CN107360734A - 带过流保护的电源装置 - Google Patents

Abstract

第1过电流保护部在由电流检测部(12)检测到的电流值超过被设定为比本电源装置(1)的额定电流值高的值的第1设定电流值时，向控制部(13)指示，使得限制稳压器的输出电流。第2过电流保护部在由电流检测部(12)检测到的电流值的一定期间中的平均值超过了被设定为与额定电流值对应的值的第2设定电流值时，向控制部(13)指示，使得限制稳压器的输出电流。第3过电流保护部在起动时在由电流检测部(12)检测到的电流值超过被设定为比第2设定电流值低的值的第3设定电流值时，向控制部(13)指示，使得限制稳压器的输出电流。

Description

带过流保护的电源装置

技术领域

本发明涉及向电机等负载供给电力的带过流保护的电源装置。

背景技术

电机负载需要大功率，其峰值功率比其他一般的负载大。因此，为了确保起动时的瞬时功率，与电机并联地连接大容量的电容器的情况较多。该电容器在起动时被充电，承担使电机的起动转矩增大的作用。

DC电机被以脉冲状的电流驱动的情况也较多。在能输出脉冲电流的电源装置中，通常，安装峰值功率用的过电流保护和平均功率用的过电流保护这2者。前者在检测到峰值电流时控制输出，后者在单位周期中的平均电流超过额定电流时限制输出。在后者的过电流保护中，即使瞬间地流过超过额定电流的电流，只要单位周期内的平均电流未超过额定电流，就不会被发动。

专利文献1公开了一种能够设定2阶段过电流检测值的电源装置。在该电源装置中，在因负载等的短路而输出电压变得异常、且输出了稳态状态信号时(即，不是起动时的时候)，作为过电流检测值，设定具有比较小的值的第1过电流检测值。此外，在起动时，作为过电流检测值，设定具有比较大的值的第2过电流检测值。此外，在输出电压正常时(即，输出电压上升到一定电压以上，在负载中未发生短路等异常时)，设定第2过电流检测值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005－323413号公报

发明内容

发明要解决的课题

在如上所述与负载并联地连接大容量的电容器的情况下，在起动时从电源装置向该电容器流过大电流。此时，上述峰值功率用的过电流保护会发动。然后，平均功率用的过电流保护发动，一边受到平均功率用的过电流保护，一边电压上升。由于任何一种状态都是输出了额定功率以上的状态，所以，热压力等负担变大。

本发明是鉴于这种状况而完成的，其目的在于提供一种在向容量较大的负载供给电力的电源装置中减轻起动时的压力的技术。

用于解决课题的手段

为了解决上述问题，本发明的一个方式的带过流保护的电源装置包括：稳压器，其向负载供给电力；控制部，其控制上述稳压器所包含的开关元件；电流检测部，其检测上述稳压器的输出电流；第1过电流保护部，其在由上述电流检测部检测到的电流值超过被设定为比本电源装置的额定电流值高的值的第1设定电流值时，向上述控制部指示，使得限制上述稳压器的输出电流；第2过电流保护部，其在由上述电流检测部检测到的电流值的一定期间中的平均值超过了被设定为与额定电流值对应的值的第2设定电流值时，向上述控制部指示，使得限制上述稳压器的输出电流；以及第3过电流保护部，其在起动时，在由上述电流检测部检测到的电流值超过被设定为比上述第2设定电流值低的值的第3设定电流值时，向上述控制部指示，使得限制上述稳压器的输出电流。

发明效果

根据本发明，在向容量较大的负载供给电力的电源装置中能够减轻起动时的压力。

附图说明

图1是用于说明本发明的实施例1的电源装置的图。

图2是表示比较例的电源装置的图。

图3是用于说明电源装置的起动时的动作的时序图。

图4是用于说明本发明的实施例2的电源装置的图。

图5是用于说明本发明的实施例3的电源装置的图。

具体实施方式

图1是用于说明本发明的实施例1的电源装置1的图。电源装置1是向负载2供给电力的DC－DC转换器。以下，在本说明书中，作为负载2，设想线性电机等DC电机。一般，在DC电机的情况下，为了确保起动转矩，与DC电机并联地外接大容量电容器C10。在起动时通过对大容量电容器C10充电，从而确保起动时的瞬时功率。

电源装置1中，作为开关稳压器的基本构成，包含开关元件M1、变压器T1、第1二极管D1、第2二极管D2、电感器L1、及第1电容器C1。对变压器T1的初级绕组施加直流的输入电压Vin。开关元件M1被插入在该输入电压Vin的输入源与变压器T1的初级绕组之间，将两者之间导通/切断。在图1中，描画了使用N通道MOSFET作为开关元件M1的例子，但是，也可以使用IGBT等其它开关元件。变压器T1的次级绕组的输出电压被由第1二极管D1及第2二极管D2构成的整流电路整流，并被由电感器L1及第1电容器C1构成的平滑电路平滑化。

在图1中，作为开关稳压器的一个例子，虽然描画了正激型DC－DC转换器，但是，也可以使用其它开关稳压器。例如也可以使用反激型DC－DC转换器、推挽型DC－DC转换器、桥型DC－DC转换器等。此外，也可以采用不使用变压器的非绝缘型的开关稳压器。

电压检测部11检测开关稳压器的输出电压。电压检测部11例如可以由误差放大器构成。电压检测部11将所检测到的输出电压输出到控制部13。电流检测部12检测开关稳压器的输出电流。电流检测部12例如可以由分流电阻和误差放大器构成。电流检测部12输出与开关稳压器的输出电流对应的电压。

控制部13根据由电压检测部11检测到的开关稳压器的输出电压，使向开关元件M1的控制端子(在MOSFET的情况下，是栅极端子)输入的驱动信号的占空比适应性地变化。由此，进行反馈控制，使得开关稳压器的输出电压保持一定。具体而言，在开关稳压器的输出电压比目标电压低的情况下，提高开关元件M1的占空比，相反，在开关稳压器的输出电压比目标电压高的情况下，降低开关元件M1的占空比。

在实施例1中，包括3种过电流保护电路，即峰值用的过电流保护电路、平均用的过电流保护电路、以及起动时用的过电流保护电路。在以下的说明中，设想将开关稳压器的额定电流设为10A、并将额定峰值电流设为28A的例子。有的情况下为了驱动电机而使用瞬时大功率，该开关稳压器是能经受短时间的峰值电流的规格。此外，在以下的说明中，设想如下例子：作为峰值用的过电流保护电路发动的第1过电流设定值，设为30A，作为平均用的过电流保护电路发动的第2过电流设定值，设为11A，作为起动时用的过电流保护电路发动的第3过电流设定值，设为6A。

在图1中，峰值用的过电流保护电路由第1比较器CP1实现。第1比较器CP1由运算放大器构成，向其同相输入端子输入电流检测部12的输出电压，并向反相输入端子输入与第1过电流设定值对应的第1参照电压Vr1。第1比较器CP1在与从电流检测部12输入的开关稳压器的输出电流对应的电压超过第1参照电压Vr1时输出高电平，在未超过时输出低电平。第1比较器CP1的输出电压经由第3二极管D3而被输出到控制部13。

控制部13在第1比较器CP1的输出电压为高电平时降低向开关元件M1的控制端子输入的驱动信号的占空比，以限制开关稳压器的输出电流。这样，峰值用的过电流保护电路在开关稳压器的输出电流值超过第1过电流设定值时，向控制部13指示，使得限制开关稳压器的输出电流。

平均用的过电流保护电路由第2比较器CP2及低通滤波器实现。第2比较器CP2由运算放大器构成，向其同相输入端子输入电流检测部12的输出电压，向反相输入端子输入与第2过电流设定值对应的第2参照电压Vr2。第2比较器CP2在与从电流检测部12输入的开关稳压器的输出电流对应的电压超过了第2参照电压Vr2时输出高电平，在未超过时输出低电平。

在第2比较器CP2的输出端子上连接由第1电阻R1及第2电容器C2构成的低通滤波器。低通滤波器将第2比较器CP2的输出电压积分。由低通滤波器积分的第2比较器CP2的输出电压经由第4二极管D4而被输出到控制部13。

在电源装置1用脉冲电流驱动DC电机的情况下，只要每单位周期的平均电流为第2过电流设定值以下，则即使脉冲电流的导通期间的电流超过第2过电流设定值也是允许的。通过最佳化地设定低通滤波器的时间常数和第2参照电压Vr2，从而模拟该设计条件。另外，在脉冲电流的导通期间的电流超过第1过电流设定值的情况下，受到峰值用的过电流保护电路限制。

控制部13在附加了低通滤波器特性的第1比较器CP1的输出电压为高电平时，降低向开关元件M1的控制端子输入的驱动信号的占空比，以限制开关稳压器的输出电流。这样，平均用的过电流保护电路在开关稳压器的输出电流值的一定期间中的平均值超过了第2过电流设定值时，向控制部13指示，使得限制开关稳压器的输出电流。

起动时用的过电流保护电路由第3比较器CP3、第2电阻R2、晶体管Tr1及第4比较器CP4实现。第3比较器CP3由运算放大器构成，向其同相输入端子输入电流检测部12的输出电压，向反相输入端子输入与第3过电流设定值对应的第3参照电压Vr3。第3比较器CP3在与从电流检测部12输入的开关稳压器的输出电流对应的电压超过了第3参照电压Vr3时输出高电平，在未超时输出低电平。

第3比较器CP3的输出端子经由第2电阻R2而被连接在第1节点N1上。在第1节点N1与非特别限定(非有意)的基准电位(在图1中是接地电位)之间插入晶体管Tr1。另外，晶体管Tr1是开关的一个例子，既可以使用其它半导体开关，也可以使用继电器。

第4比较器CP4由运算放大器构成，向其同相输入端子输入电压检测部11的输出电压，向反相输入端子输入与低电压设定值对应的第4参照电压Vr4。低电压设定值被设定为负载2的设定驱动电压的75～95％左右的电压。第4比较器CP4的输出端子被连接在晶体管Tr1的基极端子上。

第4比较器CP4在向负载2供给的开关稳压器的输出电压超过了第4参照电压Vr4时输出高电平，在未超过时输出低电平。在第4比较器CP4的输出电压为低电平的期间，晶体管Tr1为截止状态，第1节点N1与接地被分离。若第4比较器CP4的输出电压转变成高电平，则晶体管Tr1变为导通，将第1节点N1的电位固定为接地电位。

这样，晶体管Tr1及第4比较器CP4作为UVA(UnderVoltageAlarm：欠压报警)而发挥功能。即，使第3比较器CP3的输出电压有效化，直到负载电压达到低电压设定值为止，若超过低电压设定值，则将第3比较器CP3的输出电压锁定为接地电位而无效化。

在开关稳压器的输出电压为低电压设定值以下的情况下，第1比较器CP1的输出电压经由第5二极管D5而被直接输出到控制部13。在开关稳压器的输出电压超过低电压设定值的情况下，始终向控制部13输出低电平。这样，起动时用的过电流保护电路在起动时，在开关稳压器的输出电流值超过了第3过电流设定值时，向控制部13指示，使得限制开关稳压器的输出电流。在起动后，起动时用的过电流保护电路被锁定停止。

图2是表示比较例的电源装置1的图。图2所示的比较例的电源装置1与图1所示的实施例1的电源装置1比较，是不包括起动时用的过电流保护电路的构成。具体而言，是不包括第3比较器CP3、第2电阻R2、晶体管Tr1、第4比较器CP4、及第5二极管D5的构成。

图3是用于说明电源装置1的起动时的动作的时序图。图3的(a)是表示图2所示的比较例的电源装置1的起动时的输出电流I及输出电压V的推移变化的时序图。图3的(b)是表示图1所示的实施例1的电源装置1的起动时的输出电流I及输出电压V的推移变化的时序图。

在图3的(a)中，若电源装置1起动，则用电源装置1的输出电流I开始大容量电容器C10的充电。若输出电流I达到第1过电流设定值I1p，则一边由峰值用的过电流保护电路将输出电流I限制在第1过电流设定值I1p以下，一边输出电压V上升。峰值用的过电流保护电路在时间规定(例如100ms)的范围内动作。若超过该时间规定，则一边由平均用的过电流保护电路将输出电流I限制在第2过电流设定值I2a以下，一边输出电压V上升。

若大容量电容器C10的充电结束且输出电压V达到负载2的设定驱动电压Vd，则输出电流I渐渐降低。在该起动程序中，大容量电容器C10的容量越大，起动时过电流动作的时间越长，电源装置1的负担越大。例如，也可能发生在向大容量电容器C10的充电途中发生温度警报(未图示)，电源装置1的动作停止的情况。

与此不同，在实施例1中，追加了仅在起动时发挥功能的起动时用的过电流保护电路。起动时用的过电流保护电路在起动时用比额定电流值低的电流值对大容量电容器C10进行恒流充电(CC充电)。

在图3的(b)中，若电源装置1起动，则用电源装置1的输出电流I开始大容量电容器C10的充电。若输出电流I达到第3过电流设定值I3s，则利用起动时用的过电流保护电路，用第3过电流设定值I1s对大容量电容器C10进行恒流充电。若输出电压V达到低电压设定值Vu，则起动时用的过电流保护电路锁定停止。若起动时用的过电流保护电路锁定停止，则一边由平均用的过电流保护电路将输出电流I限制在第2过电流设定值I2a以下，一边输出电压V上升。

若大容量电容器C10的充电结束且输出电压V达到负载2的设定驱动电压Vd，则输出电流I渐渐下降。在该起动程序中，大容量电容器C10的75～95％的容量是用比额定电流低的第3过电流设定值I1s恒流充电的。因而，与图3的(a)比较，充电时间稍微变长，但是，电源装置1的负担大幅减轻。

如以上说明，根据实施例1，通过除了峰值用的过电流保护电路及平均用的过电流保护电路之外，还设置起动时用的过电流保护电路，从而能够减轻电源装置1的起动时的压力。因此，还能够避免因温度警报而在起动途中动作停止的情况。

在需要大功率的负载2的情况下，有时将多个电源装置1并联连接而并行运转。在多个电源装置1之中因故障等而运转台数减少的情况下，变成用较少数量的电源装置1对与负载2并联连接的大容量电容器C10进行充电。在此情况下，由于输出电流降低，所以大容量电容器C10的充电时间变长。在使用比较例的电源装置1的情况下，流过超过额定电流的电流的时间变长，对正在运转的电源装置1的压力变大。与此不同，在使用实施例1的电源装置1的情况下，即使运转台数减少时，也由于通过延长充电时间来对应，所以能够抑制对正在运转的电源装置1的压力增加。

图4是用于说明本发明的实施例2的电源装置1的图。实施例2的电源装置1是由峰值用的过电流保护电路和起动时用的过电流保护电路共用1个比较器的构成。如图4所示，第1比较器CP1由峰值用的过电流保护电路和起动时用的过电流保护电路共用。在图4所示的电源装置1中，省略图1所示的第3比较器CP3、第2电阻R2及第5二极管D5。

向第1比较器CP1的反相输入端子输入第2节点N2的电压。第2节点N2的电压是通过将比第1参照电压Vr1高的参照电压Vr0用第3电阻R3和第4电阻R4分压而生成的。由第3电阻R3和第4电阻R4决定的分压电压与第1参照电压Vr1对应。在实施例2中，晶体管Tr1被插入在第2节点N2与接地之间，而不是第1节点N1与接地之间。在第2节点N2与晶体管Tr1之间插入第5电阻R5。

在实施例2中，向第4比较器CP4的反相输入端子输入电压检测部11的输出电压，向同相输入端子输入与低电压设定值对应的第4参照电压Vr4。第4比较器CP4在向负载2供给的开关稳压器的输出电压超过了第4参照电压Vr4时输出低电平，在未超过时输出高电平。在第4比较器CP4的输出电压为高电平的期间，晶体管Tr1为导通状态，第2节点N2与接地导通，第5电阻R5有效。由第3电阻R3、第4电阻R4及第5电阻R5决定的分压电压与第3参照电压Vr3对应。因而，在开关稳压器的输出电压为低电压设定值以下的状态下，向第1比较器CP1的反相输入端子输入第3参照电压Vr3。即，第1比较器CP1作为起动时用的过电流保护电路而发挥功能。

若第4比较器CP4的输出电压转变成低电平，则晶体管Tr1变为截止，第2节点N2与接地被分离，第5电阻R5变得无效。由此，第2节点N2的电位上升，向第1比较器CP1的反相输入端子输入第1参照电压Vr1。这样，在开关稳压器的输出电压超过低电压设定值的状态下，向第1比较器CP1的反相输入端子输入第1参照电压Vr1。即，第1比较器CP1作为峰值用的过电流保护电路而发挥功能。

第1比较器CP1在开关稳压器的输出电压为低电压设定值以下时，向控制部13输出与开关稳压器的输出电流值对应的电压同第3参照电压Vr3的比较结果。在开关稳压器的输出电压超过低电压设定值时，向控制部13输出与开关稳压器的输出电流值对应的电压同第1参照电压Vr1的比较结果。

如以上说明的那样，根据实施例2，得到与实施例1同样的效果。与实施例1比较，能够削减过电流保护所使用的运算放大器的数量。

图5是用于说明本发明的实施例3的电源装置1的图。在实施例3的电源装置1中，起动用的过电流保护电路在从起动起经过了设定时间时变得无效，而不是在负载电压超过了低电压设定值时变得无效。在图5所示的电源装置1中，代替图1所示的第4比较器CP4而设置计时器14。计时器14若从被输入起动信号起经过了设定时间，则使晶体管Tr1变为导通。设定时间被设定为与大容量电容器C10的充电时间对应的时间。

如以上说明，根据实施例3，得到与实施例1、2同样的效果。实施例3在使用的大容量电容器C10的容量固定的情况下是有效的。另一方面，实施例1、2由于以电压为触发而不是以时间为触发，所以起动时的过电流保护与大容量电容器C10的容量无关地有效发挥功能。因而，能够构成通用性较高的电源装置1。

以上基于实施例1－3说明了本发明。本领域技术人员当理解，这些实施例是例示，这些各构成要素、各处理工艺的组合可以有各种变形例，此外，这种变形例也属于本发明的范围。

在上述的实施例1－3中，举出了将第1过电流设定值(30A)设定为额定峰值电流值(28A)的约1.07倍的例子。关于这一点，只要第1过电流设定值是额定峰值电流值的附近的值即可，设定在额定峰值电流值的±10％左右的范围内即可。此外，在上述的实施例1－3中，举出了将第2过电流设定值(11A)设定为额定电流值(10A)的1.1倍的例子。关于这一点，只要第2过电流设定值是额定电流值的附近的值即可，设定在额定电流值的±20％左右的范围内即可。

此外，在上述的说明中，说明了将3阶段的过电流保护应用于开关稳压器的例子，但是，也能够应用于线性稳压器。

附图标记说明

1 电源装置、2 负载、M1 开关元件、T1 变压器、L1 电感器、C1 第1电容器、C2 第2电容器、C10 大容量电容器、CP1 第1比较器、CP2 第2比较器、CP3 第3比较器、CP4 第4比较器、D1 第1二极管、D2 第2二极管、D3 第3二极管、D4 第4二极管、D5 第5二极管、R1 第1电阻、R2 第2电阻、R3 第3电阻、R4 第4电阻、R5 第5电阻、Tr1 晶体管、11 电压检测部、12 电流检测部、13 控制部、14 计时器。

工业实用性

本发明能够利用于向电机供给电力的电源装置。

Claims (5)

1.一种带过流保护的电源装置，其特征在于，包括：

稳压器，其向负载供给电力，

控制部，其控制上述稳压器所包含的开关元件，

电流检测部，其检测上述稳压器的输出电流，

第1过电流保护部，其在由上述电流检测部检测到的电流值超过被设定为比本电源装置的额定电流值高的值的第1设定电流值时，向上述控制部指示，使得限制上述稳压器的输出电流，

第2过电流保护部，其在由上述电流检测部检测到的电流值的一定期间内的平均值超过了被设定为与额定电流值对应的值的第2设定电流值时，向上述控制部指示，使得限制上述稳压器的输出电流，以及

第3过电流保护部，在起动时，其在由上述电流检测部检测到的电流值超过被设定为比上述第2设定电流值低的值的第3设定电流值时，向上述控制部指示，使得限制上述稳压器的输出电流。

2.如权利要求1所述的带过流保护的电源装置，其特征在于，

若在起动后上述负载的电压超过设定电压值，则上述第3过电流保护部变得无效。

3.如权利要求2所述的带过流保护的电源装置，其特征在于，

上述第3过电流保护部具有：

比较器，其向上述控制部输出与由上述电流检测部检测到的电流值对应的电压同与上述第3设定电流值对应的参照电压的比较结果，以及

开关，其被插入在上述比较器的输出端子与非特别限定的基准电位之间；

上述开关在上述负载的电压超过了上述设定电压值时变成导通。

4.如权利要求2所述的带过流保护的电源装置，其特征在于，

上述第1过电流保护部及上述第3过电流保护部具有共用的比较器；

上述比较器在上述负载的电压为上述设定电压值以下时，向上述控制部输出与由上述电流检测部检测到的电流值对应的电压同与上述第3设定电流值对应的第3参照电压的比较结果，在上述负载的电压超过上述设定电压值时，向上述控制部输出与由上述电流检测部检测到的电流值对应的电压同与上述第1设定电流值对应的第1参照电压的比较结果。

5.如权利要求1所述的带过流保护的电源装置，其特征在于，

上述第3过电流保护部在从起动起经过设定时间时变得无效。