スイッチング電源装置
【課題】 過電流の際に，その原因に応じて，過剰にならない適切な対処ができるようにしたスイッチング電源装置を提供すること。
【解決手段】 元電源１からの電流供給を出力トランジスタ２でスイッチングし，コイル３およびコンデンサ４で平滑化して負荷５，６に供給するスイッチング電源装置において，出力トランジスタ２の出力電流による検出電圧を，コンパレータ１１，１２で２水準の基準値と比較することとした。そして，検出電圧が第１の基準値に達してから第２の基準値に達するまでの間に限り，カウンタ２２でカウントすることとした。そして，カウンタ２２が第１の基準時間に達しないうちに検出電圧が第２の基準値に達した場合には，電流供給を停止することとした。また，検出電圧が第２の基準値に達しないうちにカウンタ２２が第２の基準時間に達した場合には，デューティ比の低下および負荷６の遮断を行うこととした。
【解決手段】 元電源１からの電流供給を出力トランジスタ２でスイッチングし，コイル３およびコンデンサ４で平滑化して負荷５，６に供給するスイッチング電源装置において，出力トランジスタ２の出力電流による検出電圧を，コンパレータ１１，１２で２水準の基準値と比較することとした。そして，検出電圧が第１の基準値に達してから第２の基準値に達するまでの間に限り，カウンタ２２でカウントすることとした。そして，カウンタ２２が第１の基準時間に達しないうちに検出電圧が第２の基準値に達した場合には，電流供給を停止することとした。また，検出電圧が第２の基準値に達しないうちにカウンタ２２が第２の基準時間に達した場合には，デューティ比の低下および負荷６の遮断を行うこととした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，スイッチング素子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関する。さらに詳細には，過電流に対する保護機能を備えたスイッチング電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から，この種の電源装置においては短絡等による過電流時に備えて保護機能を備えるようにしているものがある。過電流が流れると負荷を破壊させたりあるいは電源装置自身の内部の部品が破壊したりするからである。そのために例えば特許文献１に記載されている装置では，短絡状態検出用の素子を備えている。そして，短絡信号が検出される状態が所定時間以上継続した場合に，短絡と判定し，短絡処理として回路の停止を行うこととしている。これにより，短絡による過電流からの保護を図っている。
【特許文献１】実公平７−４６９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら，前記した従来の電源装置には，次のような問題点があった。すなわち，短絡判定がなされた場合には，その原因を問わず一律に回路が停止の内容の短絡処理が行われることになる。その一方，短絡判定の原因には色々あるので，原因によっては過剰な保護となってしまう。例えば，並列に接続された複数の負荷の一部に短絡が生じたような場合には，短絡していない正常な負荷に対する電力供給までも停止されてしまう。
【０００４】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，過電流の際に，その原因に応じて，過剰にならない適切な対処ができるようにしたスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題の解決を目的としてなされた本発明のスイッチング電源装置は，パルス信号に応じて電流供給をスイッチングするスイッチング素子と，スイッチング素子によりスイッチングされる電流経路上のコイルとを備えたものであって，スイッチング素子の過電流を，第１の基準値との比較により検知する第１過電流検知手段と，スイッチング素子の過電流を，第１の基準値に対応する電流より大きい電流に対応する第２の基準値との比較により検知する第２過電流検知手段と，第１過電流検知手段および第２過電流検知手段による過電流検知の時間差に応じて２種類以上の異常信号のいずれかを出力する異常判別部と，異常判別部の異常信号に応じて異なる保護動作を行う保護部とを有している。
【０００６】
このスイッチング電源装置では，スイッチング素子により負荷へ供給される電流が，第１過電流検知手段および第２過電流検知手段により監視されている。電流が通常より増大して第１の基準値に対応する電流に達すると，またはこれを超えると，第１過電流検知手段が過電流を検知する。電流がさらに増大して第２の基準値に対応する電流に達すると，またはこれを超えると，第２過電流検知手段が過電流を検知する。ここで，両検知手段による過電流検知の時間差によって，異常判別部が２種類以上の異常信号のいずれかを出力する。すると保護部では，この異常信号に応じた保護動作を行う。
【０００７】
このように過電流検知の時間差によって保護動作の内容を変更するのは，過電流の原因によって，行うべき保護動作の内容が異なるからである。そして，過電流の原因によって，過電流検知の時間差が異なるからである。例えば，負荷に短絡が発生したことにより電流が増大する場合を考える。この場合には，スイッチング素子の電流経路上に設けられているコイルのインダクタンスがなお存在する。よって，電流の増大に時間が掛かるので時間差が大きい。この場合には，比較的軽い保護動作で十分である。一方，当該コイル自体が短絡した場合を考える。この場合にはコイルのインダクタンスがもはや存在しない。よって，速やかに電流が増大するので時間差が小さい。この場合には過電流による影響も大きくなりがちなので，保護動作の内容もそれに適したものである必要がある。
【０００８】
ここにおいて，異常判別部は，時間差が第１の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第１異常信号出力部と，第１過電流検知手段による過電流の検出後，第１の基準時間より短くない第２の基準時間が経過しても第２過電流検知手段が過電流を検知しない場合に異常信号を出力する第２異常信号出力部とを有することが望ましい。この場合に保護部は，第１異常信号出力部の異常信号によりスイッチング素子をオフさせる出力停止操作部を有することが望ましい。さらに，第２異常信号出力部の異常信号によりスイッチング素子へのパルス信号のデューティ比を低下させるデューティ低下操作部と，第２異常信号出力部の異常信号により少なくとも一部の負荷への電流供給を遮断する負荷切り離し操作部との少なくとも一方を有することが望ましい。
【０００９】
このようにすると，コイルに短絡が発生した場合のように急速な過電流の場合には，両検知手段による過電流検知の時間差が第１の基準時間より短い。このため異常判別部では，第１異常信号出力部により異常信号が出力される。これにより保護部では，出力停止操作部により，スイッチング素子をオフさせる処理が行われる。かくして，急速な過電流に対する適切な保護が働く。
【００１０】
一方，負荷に短絡が発生した場合のように緩やかな過電流の場合には，両検知手段による過電流検知の時間差が第２の基準時間より長い。このため異常判別部では，第２異常信号出力部により異常信号が出力される。これにより保護部では，デューティ低下操作部または負荷切り離し操作部による処理が行われる。すなわち，スイッチング素子へのパルス信号のデューティ比が低下させられるか，または，少なくとも一部の負荷への電流供給が遮断される。もしくはその両方の処理がなされる。かくして，緩やかな過電流に対する過剰でない適切な保護が働く。
【００１１】
ここで，第２の基準時間が第１の基準時間より長いこととするとよい。このようにすると，異常判別部に，時間差が第１の基準時間より長く第２の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第３異常信号出力部を備えることができる。これにより，両検知手段による過電流検知の時間差を３段階に分類し，それぞれに適した処理を行うことができる。
【００１２】
本発明のスイッチング電源装置においては，第１過電流検知手段による過電流の検知から第２過電流検知手段による過電流の検知までカウントを行うカウンタを有することが望ましい。このカウンタを有することにより，第１異常信号出力部は，カウンタのカウント値が第１の基準時間に相当する値に達する前に第２過電流検知手段が過電流を検知すると，異常信号を出力することができる。また，第２異常信号出力部は，カウンタのカウント値が第２の基準時間に相当する値に達すると，異常信号を出力することができる。カウント値が第２の基準時間に相当する値に達したということは，第２の基準時間が経過しても，未だ第２過電流検知手段が過電流を検知していないということだからである。さらに，第３異常信号出力部は，カウンタのカウント値が第１の基準時間に相当する値に達してから第２の基準時間に相当する値に達するまでの間に第２過電流検知手段が過電流を検知すると，異常信号を出力することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば，過電流の際に，その原因に応じて，過剰にならない適切な対処ができるようにしたスイッチング電源装置が提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態に係るスイッチング電源装置は，図１の回路図に示すように構成されている。すなわち本形態のスイッチング電源装置１００は，元電源１と，出力トランジスタ２と，コイル３と，コンデンサ４とを有している。これにより本形態のスイッチング電源装置は基本的に，元電源１からの電流供給を出力トランジスタ２でスイッチングし，コイル３およびコンデンサ４で平滑化して負荷５，６に供給するものである。このため本形態のスイッチング電源装置は，さらに以下の各要素を備えている。
【００１５】
まず，出力トランジスタ２をデューティ制御するための，コンパレータ７およびレベルシフタ８を有している。コンパレータ７の負入力端子には三角波が，正入力端子にはエラーアンプ出力が，それぞれ入力されるようになっている。エラーアンプ出力のレベルは，通常の動作状態では三角波のピーク−ピーク間にある。これにより，エラーアンプ出力のレベルに応じたデューティ比のパルス信号を，出力トランジスタ２のゲート電極に入力するようになっている。本形態のスイッチング電源装置にはさらに，逆流バイパス用ダイオード９が設けられている。
【００１６】
本形態に係るスイッチング電源装置ではこれらの他に，過電流に対処するための構成が設けられている。まず，過電流を検知するたるめのものとして，抵抗１０，コンパレータ１１，１２がある。抵抗１０は，元電源１と出力トランジスタ２との間に設けられている。抵抗１０と出力トランジスタ２との間のノードの電圧は，出力トランジスタ２の出力電流による。以下，この電圧を検出電圧と呼ぶこととする。コンパレータ１１，１２はそれぞれ，検出電圧を所定の基準値と比較するものである。これにより，出力電流がそれぞれの基準値に対応する電流を上回ったときに，コンパレータ１１，１２の出力が反転するようになっている。そして，コンパレータ１２の基準値である第２の基準値は，コンパレータ１１の基準値である第１の基準値と比較して，より大きな電流に対応する値とされている。
【００１７】
さらに，コンパレータ１１，１２の出力に応じて，過電流の種類を判別する異常判別部１３が設けられている。異常判別部１３は，動作停止信号１０１，負荷遮断信号１０２，最大デューティ低下信号１０３の３種類の異常信号を出力するようになっている。そして，動作停止信号１０１によってオンする動作停止用トランジスタ１４，負荷遮断信号１０２によってオフする負荷遮断用トランジスタ１５，最大デューティ低下信号１０３によって動作する最大デューティ低下操作部１６が設けられている。動作停止用トランジスタ１４は，出力トランジスタ２と接地との間に設けられている。負荷遮断用トランジスタ１５は，コイル３と負荷６との間に設けられている。負荷遮断用トランジスタ１５のゲート電極にはレベルシフタ１７が付設されている。最大デューティ低下操作部１６は，コンパレータ７の正入力端子に接続されている。動作停止用トランジスタ１４，負荷遮断用トランジスタ１５，および最大デューティ低下操作部１６は，異常判別部１３での異常検知に応じて保護動作を行うものである。
【００１８】
異常判別部１３は，図２の回路図に示すように構成されている。コンパレータ１１，１２の出力を受ける異常判別部１３には，ＳＲフリップフロップ２１が設けられている。そのセット端子にはコンパレータ１１の出力信号が，リセット端子にはコンパレータ１２の出力信号が，それぞれ入力されるようになっている。そして異常判別部１３には，カウンタ２２が設けられている。カウンタ２２のイネーブル端子にＳＲフリップフロップ２１の出力信号が入力されるようになっている。カウンタ２２のクロック端子には，異常判別部１３の動作クロックが入力されるようになっている。これによりカウンタ２２は，ＳＲフリップフロップ２１の出力がハイである間に限り，動作クロックのパルス数を計数するのである。カウンタ２２は複数の出力端子Ｑ１，Ｑ２，……を有している。各出力端子の出力により，カウンタ値が２進法で表されるようになっている。なお，カウンタ２２のクリア端子には，後述するアンドゲート３１の反転出力が入力されるようになっている。
【００１９】
異常判別部１３にはさらに，オアゲート２３が設けられている。その一方の入力端子は，カウンタ２２の出力端子Ｑｎと接続されている。異常判別部１３にはまた，Ｄフリップフロップ２４が設けられている。そのＤ端子には，オアゲート２３の出力信号が入力されている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート２３の他方の入力端子に入力されている。そして異常判別部１３には，アンドゲート２５が設けられている。その一方の入力端子には，Ｄフリップフロップ２４の出力端子Ｑの出力信号が反転入力されるようになっている。そのもう一方の入力端子には，コンパレータ１２の出力信号が入力されるようになっている。さらに異常判別部１３には，オアゲート２６が設けられている。その一方の入力端子は，アンドゲート２５の出力端子と接続されている。異常判別部１３にはまた，Ｄフリップフロップ２７が設けられている。そのＤ端子には，オアゲート２６の出力信号が入力されている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート２６の他方の入力端子に入力されるとともに，動作停止信号１０１として図１中の動作停止用トランジスタ１４のゲート電極へ入力される。
【００２０】
そして異常判別部１３には，オアゲート２８が設けられている。その一方の入力端子は，カウンタ２２の出力端子Ｑｍ（ｎ＜ｍ）と接続されている。出力端子Ｑｍは，必ずしも最終番の出力端子でなくてもよい。異常判別部１３にはさらに，アンドゲート２９が設けられている。その一方の入力端子には，デューティ制限自己復帰信号が入力されている。デューティ制限自己復帰信号は，動作クロックより長周期なパルス信号である。異常判別部１３にはまた，アンドゲート３０が設けられている。これには，オアゲート２８の出力とアンドゲート２９の反転出力とが入力される。アンドゲート２９の反転出力は前述のように，カウンタ２２のクリア端子にも入力される。そして異常判別部１３には，Ｄフリップフロップ３１が設けられている。そのＤ端子は，アンドゲート３０の出力端子と接続されている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート２８およびアンドゲート２９の他方の入力端子に入力されるとともに，最大デューティ低下信号１０３として図１中の最大デューティ低下操作部１６へ入力される。
【００２１】
さらに異常判別部１３には，オアゲート３２が設けられている。その一方の入力端子は，Ｄフリップフロップ３１の出力端子と接続されている。その出力信号は負荷遮断信号１０２として，図１中のレベルシフタ１７を介して負荷遮断用トランジスタ１５のゲート電極へ入力される。異常判別部１３にはまた，Ｄフリップフロップ３３が設けられている。そのＤ端子には，オアゲート３２の出力信号が入力されるようになっている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート３２の他方の入力端子に入力されている。
【００２２】
そして異常判別部１３には，多入力アンドゲート３４が設けられている。これには，コンパレータ１２の出力信号，Ｄフリップフロップ２４の出力端子Ｑの出力信号，Ｄフリップフロップ３１の出力端子Ｑの出力の反転信号，Ｄフリップフロップ３３の出力端子Ｑの出力の反転信号，の４つの信号が入力されるようになっている。異常判別部１３にはさらに，オアゲート３５が設けられている。その一方の入力端子は，多入力アンドゲート３４の出力端子と接続されている。異常判別部１３にはまた，Ｄフリップフロップ３６が設けられている。そのＤ端子は，オアゲート３５の出力端子と接続されている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート３５の他方の入力端子に入力されるとともに，過電圧検知信号１０４とされる。
【００２３】
図１中の最大デューティ低下操作部１６の回路図を図３に示す。最大デューティ低下操作部１６は，トランジスタ４１を中心に構成されている。トランジスタ４１のエミッタが図１中のコンパレータ７の正入力端子に接続されている。そして，トランジスタ４１のベース電圧は，サブ電源４２の電圧を分圧した電圧とされるようになっている。そして，トランジスタ４１のベース電圧を操作するトランジスタ４３が設けられている。トランジスタ４３のベース電圧は，最大デューティ低下信号１０３によって変更されるようになっている。そして，最大デューティ低下信号１０３がローであるときに図１中のエラーアンプ出力がコンパレータ７に正常に入力されるように，図３中の各抵抗の抵抗値が設定されている。
【００２４】
次に，本形態のスイッチング電源装置１００の動作を説明する。スイッチング電源装置１００の動作は，元電源１から負荷５，６への電流供給を，出力トランジスタ２のスイッチングによりコントロールすることである。すなわち，コンパレータ７の作用により，エラーアンプ出力のレベルに応じたデューティ比のパルス波が出力される。レベルシフタ８を介してこれを出力トランジスタ２のゲート電極に入力することにより，電流をデューティ制御するのである。電流は，コイル３およびコンデンサ４により平滑化される。
【００２５】
ここで，出力トランジスタ２を流れる電流は，抵抗１０により検出電圧としてコンパレータ１１，１２へ出力される。コンパレータ１１，１２ではこれを第１，第２の基準値と比較する。通常の動作状態では検出電圧が第１，第２の基準値のいずれをも上回ることはないので，コンパレータ１１，１２の出力はいずれもローである。このため異常判別部１３が作動することはない。すなわち，動作停止信号１０１，負荷遮断信号１０２，最大デューティ低下信号１０３はいずれもローのままである。動作停止信号１０１がローであることにより，動作停止用トランジスタ１４はオフ状態である。このため，出力トランジスタ２のゲート電極にレベルシフタ８の出力が入力される。負荷遮断信号１０２がローであることにより，負荷遮断用トランジスタ１５はオフ状態である。このため，負荷５のみならず負荷６にも電流が供給される。最大デューティ低下信号１０３がローであることにより，エラーアンプ出力がコンパレータ７に正常に入力される。
【００２６】
続いて，異常時の動作を説明する。ここでは異常として，出力トランジスタ２を流れる電流が過大になった場合を想定する。出力トランジスタ２の電流が過大となる主な原因としては，図１中の負荷５または負荷６に異常が生じることと，図１中のコイル３が短絡することとの２通りがある。
【００２７】
まず，負荷５または負荷６に異常が生じて過電流となる場合（以下，負荷異常という）を考える。この場合には，図４に示すように，電流が次第に増加してくる。コイル３のインダクタンスが効いているからである。このため，出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達して（時刻ｔ１）から第２の基準値に達する（時刻ｔ２）までの間に若干のタイムラグがある。過電流の程度によっては，出力トランジスタ２の電流が第２の基準値に達しないこともありうるが，その場合でも処置は同じである。負荷異常が起こった際の図１のスイッチング電源装置１００の動作を，図５のタイミングチャートを参照して説明する。
【００２８】
出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達すると（時刻ｔ１），コンパレータ１１の出力がハイアップする。これにより，図２のＳＲフリップフロップ２１の出力がハイアップする。このためカウンタ２２によるクロック信号のカウントアップが開始される。負荷異常の場合には，時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップするより先に，カウンタ２２の出力端子ＱｎおよびＱｍの出力がハイアップする。前述のように時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に若干のタイムラグがあるからである。言い替えると，負荷異常の場合のタイムラグの間にハイアップする出力端子が出力端子Ｑｍとして選択されている。出力端子Ｑｎとしては当然，出力端子Ｑｍより先にハイアップする出力端子が選択されている。
【００２９】
カウンタ２２のカウント値が２n-1 を超えると出力端子Ｑｎの出力がハイアップする。これによりこれ以後Ｄフリップフロップ２４の出力がハイに維持される。すなわち，アンドゲート２５への一方の入力がこれ以後ローに維持される。このため，その後の時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップしても，アンドゲート２５の出力がハイアップすることはない。よって，動作停止信号１０１がハイアップすることはない。
【００３０】
カウンタ２２のカウント値が２m-1 を超えると出力端子Ｑｍの出力がハイアップする。これにより，アンドゲート３０の出力がハイアップする。続くクロックでこれがＤフリップフロップ３１にラッチされる。かくして，最大デューティ低下信号１０３がハイアップする。すなわち図１中の最大デューティ低下操作部１６により，最大デューティを低下させるデューティ制限操作が行われる。
【００３１】
また，Ｄフリップフロップ３１の出力がハイアップすることにより，オアゲート３２の出力，すなわち負荷遮断信号１０２もハイアップする。このため，負荷遮断用トランジスタ１５がオフされる。これにより，負荷６が出力トランジスタ２から遮断される。なお，遮断されるのは負荷６のみで，負荷５は遮断されない。
【００３２】
その後，デューティ制限自己復帰信号のパルスにより，アンドゲート２９の反転出力が一時的にローダウンする。これにより，カウンタ２２のカウント値がリセットされるとともに，Ｄフリップフロップ３１の出力がローダウンする。
【００３３】
なお，負荷異常の場合には，Ｄフリップフロップ２７の出力，すなわち動作停止信号１０１がハイアップすることはない。時刻ｔ２までコンパレータ１２の出力がローであり，その一方で時刻ｔ２より早くにＤフリップフロップ２４の出力がハイアップしてしまう。このため，アンドゲート２５の出力がハイアップすることがないからである。また，Ｄフリップフロップ３６の出力，すなわち過電圧検知信号１０４がハイアップすることもない。時刻ｔ２までコンパレータ１２の出力がローであり，その一方で時刻ｔ２より早くにオアゲート３２の出力がハイアップしてしまう。このため，多入力アンドゲート３４の出力がハイアップすることがないからである。
【００３４】
以上が，負荷異常の際の動作である。これから明らかなように負荷異常の際には，一部の負荷の遮断と，最大デューティ低下操作とが行われる。このうちの最大デューティ低下操作について，図３と図６とを参照して説明する。図６は，コンパレータ７の入出力信号と最大デューティ低下信号１０３との関係を示すタイミングチャートである。
【００３５】
図６中の左半分の部分は，最大デューティ低下操作が行われる前の状況を示している。エラーアンプ出力のレベルに応じてデューティ比が定まる。最大デューティ低下信号１０３がハイアップすると，それに伴って，図３中のトランジスタ４３のベース電圧が上昇する。これによりトランジスタ４３がオンして，トランジスタ４１のベース電圧が下がる。すると，トランジスタ４１のベース−エミッタ間電圧が一定であるため，トランジスタ４１のエミッタ電圧も下がることとなる。このため，コンパレータ７の正入力端子への入力電圧が強制的に下げられ，図６中の右半分の状況となる。これが最大デューティ低下操作である。すなわち，エラーアンプ出力を通常時より強制的に下げることによって，コンパレータ７の出力パルスのデューティ比を低下させるである。これにより，出力トランジスタ２の電流を下げて，過電流状態が続くのを防ぐのである。
【００３６】
負荷異常の際には，異常が生じても電流が急峻に上昇するわけではない。このため，スイッチング電源装置の動作そのものを停止させてしまう必要はない。そこで本形態では前述のように，一部の負荷の遮断と最大デューティ低下操作とに止めているのである。これにより，過電流異常への対処中であっても，負荷５への電流供給は続行される。よって，可能な限り電流供給を停止したくない負荷は，負荷遮断用トランジスタ１５を介さず直接に接続すればよい。これが負荷５である。逆に，そこまでして電流供給を続ける必要のない負荷は，負荷遮断用トランジスタ１５を介して接続すればよい。これが負荷６である。あるいは，故障しやすい負荷を負荷６とし，故障しにくい負荷を負荷５としてもよい。その場合には，故障したと思われる負荷６への電流供給を停止しつつ，故障していないと思われる負荷５へは電流供給が続行されることとなる。
【００３７】
次に，図１中のコイル３が短絡して過電流となる場合（以下，コイル異常という）を考える。この場合には，図７に示すように，異常発生とともに急峻に電流値が立ち上がる。コイル３のインダクタンスが作用しないからである。このため，出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達してから第２の基準値に達するまでのタイムラグが非常に短く，図７中ではほとんど同時のように見える。コイル異常が起こった際の図１のスイッチング電源装置１００の動作を，図８のタイミングチャートを参照して説明する。
【００３８】
出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達すると（時刻ｔ１），コンパレータ１１の出力がハイアップする。これにより，図２のＳＲフリップフロップ２１の出力がハイアップする。このためカウンタ２２によるクロック信号のカウントアップが開始される。コイル異常の場合には，カウンタ２２の出力端子ＱｎおよびＱｍの出力がハイアップしないうちに，時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップする。前述のように時刻ｔ１から時刻ｔ２までのタイムラグがごく僅かだからである。言い替えると，コイル異常の場合のタイムラグの間にはハイアップしない出力端子が出力端子Ｑｎとして選択されている。出力端子Ｑｍとしては当然，出力端子Ｑｎより後でハイアップする出力端子が選択されている。
【００３９】
よって，時刻ｔ２まででカウンタ２２のカウントアップは停止する。このため，カウンタ２２の出力端子Ｑｎの出力がハイアップすることはない。したがって，Ｄフリップフロップ２４の出力がハイアップすることはない。このため，コンパレータ１２の出力がハイアップした時刻ｔ２にてアンドゲート２５の出力がハイアップする。続くクロックでこれがＤフリップフロップ２７にラッチされる。かくして，動作停止信号１０１がハイアップする。これにより，図１中の動作停止用トランジスタ１４がオンし，出力トランジスタ２のゲート電圧が接地レベルとなる。このため出力トランジスタ２がオフされる。すなわち，スイッチング電源装置の動作自体が停止するのである。
【００４０】
また，コイル異常の場合には，カウンタ２２の出力端子Ｑｍの出力もハイアップすることはない。このため，オアゲート２８およびアンドゲート３０の出力もハイアップすることはない。したがって，Ｄフリップフロップ３１の出力がハイアップすることはない。すなわち，負荷遮断信号１０２および最大デューティ低下信号１０３がハイアップすることはない。
【００４１】
なお，Ｄフリップフロップ２４の出力がハイアップしないことにより，多入力アンドゲート３４の出力がハイアップすることがない。このため，Ｄフリップフロップ３６の出力，すなわち過電圧検知信号１０４がハイアップすることもない。
【００４２】
以上が，コイル異常の際の動作である。これから明らかなようにコイル異常の際には，スイッチング電源装置の動作自体が停止させられる。コイル異常の場合には，前述のように電流値が急峻に立ち上がるので，最大デューティ低下や一部の負荷の切り離し等では保護が不十分だからである。
【００４３】
次に，出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達して（時刻ｔ１）から第２の基準値に達する（時刻ｔ２）までのタイムラグが，負荷異常の場合とコイル異常の場合との中間的な値である場合を考える。この場合には，カウンタ２２の出力端子Ｑｎの出力は時刻ｔ２にてハイアップするが，出力端子Ｑｍの出力はハイアップしない。このような異常が起こる原因としては例えば，図１中の元電源１に何らかの異常が生じてその電圧が上昇することが考えられる。以下これを過電圧異常という。過電圧異常が起こった際の図１のスイッチング電源装置１００の動作を，図９のタイミングチャートを参照して説明する。
【００４４】
出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達すると（時刻ｔ１），コンパレータ１１の出力がハイアップする。これにより，図２のＳＲフリップフロップ２１の出力がハイアップする。このためカウンタ２２によるクロック信号のカウントアップが開始される。過電圧異常の場合には，カウンタ２２の出力端子Ｑｎの出力がハイアップした後であって，出力端子Ｑｍの出力がハイアップしないうちに，時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップする。よって，時刻ｔ２まででカウンタ２２のカウントアップは停止する。このため，カウンタ２２の出力端子Ｑｍの出力がハイアップすることはない。
【００４５】
カウンタ２２のカウント値が２n-1 を超えると出力端子Ｑｎの出力がハイアップする。これによりこれ以後Ｄフリップフロップ２４の出力がハイに維持される。よって，時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップするとともに，多入力アンドゲート３４の出力がハイアップする。続くクロックでこれがＤフリップフロップ３６にラッチされる。かくして，過電圧検知信号１０４がハイアップする。これにより，過電圧異常が起こったことが検知される。
【００４６】
なお，過電圧異常の場合には，Ｄフリップフロップ２７の出力，すなわち動作停止信号１０１がハイアップすることはない。時刻ｔ２までコンパレータ１２の出力がローであり，その一方で時刻ｔ２より早くにＤフリップフロップ２４の出力がハイアップしてしまう。このため，アンドゲート２５の出力がハイアップすることがないからである。また，カウンタ２２の出力端子Ｑｍの出力がハイアップしないことから，Ｄフリップフロップ３１の出力，すなわち最大デューティ低下信号１０３がハイアップすることもない。同様の理由により，オアゲート３２の出力，すなわち負荷遮断信号１０２がハイアップすることもない。以上が，過電圧異常の際の動作である。
【００４７】
以上詳細に説明したように本形態に係るスイッチング電源装置では，出力トランジスタ２の出力電流による検出電圧を，２水準の基準値と比較することとしている。そして，検出電圧が第１の基準値に達してから第２の基準値に達するまでの間に限り，カウンタ２２によりクロック信号がカウントされるようにしている。
【００４８】
そして，カウンタ２２のカウント値が２n-1 に達しない（出力端子Ｑｎがハイアップしない）うちに，検出電圧が第２の基準値に達した場合には，スイッチング電源装置の動作自体を停止するようにしている。すなわち，コイル異常のように急峻に電流が立ち上がる異常の場合には，速やかに電流供給を強制的に停止するのである。これにより，コイル３以外の各部を保護するのである。
【００４９】
また，検出電圧が第２の基準値に達する前にカウンタ２２のカウント値が２m-1 に達した（出力端子Ｑｍがハイアップした）場合には，最大デューティ低下操作と負荷の一部切り離しを行うようにしている。すなわち，負荷異常のように電流の立ち上がりがさほど急激でない場合には，電流を抑制しつつ，一部の負荷（負荷５）にのみ電流供給を続行するのである。
【００５０】
これにより，過電流の際に，その原因に応じて，過剰にならない適切な対処ができるようにしたスイッチング電源装置が実現されている。
【００５１】
なお，本形態は単なる例示であり，本発明を何ら限定するものではない。本発明は当然に，その趣旨を逸脱しない範囲内で様々な変形・改良が可能なものである。例えば図１等の回路図において，回路の具体的構成は図示の通りでなくてもよい。同様の機能を有する他の構成であってもよい。また，過電圧異常が検出された場合に何らかの具体的な処置を講ずる（最大デューティ低下等）ようにしてもよい。
【００５２】
あるいは逆に，過電圧異常の検出をしないこととしてもよい。その場合には，図２に示した異常判別部１３に代えて，図１０の異常判別部５３を用いればよい。異常判別部５３は，図２の異常判別部１３から，オアゲート２３，Ｄフリップフロップ２４，多入力アンドゲート３４，オアゲート３５，Ｄフリップフロップ３６を除去し，アンドゲート２５の反転入力端子にＤフリップフロップ３１の出力端子Ｑの出力信号を入力させたものである。図１０の異常判別部５３を用いたスイッチング電源装置の動作は，過電圧異常の検出以外は本形態で説明したのと同じである。
【００５３】
また，異常の判定方法を変更することもできる。具体的には，図４のような異常により最大デューティ低下操作を行った場合に，それでも異常が収まらないことも考えられる。その場合にコイル異常と判断して動作停止することとしてもよい。また，図７のような異常が検出された場合に，まずは最大デューティ低下操作を行い，それでも異常が収まらない場合にコイル異常と判断して動作停止することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。
【図２】異常判別部の回路図である。
【図３】最大デューティ低下操作部の回路図である。
【図４】負荷異常による過電流のグラフである。
【図５】負荷異常の際のスイッチング電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図６】コンパレータの入出力信号と第３異常信号との関係を示すタイミングチャートである。
【図７】コイル異常による過電流のグラフである。
【図８】コイル異常の際のスイッチング電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図９】過電圧異常の際のスイッチング電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図１０】変形例に係る異常判別部の回路図である。
【符号の説明】
【００５５】
２ 出力トランジスタ（スイッチング素子）
３ コイル
１１ コンパレータ（第１過電流検知手段）
１２ コンパレータ（第２過電流検知手段）
１３ 異常判別部
１４ 動作停止用トランジスタ（出力停止操作部）
１５ 負荷遮断用トランジスタ（負荷切り離し操作部）
１６ 最大デューティ低下操作部
２２ カウンタ
２６ オアゲート（第１異常信号出力部）
２７ Ｄフリップフロップ（同）
３０ アンドゲート（第２異常信号出力部）
３１ Ｄフリップフロップ（同）
３２ オアゲート（同）
３４ 多入力アンドケート（第３異常信号出力部）
３５ オアゲート（同）
３６ Ｄフリップフロップ（同）
【技術分野】
【０００１】
本発明は，スイッチング素子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関する。さらに詳細には，過電流に対する保護機能を備えたスイッチング電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から，この種の電源装置においては短絡等による過電流時に備えて保護機能を備えるようにしているものがある。過電流が流れると負荷を破壊させたりあるいは電源装置自身の内部の部品が破壊したりするからである。そのために例えば特許文献１に記載されている装置では，短絡状態検出用の素子を備えている。そして，短絡信号が検出される状態が所定時間以上継続した場合に，短絡と判定し，短絡処理として回路の停止を行うこととしている。これにより，短絡による過電流からの保護を図っている。
【特許文献１】実公平７−４６９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら，前記した従来の電源装置には，次のような問題点があった。すなわち，短絡判定がなされた場合には，その原因を問わず一律に回路が停止の内容の短絡処理が行われることになる。その一方，短絡判定の原因には色々あるので，原因によっては過剰な保護となってしまう。例えば，並列に接続された複数の負荷の一部に短絡が生じたような場合には，短絡していない正常な負荷に対する電力供給までも停止されてしまう。
【０００４】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，過電流の際に，その原因に応じて，過剰にならない適切な対処ができるようにしたスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題の解決を目的としてなされた本発明のスイッチング電源装置は，パルス信号に応じて電流供給をスイッチングするスイッチング素子と，スイッチング素子によりスイッチングされる電流経路上のコイルとを備えたものであって，スイッチング素子の過電流を，第１の基準値との比較により検知する第１過電流検知手段と，スイッチング素子の過電流を，第１の基準値に対応する電流より大きい電流に対応する第２の基準値との比較により検知する第２過電流検知手段と，第１過電流検知手段および第２過電流検知手段による過電流検知の時間差に応じて２種類以上の異常信号のいずれかを出力する異常判別部と，異常判別部の異常信号に応じて異なる保護動作を行う保護部とを有している。
【０００６】
このスイッチング電源装置では，スイッチング素子により負荷へ供給される電流が，第１過電流検知手段および第２過電流検知手段により監視されている。電流が通常より増大して第１の基準値に対応する電流に達すると，またはこれを超えると，第１過電流検知手段が過電流を検知する。電流がさらに増大して第２の基準値に対応する電流に達すると，またはこれを超えると，第２過電流検知手段が過電流を検知する。ここで，両検知手段による過電流検知の時間差によって，異常判別部が２種類以上の異常信号のいずれかを出力する。すると保護部では，この異常信号に応じた保護動作を行う。
【０００７】
このように過電流検知の時間差によって保護動作の内容を変更するのは，過電流の原因によって，行うべき保護動作の内容が異なるからである。そして，過電流の原因によって，過電流検知の時間差が異なるからである。例えば，負荷に短絡が発生したことにより電流が増大する場合を考える。この場合には，スイッチング素子の電流経路上に設けられているコイルのインダクタンスがなお存在する。よって，電流の増大に時間が掛かるので時間差が大きい。この場合には，比較的軽い保護動作で十分である。一方，当該コイル自体が短絡した場合を考える。この場合にはコイルのインダクタンスがもはや存在しない。よって，速やかに電流が増大するので時間差が小さい。この場合には過電流による影響も大きくなりがちなので，保護動作の内容もそれに適したものである必要がある。
【０００８】
ここにおいて，異常判別部は，時間差が第１の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第１異常信号出力部と，第１過電流検知手段による過電流の検出後，第１の基準時間より短くない第２の基準時間が経過しても第２過電流検知手段が過電流を検知しない場合に異常信号を出力する第２異常信号出力部とを有することが望ましい。この場合に保護部は，第１異常信号出力部の異常信号によりスイッチング素子をオフさせる出力停止操作部を有することが望ましい。さらに，第２異常信号出力部の異常信号によりスイッチング素子へのパルス信号のデューティ比を低下させるデューティ低下操作部と，第２異常信号出力部の異常信号により少なくとも一部の負荷への電流供給を遮断する負荷切り離し操作部との少なくとも一方を有することが望ましい。
【０００９】
このようにすると，コイルに短絡が発生した場合のように急速な過電流の場合には，両検知手段による過電流検知の時間差が第１の基準時間より短い。このため異常判別部では，第１異常信号出力部により異常信号が出力される。これにより保護部では，出力停止操作部により，スイッチング素子をオフさせる処理が行われる。かくして，急速な過電流に対する適切な保護が働く。
【００１０】
一方，負荷に短絡が発生した場合のように緩やかな過電流の場合には，両検知手段による過電流検知の時間差が第２の基準時間より長い。このため異常判別部では，第２異常信号出力部により異常信号が出力される。これにより保護部では，デューティ低下操作部または負荷切り離し操作部による処理が行われる。すなわち，スイッチング素子へのパルス信号のデューティ比が低下させられるか，または，少なくとも一部の負荷への電流供給が遮断される。もしくはその両方の処理がなされる。かくして，緩やかな過電流に対する過剰でない適切な保護が働く。
【００１１】
ここで，第２の基準時間が第１の基準時間より長いこととするとよい。このようにすると，異常判別部に，時間差が第１の基準時間より長く第２の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第３異常信号出力部を備えることができる。これにより，両検知手段による過電流検知の時間差を３段階に分類し，それぞれに適した処理を行うことができる。
【００１２】
本発明のスイッチング電源装置においては，第１過電流検知手段による過電流の検知から第２過電流検知手段による過電流の検知までカウントを行うカウンタを有することが望ましい。このカウンタを有することにより，第１異常信号出力部は，カウンタのカウント値が第１の基準時間に相当する値に達する前に第２過電流検知手段が過電流を検知すると，異常信号を出力することができる。また，第２異常信号出力部は，カウンタのカウント値が第２の基準時間に相当する値に達すると，異常信号を出力することができる。カウント値が第２の基準時間に相当する値に達したということは，第２の基準時間が経過しても，未だ第２過電流検知手段が過電流を検知していないということだからである。さらに，第３異常信号出力部は，カウンタのカウント値が第１の基準時間に相当する値に達してから第２の基準時間に相当する値に達するまでの間に第２過電流検知手段が過電流を検知すると，異常信号を出力することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば，過電流の際に，その原因に応じて，過剰にならない適切な対処ができるようにしたスイッチング電源装置が提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態に係るスイッチング電源装置は，図１の回路図に示すように構成されている。すなわち本形態のスイッチング電源装置１００は，元電源１と，出力トランジスタ２と，コイル３と，コンデンサ４とを有している。これにより本形態のスイッチング電源装置は基本的に，元電源１からの電流供給を出力トランジスタ２でスイッチングし，コイル３およびコンデンサ４で平滑化して負荷５，６に供給するものである。このため本形態のスイッチング電源装置は，さらに以下の各要素を備えている。
【００１５】
まず，出力トランジスタ２をデューティ制御するための，コンパレータ７およびレベルシフタ８を有している。コンパレータ７の負入力端子には三角波が，正入力端子にはエラーアンプ出力が，それぞれ入力されるようになっている。エラーアンプ出力のレベルは，通常の動作状態では三角波のピーク−ピーク間にある。これにより，エラーアンプ出力のレベルに応じたデューティ比のパルス信号を，出力トランジスタ２のゲート電極に入力するようになっている。本形態のスイッチング電源装置にはさらに，逆流バイパス用ダイオード９が設けられている。
【００１６】
本形態に係るスイッチング電源装置ではこれらの他に，過電流に対処するための構成が設けられている。まず，過電流を検知するたるめのものとして，抵抗１０，コンパレータ１１，１２がある。抵抗１０は，元電源１と出力トランジスタ２との間に設けられている。抵抗１０と出力トランジスタ２との間のノードの電圧は，出力トランジスタ２の出力電流による。以下，この電圧を検出電圧と呼ぶこととする。コンパレータ１１，１２はそれぞれ，検出電圧を所定の基準値と比較するものである。これにより，出力電流がそれぞれの基準値に対応する電流を上回ったときに，コンパレータ１１，１２の出力が反転するようになっている。そして，コンパレータ１２の基準値である第２の基準値は，コンパレータ１１の基準値である第１の基準値と比較して，より大きな電流に対応する値とされている。
【００１７】
さらに，コンパレータ１１，１２の出力に応じて，過電流の種類を判別する異常判別部１３が設けられている。異常判別部１３は，動作停止信号１０１，負荷遮断信号１０２，最大デューティ低下信号１０３の３種類の異常信号を出力するようになっている。そして，動作停止信号１０１によってオンする動作停止用トランジスタ１４，負荷遮断信号１０２によってオフする負荷遮断用トランジスタ１５，最大デューティ低下信号１０３によって動作する最大デューティ低下操作部１６が設けられている。動作停止用トランジスタ１４は，出力トランジスタ２と接地との間に設けられている。負荷遮断用トランジスタ１５は，コイル３と負荷６との間に設けられている。負荷遮断用トランジスタ１５のゲート電極にはレベルシフタ１７が付設されている。最大デューティ低下操作部１６は，コンパレータ７の正入力端子に接続されている。動作停止用トランジスタ１４，負荷遮断用トランジスタ１５，および最大デューティ低下操作部１６は，異常判別部１３での異常検知に応じて保護動作を行うものである。
【００１８】
異常判別部１３は，図２の回路図に示すように構成されている。コンパレータ１１，１２の出力を受ける異常判別部１３には，ＳＲフリップフロップ２１が設けられている。そのセット端子にはコンパレータ１１の出力信号が，リセット端子にはコンパレータ１２の出力信号が，それぞれ入力されるようになっている。そして異常判別部１３には，カウンタ２２が設けられている。カウンタ２２のイネーブル端子にＳＲフリップフロップ２１の出力信号が入力されるようになっている。カウンタ２２のクロック端子には，異常判別部１３の動作クロックが入力されるようになっている。これによりカウンタ２２は，ＳＲフリップフロップ２１の出力がハイである間に限り，動作クロックのパルス数を計数するのである。カウンタ２２は複数の出力端子Ｑ１，Ｑ２，……を有している。各出力端子の出力により，カウンタ値が２進法で表されるようになっている。なお，カウンタ２２のクリア端子には，後述するアンドゲート３１の反転出力が入力されるようになっている。
【００１９】
異常判別部１３にはさらに，オアゲート２３が設けられている。その一方の入力端子は，カウンタ２２の出力端子Ｑｎと接続されている。異常判別部１３にはまた，Ｄフリップフロップ２４が設けられている。そのＤ端子には，オアゲート２３の出力信号が入力されている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート２３の他方の入力端子に入力されている。そして異常判別部１３には，アンドゲート２５が設けられている。その一方の入力端子には，Ｄフリップフロップ２４の出力端子Ｑの出力信号が反転入力されるようになっている。そのもう一方の入力端子には，コンパレータ１２の出力信号が入力されるようになっている。さらに異常判別部１３には，オアゲート２６が設けられている。その一方の入力端子は，アンドゲート２５の出力端子と接続されている。異常判別部１３にはまた，Ｄフリップフロップ２７が設けられている。そのＤ端子には，オアゲート２６の出力信号が入力されている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート２６の他方の入力端子に入力されるとともに，動作停止信号１０１として図１中の動作停止用トランジスタ１４のゲート電極へ入力される。
【００２０】
そして異常判別部１３には，オアゲート２８が設けられている。その一方の入力端子は，カウンタ２２の出力端子Ｑｍ（ｎ＜ｍ）と接続されている。出力端子Ｑｍは，必ずしも最終番の出力端子でなくてもよい。異常判別部１３にはさらに，アンドゲート２９が設けられている。その一方の入力端子には，デューティ制限自己復帰信号が入力されている。デューティ制限自己復帰信号は，動作クロックより長周期なパルス信号である。異常判別部１３にはまた，アンドゲート３０が設けられている。これには，オアゲート２８の出力とアンドゲート２９の反転出力とが入力される。アンドゲート２９の反転出力は前述のように，カウンタ２２のクリア端子にも入力される。そして異常判別部１３には，Ｄフリップフロップ３１が設けられている。そのＤ端子は，アンドゲート３０の出力端子と接続されている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート２８およびアンドゲート２９の他方の入力端子に入力されるとともに，最大デューティ低下信号１０３として図１中の最大デューティ低下操作部１６へ入力される。
【００２１】
さらに異常判別部１３には，オアゲート３２が設けられている。その一方の入力端子は，Ｄフリップフロップ３１の出力端子と接続されている。その出力信号は負荷遮断信号１０２として，図１中のレベルシフタ１７を介して負荷遮断用トランジスタ１５のゲート電極へ入力される。異常判別部１３にはまた，Ｄフリップフロップ３３が設けられている。そのＤ端子には，オアゲート３２の出力信号が入力されるようになっている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート３２の他方の入力端子に入力されている。
【００２２】
そして異常判別部１３には，多入力アンドゲート３４が設けられている。これには，コンパレータ１２の出力信号，Ｄフリップフロップ２４の出力端子Ｑの出力信号，Ｄフリップフロップ３１の出力端子Ｑの出力の反転信号，Ｄフリップフロップ３３の出力端子Ｑの出力の反転信号，の４つの信号が入力されるようになっている。異常判別部１３にはさらに，オアゲート３５が設けられている。その一方の入力端子は，多入力アンドゲート３４の出力端子と接続されている。異常判別部１３にはまた，Ｄフリップフロップ３６が設けられている。そのＤ端子は，オアゲート３５の出力端子と接続されている。そのクロック端子には動作クロックが入力されている。その出力端子Ｑの出力信号は，オアゲート３５の他方の入力端子に入力されるとともに，過電圧検知信号１０４とされる。
【００２３】
図１中の最大デューティ低下操作部１６の回路図を図３に示す。最大デューティ低下操作部１６は，トランジスタ４１を中心に構成されている。トランジスタ４１のエミッタが図１中のコンパレータ７の正入力端子に接続されている。そして，トランジスタ４１のベース電圧は，サブ電源４２の電圧を分圧した電圧とされるようになっている。そして，トランジスタ４１のベース電圧を操作するトランジスタ４３が設けられている。トランジスタ４３のベース電圧は，最大デューティ低下信号１０３によって変更されるようになっている。そして，最大デューティ低下信号１０３がローであるときに図１中のエラーアンプ出力がコンパレータ７に正常に入力されるように，図３中の各抵抗の抵抗値が設定されている。
【００２４】
次に，本形態のスイッチング電源装置１００の動作を説明する。スイッチング電源装置１００の動作は，元電源１から負荷５，６への電流供給を，出力トランジスタ２のスイッチングによりコントロールすることである。すなわち，コンパレータ７の作用により，エラーアンプ出力のレベルに応じたデューティ比のパルス波が出力される。レベルシフタ８を介してこれを出力トランジスタ２のゲート電極に入力することにより，電流をデューティ制御するのである。電流は，コイル３およびコンデンサ４により平滑化される。
【００２５】
ここで，出力トランジスタ２を流れる電流は，抵抗１０により検出電圧としてコンパレータ１１，１２へ出力される。コンパレータ１１，１２ではこれを第１，第２の基準値と比較する。通常の動作状態では検出電圧が第１，第２の基準値のいずれをも上回ることはないので，コンパレータ１１，１２の出力はいずれもローである。このため異常判別部１３が作動することはない。すなわち，動作停止信号１０１，負荷遮断信号１０２，最大デューティ低下信号１０３はいずれもローのままである。動作停止信号１０１がローであることにより，動作停止用トランジスタ１４はオフ状態である。このため，出力トランジスタ２のゲート電極にレベルシフタ８の出力が入力される。負荷遮断信号１０２がローであることにより，負荷遮断用トランジスタ１５はオフ状態である。このため，負荷５のみならず負荷６にも電流が供給される。最大デューティ低下信号１０３がローであることにより，エラーアンプ出力がコンパレータ７に正常に入力される。
【００２６】
続いて，異常時の動作を説明する。ここでは異常として，出力トランジスタ２を流れる電流が過大になった場合を想定する。出力トランジスタ２の電流が過大となる主な原因としては，図１中の負荷５または負荷６に異常が生じることと，図１中のコイル３が短絡することとの２通りがある。
【００２７】
まず，負荷５または負荷６に異常が生じて過電流となる場合（以下，負荷異常という）を考える。この場合には，図４に示すように，電流が次第に増加してくる。コイル３のインダクタンスが効いているからである。このため，出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達して（時刻ｔ１）から第２の基準値に達する（時刻ｔ２）までの間に若干のタイムラグがある。過電流の程度によっては，出力トランジスタ２の電流が第２の基準値に達しないこともありうるが，その場合でも処置は同じである。負荷異常が起こった際の図１のスイッチング電源装置１００の動作を，図５のタイミングチャートを参照して説明する。
【００２８】
出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達すると（時刻ｔ１），コンパレータ１１の出力がハイアップする。これにより，図２のＳＲフリップフロップ２１の出力がハイアップする。このためカウンタ２２によるクロック信号のカウントアップが開始される。負荷異常の場合には，時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップするより先に，カウンタ２２の出力端子ＱｎおよびＱｍの出力がハイアップする。前述のように時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に若干のタイムラグがあるからである。言い替えると，負荷異常の場合のタイムラグの間にハイアップする出力端子が出力端子Ｑｍとして選択されている。出力端子Ｑｎとしては当然，出力端子Ｑｍより先にハイアップする出力端子が選択されている。
【００２９】
カウンタ２２のカウント値が２n-1 を超えると出力端子Ｑｎの出力がハイアップする。これによりこれ以後Ｄフリップフロップ２４の出力がハイに維持される。すなわち，アンドゲート２５への一方の入力がこれ以後ローに維持される。このため，その後の時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップしても，アンドゲート２５の出力がハイアップすることはない。よって，動作停止信号１０１がハイアップすることはない。
【００３０】
カウンタ２２のカウント値が２m-1 を超えると出力端子Ｑｍの出力がハイアップする。これにより，アンドゲート３０の出力がハイアップする。続くクロックでこれがＤフリップフロップ３１にラッチされる。かくして，最大デューティ低下信号１０３がハイアップする。すなわち図１中の最大デューティ低下操作部１６により，最大デューティを低下させるデューティ制限操作が行われる。
【００３１】
また，Ｄフリップフロップ３１の出力がハイアップすることにより，オアゲート３２の出力，すなわち負荷遮断信号１０２もハイアップする。このため，負荷遮断用トランジスタ１５がオフされる。これにより，負荷６が出力トランジスタ２から遮断される。なお，遮断されるのは負荷６のみで，負荷５は遮断されない。
【００３２】
その後，デューティ制限自己復帰信号のパルスにより，アンドゲート２９の反転出力が一時的にローダウンする。これにより，カウンタ２２のカウント値がリセットされるとともに，Ｄフリップフロップ３１の出力がローダウンする。
【００３３】
なお，負荷異常の場合には，Ｄフリップフロップ２７の出力，すなわち動作停止信号１０１がハイアップすることはない。時刻ｔ２までコンパレータ１２の出力がローであり，その一方で時刻ｔ２より早くにＤフリップフロップ２４の出力がハイアップしてしまう。このため，アンドゲート２５の出力がハイアップすることがないからである。また，Ｄフリップフロップ３６の出力，すなわち過電圧検知信号１０４がハイアップすることもない。時刻ｔ２までコンパレータ１２の出力がローであり，その一方で時刻ｔ２より早くにオアゲート３２の出力がハイアップしてしまう。このため，多入力アンドゲート３４の出力がハイアップすることがないからである。
【００３４】
以上が，負荷異常の際の動作である。これから明らかなように負荷異常の際には，一部の負荷の遮断と，最大デューティ低下操作とが行われる。このうちの最大デューティ低下操作について，図３と図６とを参照して説明する。図６は，コンパレータ７の入出力信号と最大デューティ低下信号１０３との関係を示すタイミングチャートである。
【００３５】
図６中の左半分の部分は，最大デューティ低下操作が行われる前の状況を示している。エラーアンプ出力のレベルに応じてデューティ比が定まる。最大デューティ低下信号１０３がハイアップすると，それに伴って，図３中のトランジスタ４３のベース電圧が上昇する。これによりトランジスタ４３がオンして，トランジスタ４１のベース電圧が下がる。すると，トランジスタ４１のベース−エミッタ間電圧が一定であるため，トランジスタ４１のエミッタ電圧も下がることとなる。このため，コンパレータ７の正入力端子への入力電圧が強制的に下げられ，図６中の右半分の状況となる。これが最大デューティ低下操作である。すなわち，エラーアンプ出力を通常時より強制的に下げることによって，コンパレータ７の出力パルスのデューティ比を低下させるである。これにより，出力トランジスタ２の電流を下げて，過電流状態が続くのを防ぐのである。
【００３６】
負荷異常の際には，異常が生じても電流が急峻に上昇するわけではない。このため，スイッチング電源装置の動作そのものを停止させてしまう必要はない。そこで本形態では前述のように，一部の負荷の遮断と最大デューティ低下操作とに止めているのである。これにより，過電流異常への対処中であっても，負荷５への電流供給は続行される。よって，可能な限り電流供給を停止したくない負荷は，負荷遮断用トランジスタ１５を介さず直接に接続すればよい。これが負荷５である。逆に，そこまでして電流供給を続ける必要のない負荷は，負荷遮断用トランジスタ１５を介して接続すればよい。これが負荷６である。あるいは，故障しやすい負荷を負荷６とし，故障しにくい負荷を負荷５としてもよい。その場合には，故障したと思われる負荷６への電流供給を停止しつつ，故障していないと思われる負荷５へは電流供給が続行されることとなる。
【００３７】
次に，図１中のコイル３が短絡して過電流となる場合（以下，コイル異常という）を考える。この場合には，図７に示すように，異常発生とともに急峻に電流値が立ち上がる。コイル３のインダクタンスが作用しないからである。このため，出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達してから第２の基準値に達するまでのタイムラグが非常に短く，図７中ではほとんど同時のように見える。コイル異常が起こった際の図１のスイッチング電源装置１００の動作を，図８のタイミングチャートを参照して説明する。
【００３８】
出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達すると（時刻ｔ１），コンパレータ１１の出力がハイアップする。これにより，図２のＳＲフリップフロップ２１の出力がハイアップする。このためカウンタ２２によるクロック信号のカウントアップが開始される。コイル異常の場合には，カウンタ２２の出力端子ＱｎおよびＱｍの出力がハイアップしないうちに，時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップする。前述のように時刻ｔ１から時刻ｔ２までのタイムラグがごく僅かだからである。言い替えると，コイル異常の場合のタイムラグの間にはハイアップしない出力端子が出力端子Ｑｎとして選択されている。出力端子Ｑｍとしては当然，出力端子Ｑｎより後でハイアップする出力端子が選択されている。
【００３９】
よって，時刻ｔ２まででカウンタ２２のカウントアップは停止する。このため，カウンタ２２の出力端子Ｑｎの出力がハイアップすることはない。したがって，Ｄフリップフロップ２４の出力がハイアップすることはない。このため，コンパレータ１２の出力がハイアップした時刻ｔ２にてアンドゲート２５の出力がハイアップする。続くクロックでこれがＤフリップフロップ２７にラッチされる。かくして，動作停止信号１０１がハイアップする。これにより，図１中の動作停止用トランジスタ１４がオンし，出力トランジスタ２のゲート電圧が接地レベルとなる。このため出力トランジスタ２がオフされる。すなわち，スイッチング電源装置の動作自体が停止するのである。
【００４０】
また，コイル異常の場合には，カウンタ２２の出力端子Ｑｍの出力もハイアップすることはない。このため，オアゲート２８およびアンドゲート３０の出力もハイアップすることはない。したがって，Ｄフリップフロップ３１の出力がハイアップすることはない。すなわち，負荷遮断信号１０２および最大デューティ低下信号１０３がハイアップすることはない。
【００４１】
なお，Ｄフリップフロップ２４の出力がハイアップしないことにより，多入力アンドゲート３４の出力がハイアップすることがない。このため，Ｄフリップフロップ３６の出力，すなわち過電圧検知信号１０４がハイアップすることもない。
【００４２】
以上が，コイル異常の際の動作である。これから明らかなようにコイル異常の際には，スイッチング電源装置の動作自体が停止させられる。コイル異常の場合には，前述のように電流値が急峻に立ち上がるので，最大デューティ低下や一部の負荷の切り離し等では保護が不十分だからである。
【００４３】
次に，出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達して（時刻ｔ１）から第２の基準値に達する（時刻ｔ２）までのタイムラグが，負荷異常の場合とコイル異常の場合との中間的な値である場合を考える。この場合には，カウンタ２２の出力端子Ｑｎの出力は時刻ｔ２にてハイアップするが，出力端子Ｑｍの出力はハイアップしない。このような異常が起こる原因としては例えば，図１中の元電源１に何らかの異常が生じてその電圧が上昇することが考えられる。以下これを過電圧異常という。過電圧異常が起こった際の図１のスイッチング電源装置１００の動作を，図９のタイミングチャートを参照して説明する。
【００４４】
出力トランジスタ２の電流が第１の基準値に達すると（時刻ｔ１），コンパレータ１１の出力がハイアップする。これにより，図２のＳＲフリップフロップ２１の出力がハイアップする。このためカウンタ２２によるクロック信号のカウントアップが開始される。過電圧異常の場合には，カウンタ２２の出力端子Ｑｎの出力がハイアップした後であって，出力端子Ｑｍの出力がハイアップしないうちに，時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップする。よって，時刻ｔ２まででカウンタ２２のカウントアップは停止する。このため，カウンタ２２の出力端子Ｑｍの出力がハイアップすることはない。
【００４５】
カウンタ２２のカウント値が２n-1 を超えると出力端子Ｑｎの出力がハイアップする。これによりこれ以後Ｄフリップフロップ２４の出力がハイに維持される。よって，時刻ｔ２でコンパレータ１２の出力がハイアップするとともに，多入力アンドゲート３４の出力がハイアップする。続くクロックでこれがＤフリップフロップ３６にラッチされる。かくして，過電圧検知信号１０４がハイアップする。これにより，過電圧異常が起こったことが検知される。
【００４６】
なお，過電圧異常の場合には，Ｄフリップフロップ２７の出力，すなわち動作停止信号１０１がハイアップすることはない。時刻ｔ２までコンパレータ１２の出力がローであり，その一方で時刻ｔ２より早くにＤフリップフロップ２４の出力がハイアップしてしまう。このため，アンドゲート２５の出力がハイアップすることがないからである。また，カウンタ２２の出力端子Ｑｍの出力がハイアップしないことから，Ｄフリップフロップ３１の出力，すなわち最大デューティ低下信号１０３がハイアップすることもない。同様の理由により，オアゲート３２の出力，すなわち負荷遮断信号１０２がハイアップすることもない。以上が，過電圧異常の際の動作である。
【００４７】
以上詳細に説明したように本形態に係るスイッチング電源装置では，出力トランジスタ２の出力電流による検出電圧を，２水準の基準値と比較することとしている。そして，検出電圧が第１の基準値に達してから第２の基準値に達するまでの間に限り，カウンタ２２によりクロック信号がカウントされるようにしている。
【００４８】
そして，カウンタ２２のカウント値が２n-1 に達しない（出力端子Ｑｎがハイアップしない）うちに，検出電圧が第２の基準値に達した場合には，スイッチング電源装置の動作自体を停止するようにしている。すなわち，コイル異常のように急峻に電流が立ち上がる異常の場合には，速やかに電流供給を強制的に停止するのである。これにより，コイル３以外の各部を保護するのである。
【００４９】
また，検出電圧が第２の基準値に達する前にカウンタ２２のカウント値が２m-1 に達した（出力端子Ｑｍがハイアップした）場合には，最大デューティ低下操作と負荷の一部切り離しを行うようにしている。すなわち，負荷異常のように電流の立ち上がりがさほど急激でない場合には，電流を抑制しつつ，一部の負荷（負荷５）にのみ電流供給を続行するのである。
【００５０】
これにより，過電流の際に，その原因に応じて，過剰にならない適切な対処ができるようにしたスイッチング電源装置が実現されている。
【００５１】
なお，本形態は単なる例示であり，本発明を何ら限定するものではない。本発明は当然に，その趣旨を逸脱しない範囲内で様々な変形・改良が可能なものである。例えば図１等の回路図において，回路の具体的構成は図示の通りでなくてもよい。同様の機能を有する他の構成であってもよい。また，過電圧異常が検出された場合に何らかの具体的な処置を講ずる（最大デューティ低下等）ようにしてもよい。
【００５２】
あるいは逆に，過電圧異常の検出をしないこととしてもよい。その場合には，図２に示した異常判別部１３に代えて，図１０の異常判別部５３を用いればよい。異常判別部５３は，図２の異常判別部１３から，オアゲート２３，Ｄフリップフロップ２４，多入力アンドゲート３４，オアゲート３５，Ｄフリップフロップ３６を除去し，アンドゲート２５の反転入力端子にＤフリップフロップ３１の出力端子Ｑの出力信号を入力させたものである。図１０の異常判別部５３を用いたスイッチング電源装置の動作は，過電圧異常の検出以外は本形態で説明したのと同じである。
【００５３】
また，異常の判定方法を変更することもできる。具体的には，図４のような異常により最大デューティ低下操作を行った場合に，それでも異常が収まらないことも考えられる。その場合にコイル異常と判断して動作停止することとしてもよい。また，図７のような異常が検出された場合に，まずは最大デューティ低下操作を行い，それでも異常が収まらない場合にコイル異常と判断して動作停止することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。
【図２】異常判別部の回路図である。
【図３】最大デューティ低下操作部の回路図である。
【図４】負荷異常による過電流のグラフである。
【図５】負荷異常の際のスイッチング電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図６】コンパレータの入出力信号と第３異常信号との関係を示すタイミングチャートである。
【図７】コイル異常による過電流のグラフである。
【図８】コイル異常の際のスイッチング電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図９】過電圧異常の際のスイッチング電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図１０】変形例に係る異常判別部の回路図である。
【符号の説明】
【００５５】
２ 出力トランジスタ（スイッチング素子）
３ コイル
１１ コンパレータ（第１過電流検知手段）
１２ コンパレータ（第２過電流検知手段）
１３ 異常判別部
１４ 動作停止用トランジスタ（出力停止操作部）
１５ 負荷遮断用トランジスタ（負荷切り離し操作部）
１６ 最大デューティ低下操作部
２２ カウンタ
２６ オアゲート（第１異常信号出力部）
２７ Ｄフリップフロップ（同）
３０ アンドゲート（第２異常信号出力部）
３１ Ｄフリップフロップ（同）
３２ オアゲート（同）
３４ 多入力アンドケート（第３異常信号出力部）
３５ オアゲート（同）
３６ Ｄフリップフロップ（同）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス信号に応じて電流供給をスイッチングするスイッチング素子と，前記スイッチング素子によりスイッチングされる電流経路上のコイルとを備えたスイッチング電源装置において，
前記スイッチング素子の過電流を，第１の基準値との比較により検知する第１過電流検知手段と，
前記スイッチング素子の過電流を，第１の基準値に対応する電流より大きい電流に対応する第２の基準値との比較により検知する第２過電流検知手段と，
前記第１過電流検知手段および前記第２過電流検知手段による過電流検知の時間差に応じて２種類以上の異常信号のいずれかを出力する異常判別部と，
前記異常判別部の異常信号に応じて異なる保護動作を行う保護部とを有することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスイッチング電源装置において，
前記異常判別部は，
時間差が第１の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第１異常信号出力部と， 前記第１過電流検知手段による過電流の検出後，第１の基準時間より短くない第２の基準時間が経過しても前記第２過電流検知手段が過電流を検知しない場合に異常信号を出力する第２異常信号出力部とを有し，
前記保護部は，
前記第１異常信号出力部の異常信号により前記スイッチング素子をオフさせる出力停止操作部と，
前記第２異常信号出力部の異常信号により前記スイッチング素子へのパルス信号のデューティ比を低下させるデューティ低下操作部とを有する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に記載のスイッチング電源装置において，
前記異常判別部は，
時間差が第１の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第１異常信号出力部と， 前記第１過電流検知手段による過電流の検出後，第１の基準時間より短くない第２の基準時間が経過しても前記第２過電流検知手段が過電流を検知しない場合に異常信号を出力する第２異常信号出力部とを有し，
前記保護部は，
前記第１異常信号出力部の異常信号により前記スイッチング素子をオフさせる出力停止操作部と，
前記第２異常信号出力部の異常信号により少なくとも一部の負荷への電流供給を遮断する負荷切り離し操作部を有する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２または請求項３に記載のスイッチング電源装置において，
第２の基準時間が第１の基準時間より長く，
前記異常判別部は，時間差が第１の基準時間より長く第２の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第３異常信号出力部を有することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載のスイッチング電源装置において，
前記第１過電流検知手段による過電流の検知から前記第２過電流検知手段による過電流の検知までカウントを行うカウンタを有し，
前記第１異常信号出力部は，前記カウンタのカウント値が第１の基準時間に相当する値に達する前に前記第２過電流検知手段が過電流を検知すると異常信号を出力するものであり，
前記第２異常信号出力部は，前記カウンタのカウント値が第２の基準時間に相当する値に達すると異常信号を出力するものであることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項６】
請求項４に記載のスイッチング電源装置において，
前記第１過電流検知手段による過電流の検知から前記第２過電流検知手段による過電流の検知までカウントを行うカウンタを有し，
前記第３異常信号出力部は，前記カウンタのカウント値が第１の基準時間に相当する値に達してから第２の基準時間に相当する値に達するまでの間に前記第２過電流検知手段が過電流を検知すると異常信号を出力するものであることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項１】
パルス信号に応じて電流供給をスイッチングするスイッチング素子と，前記スイッチング素子によりスイッチングされる電流経路上のコイルとを備えたスイッチング電源装置において，
前記スイッチング素子の過電流を，第１の基準値との比較により検知する第１過電流検知手段と，
前記スイッチング素子の過電流を，第１の基準値に対応する電流より大きい電流に対応する第２の基準値との比較により検知する第２過電流検知手段と，
前記第１過電流検知手段および前記第２過電流検知手段による過電流検知の時間差に応じて２種類以上の異常信号のいずれかを出力する異常判別部と，
前記異常判別部の異常信号に応じて異なる保護動作を行う保護部とを有することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスイッチング電源装置において，
前記異常判別部は，
時間差が第１の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第１異常信号出力部と， 前記第１過電流検知手段による過電流の検出後，第１の基準時間より短くない第２の基準時間が経過しても前記第２過電流検知手段が過電流を検知しない場合に異常信号を出力する第２異常信号出力部とを有し，
前記保護部は，
前記第１異常信号出力部の異常信号により前記スイッチング素子をオフさせる出力停止操作部と，
前記第２異常信号出力部の異常信号により前記スイッチング素子へのパルス信号のデューティ比を低下させるデューティ低下操作部とを有する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に記載のスイッチング電源装置において，
前記異常判別部は，
時間差が第１の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第１異常信号出力部と， 前記第１過電流検知手段による過電流の検出後，第１の基準時間より短くない第２の基準時間が経過しても前記第２過電流検知手段が過電流を検知しない場合に異常信号を出力する第２異常信号出力部とを有し，
前記保護部は，
前記第１異常信号出力部の異常信号により前記スイッチング素子をオフさせる出力停止操作部と，
前記第２異常信号出力部の異常信号により少なくとも一部の負荷への電流供給を遮断する負荷切り離し操作部を有する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２または請求項３に記載のスイッチング電源装置において，
第２の基準時間が第１の基準時間より長く，
前記異常判別部は，時間差が第１の基準時間より長く第２の基準時間より短い場合に異常信号を出力する第３異常信号出力部を有することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載のスイッチング電源装置において，
前記第１過電流検知手段による過電流の検知から前記第２過電流検知手段による過電流の検知までカウントを行うカウンタを有し，
前記第１異常信号出力部は，前記カウンタのカウント値が第１の基準時間に相当する値に達する前に前記第２過電流検知手段が過電流を検知すると異常信号を出力するものであり，
前記第２異常信号出力部は，前記カウンタのカウント値が第２の基準時間に相当する値に達すると異常信号を出力するものであることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項６】
請求項４に記載のスイッチング電源装置において，
前記第１過電流検知手段による過電流の検知から前記第２過電流検知手段による過電流の検知までカウントを行うカウンタを有し，
前記第３異常信号出力部は，前記カウンタのカウント値が第１の基準時間に相当する値に達してから第２の基準時間に相当する値に達するまでの間に前記第２過電流検知手段が過電流を検知すると異常信号を出力するものであることを特徴とするスイッチング電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２５５４７（Ｐ２００６−２５５４７Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０２０１７（Ｐ２００４−２０２０１７）
【出願日】平成１６年７月８日（２００４．７．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月８日（２００４．７．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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