集積化スイッチング電源装置および電気機器
【課題】ＭＨｚ以上の高速スイッチングが可能となるとともに小型化が可能となる集積化スイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】集積化スイッチング電源装置１００は、スイッチング素子Ｑ１と、定電流素子Ｑ２と、ダイオードＤ１とが直列に接続される直列接続体ＳＣＢと、定電流素子を駆動制御する駆動制御素子１０１と、直列接続体の一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子ｔ１と、直列接続体の他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子ｔ２と、スイッチング素子のいずれかの主端子とダイオードの主端子との接続点から導出された第３の外部端子ｔ３と、スイッチング素子の制御端子から導出された第４の外部端子ｔ４と、駆動制御素子に電源を供給する第５の外部端子ｔ５と、駆動制御素子に基準電位を入力する第６の外部端子ｔ６と、駆動制御素子に外部から信号を入力する第７の外部端子ｔ７とを含む外部端子とを持つ。
【解決手段】集積化スイッチング電源装置１００は、スイッチング素子Ｑ１と、定電流素子Ｑ２と、ダイオードＤ１とが直列に接続される直列接続体ＳＣＢと、定電流素子を駆動制御する駆動制御素子１０１と、直列接続体の一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子ｔ１と、直列接続体の他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子ｔ２と、スイッチング素子のいずれかの主端子とダイオードの主端子との接続点から導出された第３の外部端子ｔ３と、スイッチング素子の制御端子から導出された第４の外部端子ｔ４と、駆動制御素子に電源を供給する第５の外部端子ｔ５と、駆動制御素子に基準電位を入力する第６の外部端子ｔ６と、駆動制御素子に外部から信号を入力する第７の外部端子ｔ７とを含む外部端子とを持つ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、集積化スイッチング電源装置および電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＬＥＤ点灯装置、及びＬＥＤ点灯装置を備える照明器具においては、少なくとも１つのノーマリーオンタイプのスイッチング素子を有し、スイッチング素子のオンオフ動作により直流出力を発生する出力生成手段と、出力生成手段より発生される直流出力により点灯される半導体発光素子と、半導体発光素子を流れる電流を用いてスイッチング素子をオフ動作させる駆動制御手段とを具備するとともに、スイッチング素子と、出力生成手段の定電流素子およびダイオードとを直列接続して集積化させることができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１９２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、ＭＨｚ以上の高周波スイッチングが可能となるとともにより小型化が可能となる集積化スイッチング電源装置および電気機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の集積化スイッチング電源装置および電気機器は、スイッチング素子と、定電流素子と、ダイオードとが直列に接続される直列接続体と；定電流素子の制御端子に接続されるとともに定電流素子を駆動制御する駆動制御素子と；直列接続体の一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子と、直列接続体の他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子と、スイッチング素子および定電流素子のいずれかの主端子とダイオードの主端子との接続点から導出された第３の外部端子と、スイッチング素子の制御端子から導出された第４の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子の電源供給源に接続する第５の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に基準電位を入力する第６の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に外部から信号を入力する第７の外部端子とを含む複数の外部端子と；を持つ。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、スイッチング素子と、定電流素子と、ダイオードとが直列に接続される直列接続体および定電流素子の制御端子に接続されるとともに定電流素子を駆動制御する駆動制御素子を集積化することにより、各素子間を接続するためのパターン配線長が短くなるので、ＭＨｚ以上の高周波スイッチングが可能となり、集積化スイッチング電源装置および電気機器の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施例に係る集積化スイッチング電源装置および電気機器を例示する回路図である。
【図２】同集積化スイッチング電源装置の形態を示し、（ａ）は模式的上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。
【図３】同集積化スイッチング電源装置を例示する回路図である。
【図４】第２の実施例に係る集積化スイッチング電源装置を例示する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１の実施形態）第１の実施形態の集積化スイッチング電源装置は、スイッチング素子と、定電流素子と、ダイオードとが直列に接続される直列接続体と；定電流素子の制御端子に接続されるとともに定電流素子を駆動制御する駆動制御素子と；直列接続体の一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子と、直列接続体の他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子と、スイッチング素子および定電流素子のいずれかの主端子とダイオードの主端子との接続点から導出された第３の外部端子と、スイッチング素子の制御端子から導出された第４の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子の電源供給源に接続する第５の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に基準電位を入力する第６の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に外部から信号を入力する第７の外部端子とを含む複数の外部端子と；を持つ。
【０００９】
（第２の実施形態）第２の実施形態の集積化スイッチング電源装置は、第1の実施形態に記載の集積化スイッチング電源装置において、直列接続体の定電流素子および駆動制御素子は集積化されるとともにモジュール化されていることを特徴とする。
【００１０】
（第３の実施形態）第３の実施形態の集積化スイッチング電源装置は、第２の実施形態に記載の集積化スイッチング電源装置において、直列接続体のスイッチング素子およびダイオードは集積化されていることを特徴とする。
【００１１】
（第４の実施形態）第４の実施形態の集積化スイッチング電源装置は、第１〜第３の実施形態のいずれか１つに記載の集積化スイッチング電源装置において、第３の外部端子と、第６の外部端子とは共通化されていることを特徴とする。
【００１２】
（第５の実施形態）第５の実施形態の電気機器は、第１〜第４の実施形態のいずれか１つに記載の集積化スイッチング電源装置と；集積化スイッチング電源装置が接続された負荷回路と；負荷回路が接続された照明負荷と；を持つ。
【００１３】
以下、実施形態の集積化スイッチング電源装置および電気機器を図面を参照して説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の形状と幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。さらに、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【実施例１】
【００１４】
第１の実施例について説明する。図１は、第１の実施例に係る集積化スイッチング電源装置を含む電気機器を例示する回路図である。図２（ａ）、（ｂ）は、スイッチング電源用装置の形態を例示し、（ａ）は模式的上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。図３は、第１の実施例に係る集積化スイッチング電源装置を例示する回路図である。
【００１５】
第１の実施例に係る集積化スイッチング電源装置１００においては、図１および図２に示すように、スイッチング素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２およびダイオードＤ１を直列に接続して集積化された直列接続体ＳＣＢを備えている。定電流素子Ｑ２の制御端子（ゲート）に接続されるとともに定電流素子Ｑ２を駆動制御する駆動制御素子１０１を備えている。
【００１６】
スイッチング電源用装置１００においては、直列接続体ＳＣＢの一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子ｔ１と、直列接続体ＳＣＢの他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子ｔ２と、スイッチング素子Ｑ１および定電流素子Ｑ２のいずれかの主端子とダイオードＤ１の主端子との接続点から導出された第３の外部端子ｔ３と、スイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）から導出された第４の外部端子ｔ４と、駆動制御素子１０１から導出されるとともに駆動制御素子１０１に電源を供給する第５の外部端子ｔ５と、駆動制御素子１０１から導出されるとともに駆動制御素子１０１に基準電位を入力する第６の外部端子ｔ６と、駆動制御素子１０１から導出されるとともに駆動制御素子１０１に外部から信号を入力する第７の外部端子ｔ７とを含む複数の外部端子とを含むとして、第１ないし第７の外部端子ｔ１〜ｔ７を備えている。
【００１７】
集積化スイッチング電源装置１００は、第１のインダクタＬ１を主要回路部品とする外付けの回路部品と組み合わせてスイッチング電源ＳＲを構成することができる。そして、直流電源ＤＣから直流電力の入力を得て動作し、その出力の直流電力で負荷回路ＬＣを付勢する。
【００１８】
本実施例において、スイッチング素子Ｑ１は、スイッチング電源ＳＲのスイッチングを行う。スイッチング素子Ｑ１は、ノーマリオン特性を有するスイッチング素子すなわちノーマリオンスイッチおよびノーマリオフ特性を有するスイッチング素子すなわちノーマリオフスイッチのいずれであってもよい。
【００１９】
ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子の場合、ノーマリオン特性を有しているものの方が得やすく、スイッチングが速く、かつ低オン抵抗である。また、ノーマリオフスイッチは、電源投入時にオフしているので、扱いやすいが、自励発振で動作させた場合、発振開始の起動回路を必要とする。しかし、簡単な起動回路を付加すればよいので、基本的な問題はない。ノーマリオンスイッチであれば、電源投入時に起動回路を付加しなくてもよいので、回路を簡素化でき、その分集積化スイッチング電源装置１００やこれを用いたスイッチング電源ＳＲの小形化に寄与する。ノーマリオンスイッチの場合のオフ動作は、定電流素子Ｑ２で行うのが好ましい。
【００２０】
スイッチング素子Ｑ１にワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子、例えばＧａＮ−ＨＥＭＴを用いると、高周波でのスイッチング特性が著しく向上するので、ＭＨｚ以上、好ましくは１０ＭＨｚ以上で動作する本実施例のスイッチング素子Ｑ１として好適である。スイッチング電源ＳＲの動作周波数が上述のように高くなると、第１および第２のインダクタＬ１、ＤＷも小形化するためにスイッチング電源ＳＲの大幅な小形化を図ることができる。なお、ワイドバンドギャップ半導体は、例えば半導体基板に炭化珪素(ＳｉＣ）や窒化ガリウム(ＧａＮ）やダイヤモンドのようなワイドバンドギャップを有する半導体であればどのようなものであってもよい。
【００２１】
本実施例において、定電流素子Ｑ２は、定電流特性を有する素子であり、所定の定電流値を超えたとき、スイッチング素子Ｑ１をオフさせる。定電流素子Ｑ２は、ＭＨｚ以上の周波数領域、好ましくは１０ＭＨｚ以上の周波数領域で動作させ得る素子である。例えば、接合型ＦＥＴなどを用いることができる。なお、接合型ＦＥＴの一種であるＧａＮ−ＨＥＭＴを定電流素子Ｑ２として使用するのが好適である。この場合、ゲート電圧を変化させることで定電流値を変更することができる。その高速性から定電流値に達した後、定電流素子Ｑ２のドレイン−ソース間電圧が素速く上昇し、スイッチング素子Ｑ１をオフさせる。なお、定電流値が固定の場合、定電流素子Ｑ２として定電流ダイオードを用いることもできる。
【００２２】
また、定電流素子Ｑ２は、スイッチング素子Ｑ１をオフさせるために、スイッチング素子Ｑ１のオン時に第１のインダクタＬ１に電流が流れる回路中にスイッチング素子Ｑ１と直列に介在するように回路を構成する。さらに、定電流素子Ｑ２は、スイッチング素子Ｑ１を駆動する第２のインダクタＤＷを含む第１のスイッチング素子Ｑ１の駆動回路中にも介在するように回路を構成する。
【００２３】
本実施例において、ダイオードＤ１は、ＭＨｚ以上の周波数領域で動作し得るものであり、後述するスイッチング電源回路ＳＲの第１のインダクタＬ１から減少する電流（回生電流）が流出する際の回路を提供する。ワイドバンドギャップ半導体、例えばＧａＮ系のダイオードを用いることにより、上記周波数条件を容易に満足することができる。なお、上記ダイオードＤ１は、１０ＭＨｚ以上の周波数領域であっても良好な動作を行い、より一層の高速スイッチングが可能になる。また、ダイオードＤ１は、第１のインダクタＬ１から減少する電流を順方向として流せるものであればよい。
【００２４】
このように、直列接続体ＳＣＢは、ＭＨｚ以上の周波数領域で動作し得るものであり、好ましくは、１０ＭＨｚ以上の周波数領域であっても良好な動作を行い得るものである。直列接続体ＳＣＢの各素子は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）よりもバンドギャップの広いワイドバンドギャップ半導体で構成される。
【００２５】
本実施例に係る集積化スイッチング電源装置１００の直列接続体ＳＣＢにおいては、図１に示すように、スイッチング素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２およびダイオードＤ１の順に図示極性で直列に接続されている。第１の外部端子ｔ１は、スイッチング素子Ｑ１の一方の主端子（ドレイン）から導出され、第２の外部端子ｔ２は、ダイオードＤ１の他方の主端子（アノード）から導出される。また、第３の外部端子ｔ３は、定電流素子Ｑ２の他方の主端子（ソース）およびダイオードＤ１の一方の主端子（カソード）の接続点から導出される。第４の外部端子ｔ４は、スイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）から導出される。第５の外部端子ｔ５は、駆動制御素子１０１に電源を供給するとともに駆動制御素子１０１から導出される。第６の外部端子ｔ６は、駆動制御素子１０１に基準電位を入力するとともに駆動制御素子から導出される。第７の外部端子は、駆動制御素子１０１に外部から信号を入力するとともに駆動制御素子から導出される。このように、本実施例に係る集積化スイッチング電源装置１００は、７つの外部端子を含んでいる。
【００２６】
また、集積化スイッチング電源装置１００は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、例えばＧａＮ系マルチチップ構造によって構成され、フリップチップ実装されている。なお、所望によりスイッチング素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２およびダイオードＤ１を直列接続するように連続して、ＧａＮ系シングルチップに形成した構成であってもよい。
【００２７】
ＧａＮ系マルチチップ構造によって構成した場合は、図２（ｂ）に示すように、例えば金属基板Ｍ、絶縁層Ｉ、ＧａＮチップＧＣ、レジスト層Ｒおよび半田バンプＢＵを備えた積層体として構成される。ＧａＮチップＧＣは、図２（ａ）の点線で示す相対的に大きな四角形部分が、スイッチング素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２およびダイオードＤ１のそれぞれのチップであり、それらが一体化され、かつ直列接続して構成されている。なお、図中の実線で示す相対的に小さな四角形部分は、レジスト層Ｒに形成されたバンプ用開口であり、その中に複数の外部端子ｔ１〜ｔ７が導出されるスイッチ素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２、ダイオードＤ１および駆動制御素子１０１の外部端子を形成する電極Ｅが臨んでいる。また、点線で示す相対的に小さな四角形部分は、外部端子が導出されない上記と同様の端子部分である。図２（ｂ）に示されている３つの半田バンプＢＵは、それぞれ第１の外部端子ｔ１、第２の外部端子ｔ２および第３の外部端子ｔ３を形成している。なお、半田バンプＢＵを除いて、集積化スイッチング電源装置１００の外周を既知のパッケージ（図示しない。）で包囲することができる。
【００２８】
また、直列接続した第１のスイッチング素子Ｑ１と定電流素子Ｑ２とを１チップに形成し、ダイオードＤ１を独立に１チップに形成して、マルチチップに形成した素子を一体化して集積化スイッチング電源装置１００を構成することもできる。スイッチング素子Ｑ１と定電流素子Ｑ２とが形成されたチップと、ダイオードＤ１が形成されたチップとをそれぞれ共通回路部品とすることができ、多様な回路形態に対応することができる。
【００２９】
本実施例によれば、集積化スイッチング電源装置１００が上述の構成を具備していることにより、定電流素子Ｑ２を流れる増加する電流が定電流値に到達し、さらに増加しようとすると、定電流素子Ｑ２の両端の電圧が急激に上昇する。そのとき定電流素子Ｑ２に生じる両端の電圧上昇によって、スイッチング素子Ｑ１の駆動回路に組み込まれる他方の主端子（ソース）の電位を、制御端子（ゲート）の電位に対して相対的に高くすることができる。その結果、制御端子の電位がスイッチング素子Ｑ１の閾値電圧より低くなるため、スイッチング素子Ｑ１をオフさせることができる。この回路動作は、スイッチング素子Ｑ１がノーマリオンスイッチで、かつ閾値電圧が負であることにより、一層容易かつ確実になるが、ノーマリオフスイッチに対しても有効である。
【００３０】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００を用いて構成されるスイッチング電源回路ＳＲは、図１に示したように、直流電源ＤＣおよびチョッパ回路ＣＨＣを具備している。入力端ｔ１１、ｔ１２は、整流回路Ｒｅｃを介して交流電源ＡＣに接続され、出力端ｔ１３、ｔ１４には、負荷回路ＬＣが接続される。
【００３１】
本実施例において、チョッパ回路ＣＨＣは、降圧チョッパ、昇圧チョッパおよび昇降圧チョッパなどの各種チョッパを含む概念である。さらに、チョッパ回路ＣＨＣには、同期整流方式の場合も含まれる。上記各チョッパは、いずれも集積化スイッチング電源装置１００および第１のインダクタＬ１を主構成要素として構成されるものである。そして、スイッチング素子Ｑ１をオンさせることにより、直流電源ＤＣから第１のインダクタＬ１に増加する電流が流れる。また、スイッチング素子Ｑ１をオフさせることにより、第１のインダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーが放出され、ダイオードＤ１を経由して減少する電流が流れるという動作を繰り返す。そして、直流電源ＤＣの電圧をＤＣ−ＤＣ変換して、出力端に直流電圧を出力する点で共通している。なお、同期整流方式の場合は、上記に追加してさらに、スイッチング素子Ｑ１がオフのとき、図示しない第２のスイッチング素子をオンさせ、スイッチング素子Ｑ１をオンさせるとき、図示しない第２のスイッチング素子をオフさせる。
【００３２】
また、本実施例において、チョッパ回路ＣＨＣは、第１のインダクタＬ１に磁気結合する第２のインダクタＤＷを具備している。この第２のインダクタＤＷは、スイッチング素子Ｑ１がオンして第１のインダクタＬ１に流れる増加する電流を検出して、その出力電圧でスイッチング素子Ｑ１をオン状態に維持する。すなわち、第２のインダクタＤＷは、第１のインダクタＬ１に増加する電流が流れるとき誘起される電位を、第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）に供給して、スイッチング素子Ｑ１をオン状態に維持する。
【００３３】
さらに、チョッパ回路ＣＨＣは、入力端ｔ１１、ｔ１２および出力端ｔ１３、ｔ１４を備え、内部は、降圧チョッパ、昇圧チョッパおよび昇降圧チョッパなど既知の各種チョッパのいずれかにより構成されている。
【００３４】
直流電源ＤＣは、上述のチョッパ回路ＣＨＣに対して変換前の直流電圧を入力する。また、直流電源ＤＣは、直流電圧を出力できればどのような構成でもよい。例えば、整流回路Ｒｅｃを主体として構成され、所望により平滑コンデンサなどからなる平滑回路を設けることができる。また、バッテリーなどの二次電池を用いることもできる。図１においては、整流回路Ｒｅｃは、好ましくはブリッジ形整流回路からなり、交流電源ＡＣ、例えば商用交流電源の交流電圧を全波整流して直流電圧を出力する構成を例示している。
【００３５】
第１の実施例において、所望によりスイッチング電源回路ＳＲをモジュール化してスイッチング電源モジュールを構成することができる。このモジュールは、ＭＨｚ以上の周波数領域、好適には１０ＭＨｚ以上の周波数領域で動作するスイッチング電源回路ＳＲに好適である。また、スイッチング電源モジュールに設けられる外部端子は、いずれも直流用であり、直流の入出力だけに用いられる。したがって、動作が安定であるとともに、スイッチング電源回路ＳＲの顕著な小形化を実現することができる。また、スイッチング電源回路ＳＲを負荷回路ＬＣ、例えば照明装置の発光ダイオードに隣接して設けることも可能になり、照明装置などの全体の著しい小形化に寄与する。また、第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＤＷとを含むインダクタＬと、集積化スイッチング電源装置１００と、をスイッチング電源用モジュールＳＭＪとしてモジュール化してもよい。
【００３６】
第1の実施例の集積化スイッチング電源装置１００を図３を参照して説明する。本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の構成について説明する。
【００３７】
スイッチング素子Ｑ１の一方の主端子であるドレインは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ１に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１の他方の主端子であるソースは、定電流素子Ｑ２の一方の主端子であるドレインに接続されている。スイッチング素子Ｑ１の制御素子（ゲート）は、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ４に接続されている。定電流素子Ｑ２の他方の主端子（ソース）は、ダイオードＤ１の一方の主端子であるカソードに接続され、定電流素子Ｑ２のソースとダイオードＤ１のカソードとの接続点は集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ３に接続されている。ダイオードＤ１の他方の主端子であるアノードは集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ２に接続されている。定電流素子Ｑ２の制御端子（ゲート）は駆動制御素子１０１の駆動回路１０１ｂに接続されている。駆動回路１０１ｂは発振回路１０１ａに接続される。発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ５に接続され、電源を供給される。また、発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６に接続され、基準電位を入力される。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６は、定電流素子Ｑ２のソースとダイオードＤ１のカソードとの接続点にも接続される。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ７は、駆動制御素子１０１の外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに接続される。また、外部Ｉ／Ｆ１０１ｃは、駆動制御素子１０１の発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂに接続される。
【００３８】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の動作について説明する。
【００３９】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００をスイッチング電源回路ＳＲのチョッパ回路ＣＨＣに自励式チョッパ回路として用いる場合には、前述したように、スイッチング素子Ｑ１または定電流素子Ｑ２に流れる電流が所定値に達したとき、定電流素子Ｑ２をオフさせるように駆動制御素子１０１が駆動制御動作し、定電流素子Ｑ２の主端子間（ドレイン−ソース間）の電圧変化を利用してスイッチング素子Ｑ１をオフさせる。
【００４０】
また、本実施例の集積化スイッチング電源装置１００をスイッチング電源回路ＳＲのチョッパ回路ＣＨＣに他励式チョッパ回路として用いる場合には、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ７に、駆動制御素子１０１の動作状態を外部から制御するために駆動制御素子１０１の外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに信号が入力される。外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに入力する信号としては、例えば、調光信号、定電流素子Ｑ２の駆動周波数制御信号、定電流素子Ｑ２のデューティー制御信号等がある。外部Ｉ／Ｆ１０１ｃは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ７から入力される信号に基づき、外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに接続された発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂに指示信号を入力する。発振回路１０１ａは、外部Ｉ／Ｆ１０１ｃから入力された指示信号に基づき発振動作を行い、発振動作に基づく信号を駆動回路１０１ｂに入力する。駆動回路１０１ｂは、発振回路１０１ａおよび外部Ｉ／Ｆ１０１ｃから入力される信号に基づき、定電流素子Ｑ２の制御端子（ゲート）に印加される電圧を制御する。なお、発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ５に接続され、電源を供給されるとともに定電流素子Ｑ２のソースとダイオードＤ１のカソードとの接続点に接続された集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６に接続され、基準電位を入力される。
【００４１】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の効果について説明する。
【００４２】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００は、スイッチング素子Ｑ１と、定電流素子Ｑ２と、ダイオードＤ１とが直列に接続される直列接続体ＳＣＢおよび定電流素子Ｑ２の制御端子に接続されるとともに定電流素子Ｑ２を駆動制御する駆動制御素子１０１を集積化することにより、各素子間を接続するためのパターン配線長が短くなるので、ＭＨｚ以上の高周波スイッチングが可能となり、集積化スイッチング電源装置１０１および電気機器の小型化が可能となる。
【００４３】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の変形例について説明する。
【００４４】
集積化スイッチング電源装置１００において、直列接続体ＳＣＢおよび駆動制御素子１０１を１チップに形成してもよいし、直列接続体ＳＣＢおよび駆動制御素子１０１をそれぞれ独立に１チップに形成し、マルチチップに形成した素子を一体化して集積化スイッチング電源装置１００を構成してもよい。
【００４５】
また、定電流素子Ｑ２および駆動制御素子１０１を素子１０２として１チップに形成し、スイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１を素子１０３として１チップに形成し、それぞれ独立に形成されたチップを一体化して集積化スイッチング電源装置１００を構成することもできる。
【００４６】
集積化スイッチング電源装置１００は、素子１０２および素子１０３をそれぞれ独立にチップとして形成し、素子１０２および素子１０３の２つのチップを一体化して形成されているので、スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧に対応した耐圧を有する市販の制御駆動ＩＣを素子１０２として用いることができる。
【００４７】
集積化スイッチング電源装置１００は、スイッチング電源ＳＲの入力電圧および出力電圧に対応した耐圧を有する必要があるスイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１を素子１０３として１チップに形成し、スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧に対応した耐圧を有する市販の制御駆動ＩＣを素子１０２として用いるとともに、素子１０２および素子１０３をモジュール化して構成するので、集積化スイッチング電源装置１００および電気機器のコストを低減することができる。
【実施例２】
【００４８】
第２の実施例の集積化スイッチング電源装置１００を図４を参照して説明する。本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の構成について説明する。
【００４９】
ダイオードＤ１の一方の主端子であるカソードは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ１に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１の一方の主端子であるドレインは、ダイオードＤ１の他方の主端子であるアノードに接続されている。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ１とダイオードＤ１のカソードの接続点に集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ３は接続されている。スイッチング素子Ｑ１の他方の主端子であるソースは、定電流素子Ｑ２の一方の主端子であるドレインに接続されている。スイッチング素子Ｑ１の制御素子（ゲート）は、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ４に接続されている。定電流素子Ｑ２の他方の主端子（ソース）は、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ２に接続されている。定電流素子Ｑ２の制御端子（ゲート）は駆動制御素子１０１の駆動回路１０１ｂに接続されている。駆動回路１０１ｂは発振回路１０１ａに接続される。発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ５に接続され、電源を供給される。また、発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６に接続され、基準電位を入力される。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６は、定電流素子Ｑ２のソースとダイオードＤ１のカソードとの接続点にも接続される。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ７は、駆動制御素子１０１の外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに接続される。また、外部Ｉ／Ｆ１０１ｃは、駆動制御素子１０１の発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂに接続される。
【００５０】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００は、実施例１と同様の動作および効果を有するとともに、実施例１と同様の変形例を適用可能である。
【００５１】
なお、本実施例において、直列接続体ＳＣＢは、スイッチング素子Ｑ１の一方の主端子であるドレインは、ダイオードＤ１の一方の主端子であるアノードに接続される構成であるため、実施例１よりもより容易にスイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１を素子１０３として１チップに形成することができ、素子１０３のコストを低減することができる。さらに、スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧に対応した耐圧を有する市販の制御駆動ＩＣを素子１０２として用いるとともに、素子１０２および素子１０３をモジュール化して構成すれば、集積化スイッチング電源装置１００および電気機器のコストをより一層低減することができる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態または実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態または実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態または実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
Ｑ１・・・スイッチング素子
Ｑ２・・・定電流素子
Ｄ１・・・ダイオード
ＳＣＢ・・・直列接続体
１０１・・・駆動制御素子
ｔ１・・・第1の外部端子
ｔ２・・・第２の外部端子
ｔ３・・・第３の外部端子
ｔ４・・・第４の外部端子
ｔ５・・・第５の外部端子
ｔ６・・・第６の外部端子
ｔ７・・・第７の外部端子
１００・・・集積化スイッチング装置
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、集積化スイッチング電源装置および電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＬＥＤ点灯装置、及びＬＥＤ点灯装置を備える照明器具においては、少なくとも１つのノーマリーオンタイプのスイッチング素子を有し、スイッチング素子のオンオフ動作により直流出力を発生する出力生成手段と、出力生成手段より発生される直流出力により点灯される半導体発光素子と、半導体発光素子を流れる電流を用いてスイッチング素子をオフ動作させる駆動制御手段とを具備するとともに、スイッチング素子と、出力生成手段の定電流素子およびダイオードとを直列接続して集積化させることができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１９２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、ＭＨｚ以上の高周波スイッチングが可能となるとともにより小型化が可能となる集積化スイッチング電源装置および電気機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の集積化スイッチング電源装置および電気機器は、スイッチング素子と、定電流素子と、ダイオードとが直列に接続される直列接続体と；定電流素子の制御端子に接続されるとともに定電流素子を駆動制御する駆動制御素子と；直列接続体の一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子と、直列接続体の他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子と、スイッチング素子および定電流素子のいずれかの主端子とダイオードの主端子との接続点から導出された第３の外部端子と、スイッチング素子の制御端子から導出された第４の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子の電源供給源に接続する第５の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に基準電位を入力する第６の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に外部から信号を入力する第７の外部端子とを含む複数の外部端子と；を持つ。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、スイッチング素子と、定電流素子と、ダイオードとが直列に接続される直列接続体および定電流素子の制御端子に接続されるとともに定電流素子を駆動制御する駆動制御素子を集積化することにより、各素子間を接続するためのパターン配線長が短くなるので、ＭＨｚ以上の高周波スイッチングが可能となり、集積化スイッチング電源装置および電気機器の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施例に係る集積化スイッチング電源装置および電気機器を例示する回路図である。
【図２】同集積化スイッチング電源装置の形態を示し、（ａ）は模式的上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。
【図３】同集積化スイッチング電源装置を例示する回路図である。
【図４】第２の実施例に係る集積化スイッチング電源装置を例示する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１の実施形態）第１の実施形態の集積化スイッチング電源装置は、スイッチング素子と、定電流素子と、ダイオードとが直列に接続される直列接続体と；定電流素子の制御端子に接続されるとともに定電流素子を駆動制御する駆動制御素子と；直列接続体の一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子と、直列接続体の他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子と、スイッチング素子および定電流素子のいずれかの主端子とダイオードの主端子との接続点から導出された第３の外部端子と、スイッチング素子の制御端子から導出された第４の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子の電源供給源に接続する第５の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に基準電位を入力する第６の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に外部から信号を入力する第７の外部端子とを含む複数の外部端子と；を持つ。
【０００９】
（第２の実施形態）第２の実施形態の集積化スイッチング電源装置は、第1の実施形態に記載の集積化スイッチング電源装置において、直列接続体の定電流素子および駆動制御素子は集積化されるとともにモジュール化されていることを特徴とする。
【００１０】
（第３の実施形態）第３の実施形態の集積化スイッチング電源装置は、第２の実施形態に記載の集積化スイッチング電源装置において、直列接続体のスイッチング素子およびダイオードは集積化されていることを特徴とする。
【００１１】
（第４の実施形態）第４の実施形態の集積化スイッチング電源装置は、第１〜第３の実施形態のいずれか１つに記載の集積化スイッチング電源装置において、第３の外部端子と、第６の外部端子とは共通化されていることを特徴とする。
【００１２】
（第５の実施形態）第５の実施形態の電気機器は、第１〜第４の実施形態のいずれか１つに記載の集積化スイッチング電源装置と；集積化スイッチング電源装置が接続された負荷回路と；負荷回路が接続された照明負荷と；を持つ。
【００１３】
以下、実施形態の集積化スイッチング電源装置および電気機器を図面を参照して説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の形状と幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。さらに、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【実施例１】
【００１４】
第１の実施例について説明する。図１は、第１の実施例に係る集積化スイッチング電源装置を含む電気機器を例示する回路図である。図２（ａ）、（ｂ）は、スイッチング電源用装置の形態を例示し、（ａ）は模式的上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。図３は、第１の実施例に係る集積化スイッチング電源装置を例示する回路図である。
【００１５】
第１の実施例に係る集積化スイッチング電源装置１００においては、図１および図２に示すように、スイッチング素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２およびダイオードＤ１を直列に接続して集積化された直列接続体ＳＣＢを備えている。定電流素子Ｑ２の制御端子（ゲート）に接続されるとともに定電流素子Ｑ２を駆動制御する駆動制御素子１０１を備えている。
【００１６】
スイッチング電源用装置１００においては、直列接続体ＳＣＢの一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子ｔ１と、直列接続体ＳＣＢの他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子ｔ２と、スイッチング素子Ｑ１および定電流素子Ｑ２のいずれかの主端子とダイオードＤ１の主端子との接続点から導出された第３の外部端子ｔ３と、スイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）から導出された第４の外部端子ｔ４と、駆動制御素子１０１から導出されるとともに駆動制御素子１０１に電源を供給する第５の外部端子ｔ５と、駆動制御素子１０１から導出されるとともに駆動制御素子１０１に基準電位を入力する第６の外部端子ｔ６と、駆動制御素子１０１から導出されるとともに駆動制御素子１０１に外部から信号を入力する第７の外部端子ｔ７とを含む複数の外部端子とを含むとして、第１ないし第７の外部端子ｔ１〜ｔ７を備えている。
【００１７】
集積化スイッチング電源装置１００は、第１のインダクタＬ１を主要回路部品とする外付けの回路部品と組み合わせてスイッチング電源ＳＲを構成することができる。そして、直流電源ＤＣから直流電力の入力を得て動作し、その出力の直流電力で負荷回路ＬＣを付勢する。
【００１８】
本実施例において、スイッチング素子Ｑ１は、スイッチング電源ＳＲのスイッチングを行う。スイッチング素子Ｑ１は、ノーマリオン特性を有するスイッチング素子すなわちノーマリオンスイッチおよびノーマリオフ特性を有するスイッチング素子すなわちノーマリオフスイッチのいずれであってもよい。
【００１９】
ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子の場合、ノーマリオン特性を有しているものの方が得やすく、スイッチングが速く、かつ低オン抵抗である。また、ノーマリオフスイッチは、電源投入時にオフしているので、扱いやすいが、自励発振で動作させた場合、発振開始の起動回路を必要とする。しかし、簡単な起動回路を付加すればよいので、基本的な問題はない。ノーマリオンスイッチであれば、電源投入時に起動回路を付加しなくてもよいので、回路を簡素化でき、その分集積化スイッチング電源装置１００やこれを用いたスイッチング電源ＳＲの小形化に寄与する。ノーマリオンスイッチの場合のオフ動作は、定電流素子Ｑ２で行うのが好ましい。
【００２０】
スイッチング素子Ｑ１にワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子、例えばＧａＮ−ＨＥＭＴを用いると、高周波でのスイッチング特性が著しく向上するので、ＭＨｚ以上、好ましくは１０ＭＨｚ以上で動作する本実施例のスイッチング素子Ｑ１として好適である。スイッチング電源ＳＲの動作周波数が上述のように高くなると、第１および第２のインダクタＬ１、ＤＷも小形化するためにスイッチング電源ＳＲの大幅な小形化を図ることができる。なお、ワイドバンドギャップ半導体は、例えば半導体基板に炭化珪素(ＳｉＣ）や窒化ガリウム(ＧａＮ）やダイヤモンドのようなワイドバンドギャップを有する半導体であればどのようなものであってもよい。
【００２１】
本実施例において、定電流素子Ｑ２は、定電流特性を有する素子であり、所定の定電流値を超えたとき、スイッチング素子Ｑ１をオフさせる。定電流素子Ｑ２は、ＭＨｚ以上の周波数領域、好ましくは１０ＭＨｚ以上の周波数領域で動作させ得る素子である。例えば、接合型ＦＥＴなどを用いることができる。なお、接合型ＦＥＴの一種であるＧａＮ−ＨＥＭＴを定電流素子Ｑ２として使用するのが好適である。この場合、ゲート電圧を変化させることで定電流値を変更することができる。その高速性から定電流値に達した後、定電流素子Ｑ２のドレイン−ソース間電圧が素速く上昇し、スイッチング素子Ｑ１をオフさせる。なお、定電流値が固定の場合、定電流素子Ｑ２として定電流ダイオードを用いることもできる。
【００２２】
また、定電流素子Ｑ２は、スイッチング素子Ｑ１をオフさせるために、スイッチング素子Ｑ１のオン時に第１のインダクタＬ１に電流が流れる回路中にスイッチング素子Ｑ１と直列に介在するように回路を構成する。さらに、定電流素子Ｑ２は、スイッチング素子Ｑ１を駆動する第２のインダクタＤＷを含む第１のスイッチング素子Ｑ１の駆動回路中にも介在するように回路を構成する。
【００２３】
本実施例において、ダイオードＤ１は、ＭＨｚ以上の周波数領域で動作し得るものであり、後述するスイッチング電源回路ＳＲの第１のインダクタＬ１から減少する電流（回生電流）が流出する際の回路を提供する。ワイドバンドギャップ半導体、例えばＧａＮ系のダイオードを用いることにより、上記周波数条件を容易に満足することができる。なお、上記ダイオードＤ１は、１０ＭＨｚ以上の周波数領域であっても良好な動作を行い、より一層の高速スイッチングが可能になる。また、ダイオードＤ１は、第１のインダクタＬ１から減少する電流を順方向として流せるものであればよい。
【００２４】
このように、直列接続体ＳＣＢは、ＭＨｚ以上の周波数領域で動作し得るものであり、好ましくは、１０ＭＨｚ以上の周波数領域であっても良好な動作を行い得るものである。直列接続体ＳＣＢの各素子は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）よりもバンドギャップの広いワイドバンドギャップ半導体で構成される。
【００２５】
本実施例に係る集積化スイッチング電源装置１００の直列接続体ＳＣＢにおいては、図１に示すように、スイッチング素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２およびダイオードＤ１の順に図示極性で直列に接続されている。第１の外部端子ｔ１は、スイッチング素子Ｑ１の一方の主端子（ドレイン）から導出され、第２の外部端子ｔ２は、ダイオードＤ１の他方の主端子（アノード）から導出される。また、第３の外部端子ｔ３は、定電流素子Ｑ２の他方の主端子（ソース）およびダイオードＤ１の一方の主端子（カソード）の接続点から導出される。第４の外部端子ｔ４は、スイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）から導出される。第５の外部端子ｔ５は、駆動制御素子１０１に電源を供給するとともに駆動制御素子１０１から導出される。第６の外部端子ｔ６は、駆動制御素子１０１に基準電位を入力するとともに駆動制御素子から導出される。第７の外部端子は、駆動制御素子１０１に外部から信号を入力するとともに駆動制御素子から導出される。このように、本実施例に係る集積化スイッチング電源装置１００は、７つの外部端子を含んでいる。
【００２６】
また、集積化スイッチング電源装置１００は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、例えばＧａＮ系マルチチップ構造によって構成され、フリップチップ実装されている。なお、所望によりスイッチング素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２およびダイオードＤ１を直列接続するように連続して、ＧａＮ系シングルチップに形成した構成であってもよい。
【００２７】
ＧａＮ系マルチチップ構造によって構成した場合は、図２（ｂ）に示すように、例えば金属基板Ｍ、絶縁層Ｉ、ＧａＮチップＧＣ、レジスト層Ｒおよび半田バンプＢＵを備えた積層体として構成される。ＧａＮチップＧＣは、図２（ａ）の点線で示す相対的に大きな四角形部分が、スイッチング素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２およびダイオードＤ１のそれぞれのチップであり、それらが一体化され、かつ直列接続して構成されている。なお、図中の実線で示す相対的に小さな四角形部分は、レジスト層Ｒに形成されたバンプ用開口であり、その中に複数の外部端子ｔ１〜ｔ７が導出されるスイッチ素子Ｑ１、定電流素子Ｑ２、ダイオードＤ１および駆動制御素子１０１の外部端子を形成する電極Ｅが臨んでいる。また、点線で示す相対的に小さな四角形部分は、外部端子が導出されない上記と同様の端子部分である。図２（ｂ）に示されている３つの半田バンプＢＵは、それぞれ第１の外部端子ｔ１、第２の外部端子ｔ２および第３の外部端子ｔ３を形成している。なお、半田バンプＢＵを除いて、集積化スイッチング電源装置１００の外周を既知のパッケージ（図示しない。）で包囲することができる。
【００２８】
また、直列接続した第１のスイッチング素子Ｑ１と定電流素子Ｑ２とを１チップに形成し、ダイオードＤ１を独立に１チップに形成して、マルチチップに形成した素子を一体化して集積化スイッチング電源装置１００を構成することもできる。スイッチング素子Ｑ１と定電流素子Ｑ２とが形成されたチップと、ダイオードＤ１が形成されたチップとをそれぞれ共通回路部品とすることができ、多様な回路形態に対応することができる。
【００２９】
本実施例によれば、集積化スイッチング電源装置１００が上述の構成を具備していることにより、定電流素子Ｑ２を流れる増加する電流が定電流値に到達し、さらに増加しようとすると、定電流素子Ｑ２の両端の電圧が急激に上昇する。そのとき定電流素子Ｑ２に生じる両端の電圧上昇によって、スイッチング素子Ｑ１の駆動回路に組み込まれる他方の主端子（ソース）の電位を、制御端子（ゲート）の電位に対して相対的に高くすることができる。その結果、制御端子の電位がスイッチング素子Ｑ１の閾値電圧より低くなるため、スイッチング素子Ｑ１をオフさせることができる。この回路動作は、スイッチング素子Ｑ１がノーマリオンスイッチで、かつ閾値電圧が負であることにより、一層容易かつ確実になるが、ノーマリオフスイッチに対しても有効である。
【００３０】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００を用いて構成されるスイッチング電源回路ＳＲは、図１に示したように、直流電源ＤＣおよびチョッパ回路ＣＨＣを具備している。入力端ｔ１１、ｔ１２は、整流回路Ｒｅｃを介して交流電源ＡＣに接続され、出力端ｔ１３、ｔ１４には、負荷回路ＬＣが接続される。
【００３１】
本実施例において、チョッパ回路ＣＨＣは、降圧チョッパ、昇圧チョッパおよび昇降圧チョッパなどの各種チョッパを含む概念である。さらに、チョッパ回路ＣＨＣには、同期整流方式の場合も含まれる。上記各チョッパは、いずれも集積化スイッチング電源装置１００および第１のインダクタＬ１を主構成要素として構成されるものである。そして、スイッチング素子Ｑ１をオンさせることにより、直流電源ＤＣから第１のインダクタＬ１に増加する電流が流れる。また、スイッチング素子Ｑ１をオフさせることにより、第１のインダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーが放出され、ダイオードＤ１を経由して減少する電流が流れるという動作を繰り返す。そして、直流電源ＤＣの電圧をＤＣ−ＤＣ変換して、出力端に直流電圧を出力する点で共通している。なお、同期整流方式の場合は、上記に追加してさらに、スイッチング素子Ｑ１がオフのとき、図示しない第２のスイッチング素子をオンさせ、スイッチング素子Ｑ１をオンさせるとき、図示しない第２のスイッチング素子をオフさせる。
【００３２】
また、本実施例において、チョッパ回路ＣＨＣは、第１のインダクタＬ１に磁気結合する第２のインダクタＤＷを具備している。この第２のインダクタＤＷは、スイッチング素子Ｑ１がオンして第１のインダクタＬ１に流れる増加する電流を検出して、その出力電圧でスイッチング素子Ｑ１をオン状態に維持する。すなわち、第２のインダクタＤＷは、第１のインダクタＬ１に増加する電流が流れるとき誘起される電位を、第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）に供給して、スイッチング素子Ｑ１をオン状態に維持する。
【００３３】
さらに、チョッパ回路ＣＨＣは、入力端ｔ１１、ｔ１２および出力端ｔ１３、ｔ１４を備え、内部は、降圧チョッパ、昇圧チョッパおよび昇降圧チョッパなど既知の各種チョッパのいずれかにより構成されている。
【００３４】
直流電源ＤＣは、上述のチョッパ回路ＣＨＣに対して変換前の直流電圧を入力する。また、直流電源ＤＣは、直流電圧を出力できればどのような構成でもよい。例えば、整流回路Ｒｅｃを主体として構成され、所望により平滑コンデンサなどからなる平滑回路を設けることができる。また、バッテリーなどの二次電池を用いることもできる。図１においては、整流回路Ｒｅｃは、好ましくはブリッジ形整流回路からなり、交流電源ＡＣ、例えば商用交流電源の交流電圧を全波整流して直流電圧を出力する構成を例示している。
【００３５】
第１の実施例において、所望によりスイッチング電源回路ＳＲをモジュール化してスイッチング電源モジュールを構成することができる。このモジュールは、ＭＨｚ以上の周波数領域、好適には１０ＭＨｚ以上の周波数領域で動作するスイッチング電源回路ＳＲに好適である。また、スイッチング電源モジュールに設けられる外部端子は、いずれも直流用であり、直流の入出力だけに用いられる。したがって、動作が安定であるとともに、スイッチング電源回路ＳＲの顕著な小形化を実現することができる。また、スイッチング電源回路ＳＲを負荷回路ＬＣ、例えば照明装置の発光ダイオードに隣接して設けることも可能になり、照明装置などの全体の著しい小形化に寄与する。また、第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＤＷとを含むインダクタＬと、集積化スイッチング電源装置１００と、をスイッチング電源用モジュールＳＭＪとしてモジュール化してもよい。
【００３６】
第1の実施例の集積化スイッチング電源装置１００を図３を参照して説明する。本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の構成について説明する。
【００３７】
スイッチング素子Ｑ１の一方の主端子であるドレインは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ１に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１の他方の主端子であるソースは、定電流素子Ｑ２の一方の主端子であるドレインに接続されている。スイッチング素子Ｑ１の制御素子（ゲート）は、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ４に接続されている。定電流素子Ｑ２の他方の主端子（ソース）は、ダイオードＤ１の一方の主端子であるカソードに接続され、定電流素子Ｑ２のソースとダイオードＤ１のカソードとの接続点は集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ３に接続されている。ダイオードＤ１の他方の主端子であるアノードは集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ２に接続されている。定電流素子Ｑ２の制御端子（ゲート）は駆動制御素子１０１の駆動回路１０１ｂに接続されている。駆動回路１０１ｂは発振回路１０１ａに接続される。発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ５に接続され、電源を供給される。また、発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６に接続され、基準電位を入力される。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６は、定電流素子Ｑ２のソースとダイオードＤ１のカソードとの接続点にも接続される。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ７は、駆動制御素子１０１の外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに接続される。また、外部Ｉ／Ｆ１０１ｃは、駆動制御素子１０１の発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂに接続される。
【００３８】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の動作について説明する。
【００３９】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００をスイッチング電源回路ＳＲのチョッパ回路ＣＨＣに自励式チョッパ回路として用いる場合には、前述したように、スイッチング素子Ｑ１または定電流素子Ｑ２に流れる電流が所定値に達したとき、定電流素子Ｑ２をオフさせるように駆動制御素子１０１が駆動制御動作し、定電流素子Ｑ２の主端子間（ドレイン−ソース間）の電圧変化を利用してスイッチング素子Ｑ１をオフさせる。
【００４０】
また、本実施例の集積化スイッチング電源装置１００をスイッチング電源回路ＳＲのチョッパ回路ＣＨＣに他励式チョッパ回路として用いる場合には、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ７に、駆動制御素子１０１の動作状態を外部から制御するために駆動制御素子１０１の外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに信号が入力される。外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに入力する信号としては、例えば、調光信号、定電流素子Ｑ２の駆動周波数制御信号、定電流素子Ｑ２のデューティー制御信号等がある。外部Ｉ／Ｆ１０１ｃは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ７から入力される信号に基づき、外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに接続された発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂに指示信号を入力する。発振回路１０１ａは、外部Ｉ／Ｆ１０１ｃから入力された指示信号に基づき発振動作を行い、発振動作に基づく信号を駆動回路１０１ｂに入力する。駆動回路１０１ｂは、発振回路１０１ａおよび外部Ｉ／Ｆ１０１ｃから入力される信号に基づき、定電流素子Ｑ２の制御端子（ゲート）に印加される電圧を制御する。なお、発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ５に接続され、電源を供給されるとともに定電流素子Ｑ２のソースとダイオードＤ１のカソードとの接続点に接続された集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６に接続され、基準電位を入力される。
【００４１】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の効果について説明する。
【００４２】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００は、スイッチング素子Ｑ１と、定電流素子Ｑ２と、ダイオードＤ１とが直列に接続される直列接続体ＳＣＢおよび定電流素子Ｑ２の制御端子に接続されるとともに定電流素子Ｑ２を駆動制御する駆動制御素子１０１を集積化することにより、各素子間を接続するためのパターン配線長が短くなるので、ＭＨｚ以上の高周波スイッチングが可能となり、集積化スイッチング電源装置１０１および電気機器の小型化が可能となる。
【００４３】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の変形例について説明する。
【００４４】
集積化スイッチング電源装置１００において、直列接続体ＳＣＢおよび駆動制御素子１０１を１チップに形成してもよいし、直列接続体ＳＣＢおよび駆動制御素子１０１をそれぞれ独立に１チップに形成し、マルチチップに形成した素子を一体化して集積化スイッチング電源装置１００を構成してもよい。
【００４５】
また、定電流素子Ｑ２および駆動制御素子１０１を素子１０２として１チップに形成し、スイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１を素子１０３として１チップに形成し、それぞれ独立に形成されたチップを一体化して集積化スイッチング電源装置１００を構成することもできる。
【００４６】
集積化スイッチング電源装置１００は、素子１０２および素子１０３をそれぞれ独立にチップとして形成し、素子１０２および素子１０３の２つのチップを一体化して形成されているので、スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧に対応した耐圧を有する市販の制御駆動ＩＣを素子１０２として用いることができる。
【００４７】
集積化スイッチング電源装置１００は、スイッチング電源ＳＲの入力電圧および出力電圧に対応した耐圧を有する必要があるスイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１を素子１０３として１チップに形成し、スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧に対応した耐圧を有する市販の制御駆動ＩＣを素子１０２として用いるとともに、素子１０２および素子１０３をモジュール化して構成するので、集積化スイッチング電源装置１００および電気機器のコストを低減することができる。
【実施例２】
【００４８】
第２の実施例の集積化スイッチング電源装置１００を図４を参照して説明する。本実施例の集積化スイッチング電源装置１００の構成について説明する。
【００４９】
ダイオードＤ１の一方の主端子であるカソードは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ１に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１の一方の主端子であるドレインは、ダイオードＤ１の他方の主端子であるアノードに接続されている。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ１とダイオードＤ１のカソードの接続点に集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ３は接続されている。スイッチング素子Ｑ１の他方の主端子であるソースは、定電流素子Ｑ２の一方の主端子であるドレインに接続されている。スイッチング素子Ｑ１の制御素子（ゲート）は、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ４に接続されている。定電流素子Ｑ２の他方の主端子（ソース）は、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ２に接続されている。定電流素子Ｑ２の制御端子（ゲート）は駆動制御素子１０１の駆動回路１０１ｂに接続されている。駆動回路１０１ｂは発振回路１０１ａに接続される。発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ５に接続され、電源を供給される。また、発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂは、集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６に接続され、基準電位を入力される。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ６は、定電流素子Ｑ２のソースとダイオードＤ１のカソードとの接続点にも接続される。集積化スイッチング電源装置１００の外部端子ｔ７は、駆動制御素子１０１の外部Ｉ／Ｆ１０１ｃに接続される。また、外部Ｉ／Ｆ１０１ｃは、駆動制御素子１０１の発振回路１０１ａおよび駆動回路１０１ｂに接続される。
【００５０】
本実施例の集積化スイッチング電源装置１００は、実施例１と同様の動作および効果を有するとともに、実施例１と同様の変形例を適用可能である。
【００５１】
なお、本実施例において、直列接続体ＳＣＢは、スイッチング素子Ｑ１の一方の主端子であるドレインは、ダイオードＤ１の一方の主端子であるアノードに接続される構成であるため、実施例１よりもより容易にスイッチング素子Ｑ１およびダイオードＤ１を素子１０３として１チップに形成することができ、素子１０３のコストを低減することができる。さらに、スイッチング素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧に対応した耐圧を有する市販の制御駆動ＩＣを素子１０２として用いるとともに、素子１０２および素子１０３をモジュール化して構成すれば、集積化スイッチング電源装置１００および電気機器のコストをより一層低減することができる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態または実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態または実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態または実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
Ｑ１・・・スイッチング素子
Ｑ２・・・定電流素子
Ｄ１・・・ダイオード
ＳＣＢ・・・直列接続体
１０１・・・駆動制御素子
ｔ１・・・第1の外部端子
ｔ２・・・第２の外部端子
ｔ３・・・第３の外部端子
ｔ４・・・第４の外部端子
ｔ５・・・第５の外部端子
ｔ６・・・第６の外部端子
ｔ７・・・第７の外部端子
１００・・・集積化スイッチング装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子と、定電流素子と、ダイオードとが直列に接続される直列接続体と；
定電流素子の制御端子に接続されるとともに定電流素子を駆動制御する駆動制御素子と；
直列接続体の一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子と、直列接続体の他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子と、スイッチング素子および定電流素子のいずれかの主端子とダイオードの主端子との接続点から導出された第３の外部端子と、スイッチング素子の制御端子から導出された第４の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子の電源供給源に接続する第５の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に基準電位を入力する第６の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に外部から信号を入力する第７の外部端子とを含む複数の外部端子と；
を備えたことを特徴とする集積化スイッチング電源装置。
【請求項２】
直列接続体の定電流素子および駆動制御素子は集積化されるとともにモジュール化されていることを特徴とする請求項１記載の集積化スイッチング電源装置。
【請求項３】
直列接続体のスイッチング素子およびダイオードは集積化されていることを特徴とする請求項２記載の集積化スイッチング電源装置。
【請求項４】
第３の外部端子と、第６の外部端子とは共通化されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の集積化スイッチング電源装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の集積化スイッチング電源装置と；
集積化スイッチング電源装置が接続された負荷回路と；
負荷回路が接続された照明負荷と；
を備えたことを特徴とする電気機器。
【請求項１】
スイッチング素子と、定電流素子と、ダイオードとが直列に接続される直列接続体と；
定電流素子の制御端子に接続されるとともに定電流素子を駆動制御する駆動制御素子と；
直列接続体の一端側に位置する素子の主端子から導出された第１の外部端子と、直列接続体の他端側に位置する素子の主端子から導出された第２の外部端子と、スイッチング素子および定電流素子のいずれかの主端子とダイオードの主端子との接続点から導出された第３の外部端子と、スイッチング素子の制御端子から導出された第４の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子の電源供給源に接続する第５の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に基準電位を入力する第６の外部端子と、駆動制御素子から導出されるとともに駆動制御素子に外部から信号を入力する第７の外部端子とを含む複数の外部端子と；
を備えたことを特徴とする集積化スイッチング電源装置。
【請求項２】
直列接続体の定電流素子および駆動制御素子は集積化されるとともにモジュール化されていることを特徴とする請求項１記載の集積化スイッチング電源装置。
【請求項３】
直列接続体のスイッチング素子およびダイオードは集積化されていることを特徴とする請求項２記載の集積化スイッチング電源装置。
【請求項４】
第３の外部端子と、第６の外部端子とは共通化されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の集積化スイッチング電源装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の集積化スイッチング電源装置と；
集積化スイッチング電源装置が接続された負荷回路と；
負荷回路が接続された照明負荷と；
を備えたことを特徴とする電気機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−７７６４７（Ｐ２０１３−７７６４７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１５５１９（Ｐ２０１１−２１５５１９）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【Ｆターム（参考）】
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