦ２をコンパレータ３００で比較し、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルが定電圧ＬＭＴＲＥＦ２よりも低くなった場合、コンパレータ３００の出力によってＳＲラッチ４００がセットされる。

出力制御回路６００は、ＳＲラッチ４００のセット出力により、ＰＷＭコントローラ５００からの出力８００を通過させず、Ｐｃｈドライバトランジスタ７００をオフにし、発振出力Ｌｘを強制的に０レベルにする。このＳＲラッチ４００がセットされている期間（リミット動作２の区間）を図中（ハ）で示している。この構成により、出力電圧Ｖｏｕｔが短絡（ショート）などの異常によって過電流が流れた場合にはＰｃｈドライバトランジスタ７００を継続的にオフにして、Ｐｃｈドライバトランジスタ７００を破壊せずに保護することが可能になる。

なお、上記実施例では、リミット動作２を行うために、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルと定電圧ＬＭＴＲＥＦ２とをコンパレータ３００で比較し、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルが定電圧ＬＭＴＲＥＦ２よりも低くなった場合、コンパレータ３００の出力によってＳＲラッチ４００を即座にセットする例を示したが、別の例として、タイマーを設け、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルと定電圧ＬＭＴＲＥＦ１とをコンパレータ１００で比較し、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルが定電圧ＬＭＴＲＥＦ１よりも低くなった場合に、タイマーを起動し、所定時間経過した時点でＳＲラッチ回路をセットし、該ＳＲラッチ回路のセット出力により出力制御回路６００を抑止制御するようにしてもよい。

また、別の例として、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルと定電圧ＬＭＴＲＥＦ１と定電圧ＬＭＴＲＥＦ２を比較し、発振出力Ｌｘのオン期間のＨレベルが定電圧ＬＭＴＲＥＦ１と定電圧ＬＭＴＲＥＦ２の間になる回数をカウントし、所定の回数になった場合にＳＲラッチ回路をセットし、該ＳＲラッチ回路のセット出力により出力制御回路６００を抑止制御するようにしてもよい。

本発明は、携帯電話、ＰＨＳ、ＰＤＡ、ノートパソコンなどの携帯用電子機器の電源として特に有用である。

本実施例に係るスイッチングレギュレータの構成図である。 図１のスイッチングレギュレータの動作を説明するためのタイムチャート図である（リミット動作１）。 図１のスイッチングレギュレータの動作を説明するためのタイムチャート図である（リミット動作２）。 従来（特開平９−１８２２７７号公報）のスイッチングレギュレータを説明するための図である。 従来（特開平９−１８２２７７号公報）のスイッチングレギュレータを説明するための図である。

符号の説明

１：制御部、
Ｔｒ１：出力トランジスタ、
Ｔｒ３：スイッチング素子、
Ｌ：コイル、
５：スイッチングレギュレータ、
６：ドライブトランジスタ、
７：ダイオード、
８：コイル、
９：コンデンサ、
１０：駆動回路、
１１：ＢＴＬ（Balanced Transformerless）構成の出力増幅器、
１２〜１５：出力トランジスタ、
１６：電圧検出回路、
１７，１８：地絡検出回路、
１９，２０：天絡検出回路、
２１：入力増幅器、
２２：バイアス回路、
２３：停止回路、
Ｌｘ：発振出力、
ＬＭＴＲＥＦ１：定電圧（第１の基準電圧）、
ＬＭＴＲＥＦ２：定電圧（第２の基準電圧）、
１００：コンパレータ（第１のコンパレータ）、
２００：ＳＲラッチ回路（第１のＳＲラッチ回路）、
３００：コンパレータ（第２のコンパレータ）、
４００：ＳＲラッチ回路（第２のＳＲラッチ回路）、
５００：ＰＷＭコントローラ、
６００：出力制御回路、
７００：ドライバトランジスタ（Ｐｃｈドライバトランジスタ）、
８００：ＰＷＭコントローラからの出力（ＰＷＭ信号）、
９００：ＰＷＭコントローラからの出力（リセット信号）。

Claims (4)

1. 過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータであって、
   第１の電極を第１の電源電圧に接続するとともに、第２の電極を発振出力Ｌｘとするドライバトランジスタと、該ドライバトランジスタがＯＮの時のみ動作し、過電流によって変動する発振出力Ｌｘのハイレベル時の電圧と第１の基準電圧（ＬＭＴＲＥＦ１）を比較する第１のコンパレータ回路と、該第１のコンパレータ回路の出力が、前記発振出力Ｌｘのハイレベル時の電圧が前記第１の基準電圧（ＬＭＴＲＥＦ１）より小さいことを示す場合に、前記第１のコンパレータ回路の出力を保持する第１のラッチ回路と、該第１のラッチ回路の出力に基づいて、ＰＷＭコントローラからの出力信号を前記ドライバトランジスタのオンオフを制御する制御電極に伝達するか否かを制御する出力制御回路を有し、前記第１のラッチ回路を所定の周期でリセットすることを特徴とする過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータ。
2. 請求項１記載の過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータにおいて、
   前記第１の基準電圧は、前記発振出力Ｌｘのハイレベル時の電圧が過電流状態であることを示す目安となる電圧であることを特徴とする過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータ。
3. 請求項１または２に記載の過電流保護機能を有するスイッチングレギュレータを内蔵することを特徴とする電子機器。
4. 請求項３記載の電子機器は、携帯電話、ＰＨＳ、ＰＤＡ、またはノートパソコンのいずれかであることを特徴とする携帯用電子機器。

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