JP2000201429A - 過電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、負荷の最大消費電力よりも大きな直流
電源の出力でヒューズを溶断させなければならない。 【解決手段】 直流電源１に接続されたＤＣ−ＤＣコン
バータ１６を含む電流経路における過電圧で電流を流す
ツェナダイオード１３と、このツェナダイオード１３を
流れた電流をトリガにオンして過電圧がかかった電流経
路を短絡させるＮＰＮトランジスタ１８と、この電流経
路の短絡に伴い溶断され短絡経路を遮断するヒューズ２
１と、このヒューズ２１がトリガ端子に接続されこのヒ
ューズ２１の溶断に伴いオフして、過電圧がかかった電
流経路を遮断するＰＮＰトランジスタ１７とを有する過
電圧保護回路。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流電源回路に使
用する過電圧保護回路に係わり、特に、ＡＣアダプ夕や
電池にて駆動されるノートＰＣ（パーソナルコンピュー
タ）、プリンタ、ＦＡＸ等、低消費電力化が必要な電子
機器の直流電源回路に用いるのに好適な過電圧保護回路
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、直流電源を用いた装置（機器）に
おいては、過電圧による機器の破壊を防止するための過
電圧保護回路が設けられている。この過電圧保護回路に
関して、例えば、特開平５−１３０７３０号公報や実公
平７−２９７０４号公報、実公平６−４２１７８号公
報、特公平６−２４４１１号公報、および、特開平７−
１５４２２４号公報などに記載の従来技術が開示されて
いる。

【０００３】以下、特開平５−１３０７３０号公報に記
載の技術について説明する。図４は、従来の過電圧保護
回路を用いた機器の構成例を示す回路図である。本図４
において、１は直流電源、１４，１５は直流電源１を用
いる機器の正極端子と負極端子、１６はＤＣ−ＤＣコン
バータ（降圧チョッパ形ＤＣ−ＤＣコンバータ）、７は
過電圧保護回路、９は負荷である。

【０００４】ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、直流電源１
からの入力電圧を平滑するコンデンサ８と、直流電源１
に接続された電流経路を開閉するトランジスタ３と、ト
ランジスタ３の開閉（オフ・オン）を制御する制御回路
２と、トランジスタ３の出力電圧を平滑化するためのリ
アクトル４およびコンデンサ６と、トランジスタ３のオ
フ時にリアクトル４の電流を転流するためのダイオード
５とによって構成され、直流電源１からの入力電圧を所
定の電圧に降圧して負荷９に供給する。

【０００５】また、過電圧保護回路７は、ＤＣ−ＤＣコ
ンバータ１６と並列に設けられ、サイリスタ１２と、サ
イリスタ１２のゲートに接続されたツェナダイオード１
０からなり、直流電源１側の過電圧状態を監視する。
尚、本例においては、負荷９側からもツェナダイオード
１３をサイリスタ１２のゲートに接続することにより、
負荷９側の過電圧状態も監視できるようにしている。ま
た、トランジスタ３の電源側にヒューズ１１を挿入した
構成となっている。

【０００６】このような構成において、直流電源１から
ＤＣ−ＤＣコンバータ１６への供給電圧が、何らかの理
由で増大し、ツェナダイオード１０のツェナ電圧を越え
た場合、このツェナダイオード１０を介してサイリスタ
１２にゲート電流が流れる。これによりサイリス夕１２
が起動して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６の入力両端を短
絡し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６を保護する。そして、
起動したサイリス夕１２に流れる短絡電流によりヒュー
ズ１１が溶断され、機器が保護される。

【０００７】また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６から負荷
９への供給電圧が、何らかの理由で増大し、ツェナダイ
オード１３のツェナ電圧を越えた場合にも、同様に、ツ
ェナダイオード１３を介してサイリスタ１２にゲート電
流が流れ、サイリスタ１２が起動してＤＣ−ＤＣコンバ
ータ１６の出力端子間（つまり負荷９の両端）を短絡
し、負荷９を保護する。

【０００８】この時、制御回路２は、低下した出力電圧
を回復させようとして、全オンの状態になる。従って、
サイリスタ１２の短絡電流によりヒューズ１１が溶断さ
れ、機器が保護される。このように、図４における技術
では、直流電源１の出力を過電流状態にして、ヒューズ
１１の過電流保護機能を動作させることにより、機器の
保護動作を行っている。

【０００９】しかし、この技術では、ヒューズ１１は、
直流電源１から負荷９に至る電流経路に直列に接続され
ているので、必然的に、ヒューズ１１の溶断は、機器の
最大消費電流より高い電流値で行なうよう設計する必要
がある。すなわち、過電圧保護回路７が確実に動作する
ためには、直流電源１の出力容量を、ヒューズ１１の溶
断電流に対し充分大きくする必要がある。その結果、ヒ
ューズ１１を溶断させるだけの目的のために、過剰な容
量の電源を用意しておく必要がある。

【００１０】ところが、近年、ノートＰＣ、プリンタ、
ＦＡＸ等、ＡＣアダプ夕や電池にて駆動される電子機器
の小型化および低消費電力化が進み、それに伴い、直流
電源１においても、より小型・軽量化および容量の最適
化が必要となっている。すなわち、直流電源１の出力容
量を、負荷の最大消費電力に最適化させ、過剰な容量を
押さえる必要がある。

【００１１】また、ノートＰＣ等に代表されるような機
器に使用される直流電源としてのＡＣアダプタには、安
全性が求められており、直流電源側にも過電流保護機能
あるいは短絡保護機能を設けることが一般的である。

【００１２】このような機器においては、何らかの原因
により直流電源、特にＡＣアダプタ等の出力電圧が高く
なり、機器側の過電圧保護機能の動作、すなわち、図４
におけるツェナダイオード１０の検出により、サイリス
タ１２に短絡電流を流して、ヒューズ１１を溶断しよう
としても、ヒューズ１１が溶断しきる前に、直流電源が
有する過電流保護機能が動作してしまい、ヒューズ１１
が溶断しないままとなる。この状態では、サイリス夕１
２に短絡電流が流れ続け、これによりサイリスタ１２自
身が過熱し、至っては発煙という事故を起こす危険性が
あった。

【００１３】また、特に機器側において、ＤＣ−ＤＣコ
ンバータ１６内のトランジスタ３内部における入出力間
（エミッタ−コレクタ間）の短絡故障により出力電圧が
高くなり、負荷９側の過電圧保護機能が動作（ツェナダ
イオード１３の検出による）した場合、サイリスタ１２
が過熱状態になるのみならず、負荷９側にも過電圧がか
かりっぱなしになる。

【００１４】このような不具合は、図４に示した降圧チ
ョッパ形のＤＣ−ＤＣコンバータ１６を用いた機器の例
に限らず、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにおける入出力
間の絶縁故障による出力電圧異常においても同様であ
る。特に、近年のＣＰＵ（Central Processing Unit）
等に見られるように、半導体素子の動作電圧が大きく低
下してきており、負荷９に対し過電圧状態が続くと、回
路部品が過電圧破壊され、強いては２次的故障により発
煙・発火に至るような事故が発生する危険性もある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、従来の技術では、負荷の最大消費電力よりも大き
な直流電源の出力でヒューズを溶断させなければならな
い点である。本発明の目的は、これら従来技術の課題を
解決し、直流電源の出力容量が負荷の最大消費電力とほ
ぼ等しくても、確実に過電圧保護を動作させることがで
き、ノートＰＣやプリンタ、ＦＡＸ等のＡＣアダプタや
電池にて駆動される電子機器の小型化および軽量化を可
能とする過電圧保護回路を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の過電圧保護回路は、直流電源に接続された
ＤＣ−ＤＣコンバータを含む電流経路における過電圧発
生により電流が流れるよう設定されたツェナダイオード
からなる過電圧検知手段と、ツェナダイオードを流れた
電流をトリガとしてオンし、かつ、過電圧がかかった電
流経路を短絡させる半導体素子（例えばトランジスタ、
サイリスタ等）からなる短絡手段と、電流経路の短絡に
伴い溶断されこの短絡経路をオフするヒューズからなる
溶断手段と、ヒューズがトリガ端子に接続されこのヒュ
ーズの溶断に伴いオフするトランジスタからなり過電圧
がかかった電流経路を遮断するスイッチ手段とを有する
ことを特徴とする。また、例えばＡＣアダプタと電池を
直流電源として用いる電子機器において、ＡＣアダプタ
用と電池用に設けられた各過電圧保護回路で、溶断手段
としてのヒューズを共用することにより、電子機器の小
型軽量化と低コスト化を図る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を、図面に
より詳細に説明する。図１は、本発明の過電圧保護回路
の本発明に係る構成の第１の実施例を示す回路図であ
る。本図１の例では、本発明の過電圧保護回路２５を、
図４における従来の過電圧保護回路７を用いた機器に、
過電圧保護回路７の代わりに設けた構成となっている。

【００１８】すなわち、直流電源１、正極端子１４、負
極端子１５、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６、および、負荷
９からなる機器に、過電圧保護回路２５を設けたもので
あり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、直流電源１からの
入力電圧を平滑する入力平滑用のコンデンサ８と、直流
電源１に接続された電流経路を開閉するトランジスタ３
と、トランジスタ３の開閉（オフ・オン）を制御する制
御回路２と、トランジスタ３の出力電圧を平滑化するた
めのリアクトル４およびコンデンサ６と、トランジスタ
３のオフ時にリアクトル４の電流を転流するためのダイ
オード５とによって構成されている。

【００１９】そして、過電圧保護回路２５は、電流経路
を開閉する半導体スイッチとしてのＰＮＰトランジスタ
１７と、このＰＮＰトランジスタ１７のトリガ端子とし
てのベース端子に接続された溶断手段としてのヒューズ
２１と、ヒューズ２１と共に短絡経路を形成するＮＰＮ
トランジスタ１８と、電流経路における過電圧に対応し
て電流を流すツェナダイオード１０およびツェナダイオ
ード１３により構成されている。

【００２０】尚、過電圧保護回路２５において、ダイオ
ード１９，２０は逆流防止用であり、抵抗２２はＰＮＰ
トランジスタ１７のべース抵抗、抵抗２３は同トランジ
スタのべース−エミッタ間抵抗であり、抵抗２４はＮＰ
Ｎトランジスタ１８のべース−エミッタ間抵抗である。
また、ヒューズ２１は、直流電源１の出力容量および、
ＰＮＰトランジスタ１７とＮＰＮトランジスタ１８の通
電許容電流に対し、充分微少な電流で溶断する特性を有
する。

【００２１】このように、過電圧保護回路２５は、直流
電源１から機器の電源入力端子の正極端子１４を介して
負荷９に至る電流経路にＰＮＰトランジスタ１７を接続
し、そのＰＮＰトランジスタ１７のトリガ端子であるベ
ース端子を、直流電源１の出力容量に対し充分微少な電
流で溶断可能なヒューズ２１を介して、機器の電源入力
端子の負極端子１５側と接地する構成としている。この
ような接続構成により、ＰＮＰトランジスタ１７は、常
に、全オンしている。

【００２２】さらに、ＰＮＰトランジスタ１７のコレク
タ端子とトリガ端子であるベース端子間に、ＮＰＮトラ
ンジスタ１８が接続され、そのＮＰＮトランジスタ１８
のトリガ端子としてのベース端子とコレクタ端子との間
にツェナダイオード１０（カソードがＮＰＮトランジス
タ１８のコレクタ側）が接続され、また、ＮＰＮトラン
ジスタ１８のベース端子とＤＣ−ＤＣコンバータ１６の
負荷側との間にツェナダイオード１３（カソード側がＤ
Ｃ−ＤＣコンバータ１６の負荷側）が接続されている。

【００２３】このような接続構成の過電圧保護回路２５
では、直流電源１の供給電圧が何らかの原因により高く
なってツェナダイオード１０，１３のツェナ電圧を越え
た場合、ＮＰＮトランジスタ１８がオンして、このＮＰ
Ｎトランジスタ１８とヒューズ２１で短絡経路が形成さ
れる。そして、この短絡経路に流れる短絡電流によりヒ
ューズ２１が溶断され、その結果、ＰＮＰトランジスタ
１７が全オフとなり、直流電源１からの電源供給が遮断
され、機器が保護される。

【００２４】図２は、本発明の過電圧保護回路の本発明
に係る構成の第２の実施例を示す回路図である。本図２
の例では、図１におけるＰＮＰトランジスタ１７および
ＮＰＮトランジスタ１８の代わりに、パワーＭＯＳＦＥ
Ｔ３０，３１を用いている。また、多出力タイプのＤＣ
−ＤＣコンバー夕２６から負荷（１）２８および負荷
（２）２９に出力される２種類の出力系（出力系統
（１）および出力系統（２））に対し、ダイオード・ア
レー２７を設けることにより、１ケのみのツェナダイオ
ード１３で対処可能な構成としている。

【００２５】このような構成により本例の過電圧保護回
路では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６内の故障によって、
出力系統（１）もしくは出力系統（２）を介しての負荷
（１）２８もしくは負荷（２）２９への供給電圧が高く
なり、ツェナダイオード１３のツェナ電圧を越えると、
パワーＭＯＳＦＥＴ３１がオンされ、このパワーＭＯＳ
ＦＥＴ３１とダイオード２０およびヒューズ２１を介し
て短絡電流が流れる。すると、この短絡電流によりヒュ
ーズ２１が溶断され、その結果、パワーＭＯＳＦＥＴ３
０が全オフとなり、直流電源１からの電源供給が遮断さ
れ、機器が保護される。

【００２６】図１、および、図２で示したような過電圧
保護回路を設けるノートＰＣ等の携帯型の機器などにお
いては、ＡＣアダプタと電池（バッテリ）等の複数の入
力電源を用いるので、各入力電源端子ごとに過電圧保護
回路を構成する必要がある。この場合、機能的に重複す
る回路が発生し、回路ボリュームおよび回路コストを増
大させる。その結果、携帯型機器の小型軽量化、低コス
ト化のための障害となる。このような問題に対処するた
めの実施の形態例を図３を用いて説明する。

【００２７】図３は、本発明の過電圧保護回路の本発明
に係る構成の第３の実施例を示す回路図である。本例
は、図１における過電圧保護回路２５を用いた機器に、
もう一つの過電圧保護回路３１を設けたものであり、こ
の過電圧保護回路３１は、ＡＣアダプタ等の直流電源３
０とＤＣ−ＤＣコンバータ１６との間に設けられ、直流
電源３０側には正極端子３２と負極端子３３を介して、
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８側には逆流防止ダイオ
ード４２を介して接続されている。

【００２８】このような構成により、直流電源１および
直流電源３０からの電流は、各々過電圧保護回路２５,
３１を経由したうえで各々の電流経路に設けられた逆流
防止ダイオード４２,４３にて接続されたＤＣ−ＤＣコ
ンバータ１６に供給される。

【００２９】本例における過電圧保護回路３１の内部構
成は、過電圧保護回路２５と同様であり、直流電源３０
の電流経路を開閉する半導体スイッチとしてのＰＮＰト
ランジスタ３４と、短絡経路を形成するＮＰＮトランジ
ス夕３５、直流電源３０からの電流経路における過電圧
に対応して電流を流すツェナダイオード３６、逆流防止
用のダイオード３７，３８、ＰＮＰトランジスタ３４の
べース抵抗としての抵抗３９、ＰＮＰトランジスタ３４
のべース−エミッタ間抵抗としての抵抗４０、ＮＰＮト
ランジスタ３５のべース−エミッタ間抵抗としての抵抗
４１により構成されている。

【００３０】そして、過電圧保護回路２５内のヒューズ
２１を、ＮＰＮトランジスタ３５と共に短絡経路を形成
し、かつ、直流電源３０の出力容量および、ＰＮＰトラ
ンジスタ３４とＮＰＮトランジスタ３５の通電許容電流
に対して充分微少な電流で溶断する特性を有する溶断手
段として、過電圧保護回路２５と過電圧保護回路３１で
共用している。

【００３１】このように、直流電源1と直流電源３０を
共に接続可能な機器において、ヒューズ２１を過電圧保
護回路２５と過電圧保護回路３１で、それぞれの過電圧
保護回路としての機能を損なうことなく共有することが
できるので、回路ボリュームおよび回路コストを縮小、
低減することができる。

【００３２】以上、図１から図３を用いて説明したよう
に、本実施例の過電圧保護回路では、直流電源１から機
器の電源入力端子の正極端子１４を介して負荷９，２
８，２９に至る電流経路に第１の半導体スイッチ（ＰＮ
Ｐトランジスタ１７、パワーＭＯＳＦＥＴ３０）を接続
し、この第１の半導体スイッチのトリガ端子を、直流電
源１の出力容量に対し充分微少な電流で溶断可能なヒュ
ーズ２１を介して機器の電源入力端子の負極端子１５側
と接地し、さらに、第１の半導体スイッチの負荷９，２
８，２９側と、この第１の半導体スイッチのトリガ端子
とヒューズ２１との間に、第２の半導体スイッチ（ＮＰ
Ｎトランジスタ１８、パワーＭＯＳＦＥＴ３１）を接続
し、かつ、その（ＮＰＮトランジスタ１８、パワーＭＯ
ＳＦＥＴ３１）トリガ端子と第１の半導体スイッチの負
荷９，２８，２９側との間にツェナダイオード１３を接
続して構成される。

【００３３】このような構成により、第１の半導体スイ
ッチの負荷側にかかる電圧がツェナダイオード１３のツ
ェナ電圧を超えたとき、第２の半導体スイッチが導通
し、その短絡電流によりヒューズ２１が溶断され、第１
の半導体スイッチが全オフとなり、直流電源１からの電
流経路が遮断されるので、機器が保護される。このよう
に、ヒューズ２１は、図４に示した従来技術のように直
流電源１に直列に接続されていないので、直流電源１の
出力容量に対し充分微少な電流にて溶断するものを用い
ることができる。このことにより、直流電源１の出力容
量が負荷９の最大消費電流とほぼ同等であっても、確実
に過電圧保護動作を行うことができる。

【００３４】また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６，２６の
故障のような場合、復帰可能な過電圧保護回路を用いる
と、直流電源１を接続し直す度に負荷９，２８，２９に
過電圧のストレスがかかり、２次的な不具合を発生する
可能性が出てくるが、本例の過電圧保護回路では、ヒュ
ーズ２１の溶断により、直流電源１からの電源供給を絶
つよう構成されているので、２次的な不具合が発生する
危険性はない。

【００３５】また、複数の直流電源に接続可能な機器に
おいて、溶断手段としてのヒューズ２１を過電圧保護回
路２５と過電圧保護回路３１で共用することができ、回
路ボリュームおよび回路コストを縮小、低減することが
できる。

【００３６】尚、本発明は、図１から図３を用いて説明
した例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しな
い範囲において種々変更可能である。例えば、本例で
は、ＰＮＰトランジスタ１７やＮＰＮトランジスタ１
８、および、パワーＭＯＳＦＥＴ３０，３１等の半導体
スイッチを用いているが、組込先の機器によっては、リ
レーやサイリスタを用いて構成しても良い。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、直流電源の出力容量
が、負荷の最大消費電力とほぼ等しくても、ヒューズを
溶断させて確実に過電圧保護を動作できるので、直流電
源の出力容量を負荷の最大消費電力に最適化させ、過剰
な容量を押さえることができ、また、複数の直流電源に
接続可能な機器においては、それぞれに対応した過電圧
保護回路で一部の部品を共用することにより回路ボリュ
ームおよび回路コストを縮小、低減することができるの
で、ノートＰＣやプリンタ、ＦＡＸ等、小型化および低
消費電力化が要求される電子機器の直流電源回路に用い
るのに最適な過電圧保護回路を構成することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の過電圧保護回路の本発明に係る構成の
第１の実施例を示す回路図である。

【図２】本発明の過電圧保護回路の本発明に係る構成の
第２の実施例を示す回路図である。

【図３】本発明の過電圧保護回路の本発明に係る構成の
第３の実施例を示す回路図である。

【図４】従来の過電圧保護回路を用いた機器の構成例を
示す回路図である。

【符号の説明】

１：直流電源、２：制御回路、３：トランジスタ、４：
リアクトル、５：ダイオード、６：コンデンサ、７：過
電圧保護回路、８：コンデンサ、９：負荷、１０：ツェ
ナダイオード、１１：ヒューズ、１２：サイリスタ、１
３：ツェナダイオード、１４：正極端子、１５：負極端
子、１６：ＤＣ−ＤＣコンバータ、１７：ＰＮＰトラン
ジスタ、１８：ＮＰＮトランジスタ、１９，２０：ダイ
オード、２１：ヒューズ、２２〜２４：抵抗、２５：過
電圧保護回路、２６：ＤＣ−ＤＣコンバータ、２７：ダ
イオード・アレー、２８：負荷（１）、２９：負荷
（２）、３０：直流電源、３１：過電圧保護回路、３
２：正極端子、３３：負極端子、３４：ＰＮＰトランジ
スタ、３５：ＮＰＮトランジスタ、３６：ツェナダイオ
ード、３７，３８：ダイオード、３９〜４１：抵抗、４
２，４３：逆流防止ダイオード。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源に接続された電流経路における
   過電圧を検知する過電圧検知手段と、該過電圧検知手段
   の過電圧検知に伴って上記電流経路を短絡させる短絡手
   段と、該短絡手段による上記電流経路の短絡に伴って溶
   断され当該短絡経路を遮断する溶断手段と、該溶断手段
   の溶断に伴って上記電流経路を遮断するスイッチ手段と
   を有することを特徴とする過電圧保護回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の過電圧保護回路におい
   て、上記電流経路はＤＣ−ＤＣコンバータを含み、上記
   過電圧検知手段は、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側
   あるいは出力側に接されたツェナダイオードからなり、
   上記短絡手段は、上記ツェナダイオードを流れた電流を
   トリガとしてオンするトランジスタからなり、上記溶断
   手段は、上記直流電源の出力容量に比して微小な電流で
   溶断するヒューズからなり、上記スイッチ手段は、上記
   ヒューズがトリガ端子に接続され該ヒューズの溶断に伴
   ってオフするトランジスタからなることを特徴とする過
   電圧保護回路。
3. 【請求項３】 請求項１、もしくは、請求項２のいずれ
   かに記載の過電圧保護回路において、それぞれ異なる直
   流電源に接続された電流経路の保護用の複数の過電圧保
   護回路で上記溶断手段を共用することを特徴とする過電
   圧保護回路。