JP2004007939A - Switching power source having output short-circuit protective circuit - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源の回路構成に係るもので、負荷短絡時の回路保護機能を有するとともに、自動的に復帰が可能な自動復帰型スイッチング電源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
昇圧型のスイッチング電源として、図3に示した回路が多く用いられている。これは主スイッチング素子Q0のオンオフによってインダクタンス素子L0に誘起された電圧をダイオードD0によって整流し、コンデンサC2によって平滑して直流出力を得るものである。このようなスイッチング電源は、シンプルな構成で昇圧機能が得られるため、低コスト化が可能であることからよく用いられている。
【0003】
しかし、図3に示したようなスイッチング電源は出力短絡保護機能を有していないため、出力が短絡するとコイルL0、主スイッチング素子Q0、整流ダイオードD0等が破損してしまうという問題が生じる。すなわち、ほぼ抵抗の存在しない状態で入力VIN端子→コイルL0、整流ダイオードD0、出力VO端子→GND端子の順で流れ、コイル素子L0や整流ダイオード素子D0などを損焼させてしまう可能性があった。
【0004】
また、昇圧型の他励式スイッチング電源として、図4に示した回路が多く用いられている。これは主スイッチング素子Q0のオンオフによってインダクタンス素子L1に誘起された電圧をダイオードD0によって整流し、コンデンサC2によって平滑して直流出力を得るものである。
【0005】
図4のPWMコントローラは、入力電圧や負荷の変動があっても出力電圧を所定の値の保つようにスイッチングのパルス幅を制御する主たる機能を有している。また、何かの理由によって出力端がGNDに短絡した場合、スイッチング電源を損焼から守るために保護機能を有しているのが一般的である。
【0006】
しかし、その保護機能の動作は、PWMコントローラのパルス出力信号を100%オフデユーテイとすることによって、主スイッチング素子Q0のオンオフ動作を100%デユーテイでオフさせる方法を用いている。しかし、図4に示したような入出力端間が絶縁されていない回路構成ではPWMコントローラが100%オフデユーテイの信号を出力させても、入力端VINからVOのGND端子は短絡されたままとなる。
【0007】
すなわち、ほぼ抵抗の存在しない状態で入力VIN端子→コイルL1→整流ダイオードD0 →出力VO端子→GND端子の順で流れ、コイル素子L1や整流ダイオード素子D0などを損焼させてしまう可能性があり、保護機能としては十分ではなかった。
【0008】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は、負荷短絡時の入出力端間の電流を切断する機能を付加することによって、負荷短絡時の回路素子の損焼を防止したスイッチング電源を提供するものである。また、負荷短絡状態が解除されれば、正常な動作に復帰可能なスイッチング電源を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、出力端側に直流スイッチ機能を付加し、負荷短絡時にこの直流スイッチ機能を作動させて入出力間を遮断し、短絡状態が解除されると、遮断されていた状態を導通状態に戻すことによって、上記の課題を解決するものである。
【0010】
すなわち、主スイッチング素子のオンオフによってインダクタンス素子に蓄積されたエネルギを整流、平滑して直流出力を得るスイッチング電源において、整入力側あるいは整流、平滑回路の出力端と負荷に接続される出力端子との間に直流スイッチ素子を具え、整流、平滑回路の出力端と当該直流スイッチ素子の動作を制御するスイッチング素子の制御端子とを接続して正バイアスする第2のダイオードと、整流、平滑回路の出力端と出力端子とを導通させて接続する第3のダイオードとを具えたことに特徴を有するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明による出力短絡保護回路を具えたスイッチング電源の基本的な動作は以下の通りである。
正常動作状態においては、整流、平滑回路の出力電流の一部のわずかな電流は直流スイッチ素子をオンさせるようなバイアス状態を発生させるために用いられる。
逆に、負荷短絡状態になると、正常作動状態において直流スイッチ素子をオンさせるようなバイアス状態を発生させるために用いられた整流、平滑回路からの電流は直流スイッチ素子をオフするバイアス状態を発生させる電流経路に変えられる。
【0012】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図1は本発明の実施例を示す回路図である。入力端VINから直列の抵抗R5、R6への接続点までは図2に示した従来の回路と同じである。インダクタンス素子L0に直列に主スイッチング素子Q0に接続し、抵抗を介して入力端に接続した補助トランジスタと交互にオンさせて発振動作を得ている。
【0013】
本発明によるスイッチング電源においては、出力端VOとの間に検出抵抗Rsと直流スイッチ素子としてPNPトランジスタQ1が接続されている。入力端VINとトランジスタQ2のベース間が抵抗R1とダイオードD2を介して接続され、トランジスタQ2のエミッタは接地され、同コレクタは抵抗R3を介してトランジスタQ1のベースと接続されている。また、入力端VINと出力端VOは抵抗R1とダイオードD1を介して接続されている。抵抗RSとトランジスタQ1のエミッタ間の接続点がトランジスタQ3のベースに接続され、トランジスタQ3のエミッタは抵抗RSの入力側に、コレクタはトランジスタQ1のベースに接続されている。
【0014】
次にこの回路の動作について説明する。
【0015】
(1)初期状態において負荷は正常であり、スイッチング電源も正常に動作したが、その後に何らかの理由で負荷が短絡した場合の動作
入力電圧VINが投入され、従来のスイッチング電源部(図2参照)が動作を開始すると、従来の出力端子にあたる端子V0’には所定の出力電圧が出力される。一方、VINの印加によってトランジスタQ2のベースにはR1、ダイオードD2を介して正バイアス電流が流入するためトランジスタQ2はオンする。
【0016】
トランジスタQ2のオンによって、トランジスタQ1のベース電流路が開通するため、トランジスタQ1もオンとなり、負荷側端V0にはVO’とほぼ等しい所定の出力電圧が出力され、負荷に電力が供給される。
【0017】
その後、何らかの理由で負荷側端が短絡されると、R1、D2を介してトランジスタQ2のベースに流入していた電流はダイオードD2には向わず、ダイオードD1を介して短絡路へ流入するようになる。そのため、トランジスタQ2はオフし、トランジスタQ1のベース電流路も断たれるため、トランジスタQ1はオフする。これによって、存在していた入力端から出力端への電流経路は遮断されるため、スイッチング電源を構成する素子の損焼は防止される。
【0018】
(2)初期状態から出力端が短絡されている場合の動作
入力電圧VINが投入されると、図3に示した従来のスイッチング電源部は正常に起動し、端子V0’には所定の出力電圧が出力される。しかし、抵抗R1を通過した電流はやはり、ダイオードD1を介して短絡路に流れ込み、ダイオードD2には流れ込まない。そのため、上記と同様にトランジスタQ2はオンせず、トランジスタQ1もオンしないので、出力電圧はトランジスタQ1によって遮断される。これによって、スイッチング電源が保護される。
【0019】
動作中に短絡状態が解除されると、抵抗R1を経た電流はダイオードD1ではなくダイオードD2へ流れて(1)の当初と同じ動作を開始し、トランジスタQ1がオンされて所定の出力電圧が得られる。これによって、スイッチング電源は自動的に復帰することになる。
【0020】
定電流電源を構成する抵抗Rs、トランジスタQ3は仕様によっては省くことができるし、抵抗R1の一端をVINではなく端子VO’に接続してもよい。また、上記の例は自励式のスイッチング電源を示したが、他励式のスイッチング電源にも適用できる。さらに、トランジスタQ1のICEO低減用抵抗R4も仕様によっては削除してもよい。
【0021】
図2は本発明の他の実施例を示す回路図である。入力側から直列の抵抗R1、R2への接続点までは図4に示した従来の回路と同じである。
【0022】
本発明によるスイッチング電源においては、出力端VOとの間に直流スイッチ素子としてPNPトランジスタQ2が接続されている。トランジスタQ2のエミッタ側とトランジスタQ3のベース間が抵抗R4とダイオードD3を介して接続され、トランジスタQ3のエミッタは入力端VINに、同コレクタは抵抗R5を介してトランジスタQ2のベースと接続されている。
【0023】
次にこの回路の動作について説明する。
(1)負荷が正常な時の動作
トランジスタQ1がオンオフ動作すると、コンデンサC2の両端には抵抗R1、R2で設定された所定の直流電圧が現れる。すると、抵抗R4、ダイオードD3を介してトランジスタQ3のベース・エミッタ間に正バイアス電流が流れ、トランジスタQ3のコレクタ・エミッタ間はオンする。トランジスタQ3がオンすると、トランジスタQ2のベース電流路が開通するため、トランジスタQ2のコレクタ・エミッタ間もオンし、出力端子VOには所定の出力電圧が出力される。
【0024】
(2)正常負荷状態で動作後、出力端が短絡された場合の動作
上記の正常な動作では、抵抗R4→ダイオードD3と電流が流れ、トランジスタQ3がオンしているが、出力端子が何らかの理由で短絡されると、R4を通過した電流はダイオードD3には向わず、ダイオードD2を介してGNDへ流入するようになる。そのため、トランジスタQ3のベース・エミッタ間はVINによって逆バイアスされ、トランジスタQ3のコレクタ・エミッタ間はオフし、トランジスタQ2のベース電流路も断たれるため、トランジスタQ2のコレクタ・エミッタ間はオフする。これによって、存在していた入力端から出力端への電流経路は遮断されるため、スイッチング電源を構成する素子の損焼は防止される。
【0025】
(3)出力端が短絡されたままVINが投入された場合の動作
PWMコントローラからのパルス信号を受けてトランジスタQ0はスイッチング動作を開始し、コンデンサC2には所定の出力電圧が現れるが、抵抗R4を通過した電流はやはり、ダイオードD2→GNDと流れ込むため、(2)と同様に出力電圧はトランジスタQ2によって遮断される。
【0026】
動作中に短絡状態が解除されると、抵抗R4を経た電流はダイオードD2ではなくダイオードD3へ流れて(1)と同じ動作を開始し、トランジスタQ2がオンされて所定の出力電圧が得られる。
【0027】
なお、上記の例は他励式のスイッチング電源を示したが、自励式のスイッチング電源にも適用できる。また、インダクタンス素子は、単巻コイルでなく、トランスに代えてもよい。更に、入力の仕様によって上記の例のはダイオードD3が不要となる。なお、ダイオードD3の挿入位置をトランジスタQ3のエミッタ・GND間としてもよい。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷短絡時の入出力端間の電流を切断する機能を付加することによって、負荷短絡時の回路素子の損焼を防止することができる。また、負荷短絡状態が解除されれば、正常な動作に自動的に復帰可能で、電源の切断や再投入などが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す回路図
【図2】本発明の他の実施例を示す回路図
【図3】従来のスイッチング電源を示す回路図
【図4】従来のスイッチング電源を示す回路図
【符号の説明】
Q0:主スイッチング素子(トランジスタ)
D0:整流ダイオード
C2:平滑コンデンサ
Q1 〜Q3:トランジスタ
D1〜D3:ダイオード
R1〜R6:抵抗[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit configuration of a switching power supply, and more particularly to an automatic return switching power supply having a circuit protection function at the time of a load short circuit and capable of automatically returning.
[0002]
[Prior art]
The circuit shown in FIG. 3 is often used as a step-up switching power supply. This voltage induced in the inductance element L 0 is rectified by the diode D 0 by off of the main switching element Q 0, is intended to obtain a DC output is smoothed by the capacitor C 2. Such a switching power supply is often used because it can provide a boosting function with a simple configuration and can be reduced in cost.
[0003]
However, since the switching power supply as shown in FIG. 3 does not have the output short-circuit protection function, there is a problem in that if the output is short-circuited, the coil L 0 , the main switching element Q 0 , the rectifier diode D 0 and the like will be damaged. Occurs. That is, the input V IN terminal → coil L 0 in the absence of substantially resistance, a rectifier diode D 0, the flow in the order of the output V O terminal → GND terminal, is Sonsho like coil elements L 0 and the rectifier diode D 0 There was a possibility.
[0004]
The circuit shown in FIG. 4 is often used as a boost type separately-excited switching power supply. This voltage induced in the inductance element L 1 is rectified by the diode D 0 by off of the main switching element Q 0, is intended to obtain a DC output is smoothed by the capacitor C 2.
[0005]
The PWM controller in FIG. 4 has a main function of controlling the switching pulse width so that the output voltage is maintained at a predetermined value even when the input voltage or the load fluctuates. Further, when the output terminal is short-circuited to GND for some reason, it generally has a protection function to protect the switching power supply from burning.
[0006]
However, the operation of the protection function, by 100% Ofudeyutei pulse output signal of the PWM controller is used a method of off the main switching element 100% Deyutei the on-off operation of the Q 0. However, while in the circuit configuration between the indicated such input and output terminals are not insulated in Figure 4 even PWM controller to output a signal of 100% Ofudeyutei, GND terminal V O from the input terminal V IN is shorted It becomes.
[0007]
That is, the flow in the order of approximately input in the absence of the resistor V IN terminal → the coil L 1 → rectifier diode D 0 → output V O terminal → GND terminal, is Sonsho like coil element L 1 and the rectifier diode D 0 And it was not enough as a protection function.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a switching power supply that prevents a circuit element from burning when a load is short-circuited by adding a function of cutting off a current between input and output terminals when the load is short-circuited. Another object of the present invention is to provide a switching power supply capable of returning to a normal operation when the load short-circuit state is released.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a DC switch function is added to the output terminal side, and when the load is short-circuited, this DC switch function is operated to cut off between the input and output. When the short-circuit state is released, the cut-off state is changed to the conductive state. By returning, the above problem is solved.
[0010]
That is, in a switching power supply that rectifies and smoothes energy stored in an inductance element by turning on and off a main switching element and obtains a DC output, the output terminal of a regulated input side or a rectifying and smoothing circuit and an output terminal connected to a load. A second diode for providing a positive bias by connecting an output terminal of the rectifying / smoothing circuit to a control terminal of a switching element for controlling the operation of the DC switching element, and an output of the rectifying / smoothing circuit; It is characterized by having a third diode that connects the end and the output terminal by conduction.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The basic operation of the switching power supply provided with the output short-circuit protection circuit according to the present invention is as follows.
In a normal operation state, a small part of the output current of the rectifying and smoothing circuit is used to generate a bias state that turns on the DC switch element.
Conversely, when a load short circuit occurs, the current from the rectifying and smoothing circuit used to generate a bias state that turns on the DC switch element in a normal operation state generates a bias state that turns off the DC switch element. Can be turned into a current path.
[0012]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention. The circuit from the input terminal VIN to the connection point to the series resistors R 5 and R 6 is the same as the conventional circuit shown in FIG. Connected to the inductance element L main switching element Q 0 in series with 0, resistance is alternately turned on and the auxiliary transistor connected to the input terminal via the by to obtain the oscillation operation.
[0013]
In the switching power supply according to the present invention, PNP transistor Q 1 is connected as a direct current switching element and the detection resistor R s between the output terminal V O. Between the input V IN and the transistor Q 2 base connected through a resistor R 1 and a diode D 2, the emitter of the transistor Q 2 is grounded, connected to the base of the transistor Q 1 through the collector resistor R 3 Have been. The output terminal V O and the input terminal V IN is connected through a resistor R 1 and a diode D 1. Connection point between the emitter of the resistor R S and the transistor Q 1 is connected to the base of the transistor Q 3, the emitter of the transistor Q 3 are the input side of the resistor R S, the collector is connected to the base of the transistor Q 1.
[0014]
Next, the operation of this circuit will be described.
[0015]
(1) In the initial state, the load is normal and the switching power supply operates normally, but thereafter, the operation input voltage VIN when the load is short-circuited for some reason is supplied, and the conventional switching power supply unit (see FIG. 2) ) Starts operation, a predetermined output voltage is output to a terminal V 0 ′ corresponding to a conventional output terminal. On the other hand, the base of the transistor Q 2 by the application of V IN R 1, positive bias current through the diode D 2 is the transistor Q 2 is turned on to flow into.
[0016]
By on of the transistor Q 2, since the base current path of the transistor Q 1 is to open, the transistor Q 1 is also turned on, is approximately equal to a predetermined output voltage V O 'is output to the load side end V 0, the power to the load Is supplied.
[0017]
Thereafter, when the load-side end for any reason is short-circuited, R 1, D 2 a current which has been flowing into the base of the transistor Q 2 through not directed to the diode D 2, short-circuited via the diode D 1 Start to flow into the road. Therefore, the transistor Q 2 is turned off, since the cut off the base current path of the transistor Q 1, the transistor Q 1 is turned off. As a result, the existing current path from the input terminal to the output terminal is cut off, so that the elements constituting the switching power supply are prevented from being damaged.
[0018]
(2) Operation when the output terminal is short-circuited from the initial state When the input voltage VIN is applied, the conventional switching power supply unit shown in FIG. 3 normally starts up, and a predetermined voltage is applied to the terminal V 0 ′. Output voltage is output. However, the current passing through the resistor R 1 is again flows into the short-circuit path through the diode D 1, it does not flow to the diode D 2. Therefore, the transistor Q 2 in the same manner as described above is not turned on, the transistor Q 1 is also not turned on, the output voltage is cut off by the transistor Q 1. This protects the switching power supply.
[0019]
A short-circuit state is canceled during operation, the current passing through the resistor R 1 is flowed to the diode D 1 but not the diode D 2 starts the same operation as the original (1), the transistor Q 1 is turned-on by a predetermined An output voltage is obtained. As a result, the switching power supply automatically returns.
[0020]
The resistor R s and the transistor Q 3 constituting the constant current power supply can be omitted depending on the specification, and one end of the resistor R 1 may be connected to the terminal VO ′ instead of VIN . Although the above-described example shows a self-excited switching power supply, the present invention can be applied to a separately-excited switching power supply. Further, the I CEO reduction resistor R 4 of the transistor Q 1 may be omitted depending on the specification.
[0021]
FIG. 2 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention. The circuit from the input side to the connection point to the series resistors R 1 and R 2 is the same as the conventional circuit shown in FIG.
[0022]
In the switching power supply according to the present invention, PNP transistor Q 2 is connected as a direct current switching element between the output terminal V O. Between the base of the emitter side of the transistor Q 3 of the transistor Q 2 is connected through the resistor R 4 and the diode D 3, the emitter of the transistor Q 3 are the input V IN, the transistor Q the collector through a resistor R 5 2 is connected to the base.
[0023]
Next, the operation of this circuit will be described.
(1) load is operating transistor to Q 1 when normal when turned on and off, at both ends of the capacitor C 2 resistors R 1, R 2 predetermined DC voltage appears set in. Then, the resistance R 4, positive bias current flows through the diode D 3 between the base and emitter of the transistor Q 3, between the collector and the emitter of the transistor Q 3 are turned on. When the transistor Q 3 is turned on, since the base current path of the transistor Q 2 is opened, the collector-emitter of the transistor Q 2 is also turned on, the output terminal V O a predetermined output voltage is output.
[0024]
(2) Operation when output terminal is short-circuited after operation under normal load state In the above-mentioned normal operation, current flows from resistor R 4 to diode D 3 and transistor Q 3 is turned on. There When short circuit for some reason, the current passing through the R 4 is not directed to the diode D 3, so flows into GND via the diode D 2. Therefore, the base-emitter of the transistor Q 3 are reverse biased by V IN, the collector-emitter of the transistor Q 3 are turned off, since the cut off the base current path of the transistor Q 2, the transistor Q 2 collector-emitter Turn off for a while. As a result, the existing current path from the input terminal to the output terminal is cut off, so that the elements constituting the switching power supply are prevented from burning.
[0025]
(3) Start the transistor Q 0 is a switching operation by receiving a pulse signal from the operation PWM controller when the left V IN output is short-circuited is turned on, but appears predetermined output voltage on the capacitor C 2 the current passing through the resistor R 4 is again because the flow into the diode D 2 → GND, is blocked similarly output voltage by the transistor Q 2 and (2).
[0026]
When the short-circuit condition during operation is released, the resistor R 4 a current passing through the flow to no diode D 3 in the diode D 2 starts the same operation as (1), the transistor Q 2 is turned on a predetermined output voltage Is obtained.
[0027]
Although the above example shows a separately-excited switching power supply, the present invention can be applied to a self-excited switching power supply. Further, the inductance element may be replaced with a transformer instead of a single-turn coil. Furthermore, the above example the diode D 3 is not required by the input specification. Incidentally, the insertion position of the diode D 3 may be the emitter · GND of the transistor Q 3.
[0028]
【The invention's effect】
According to the present invention, by adding the function of cutting off the current between the input and output terminals when the load is short-circuited, it is possible to prevent the circuit element from burning when the load is short-circuited. Further, when the load short-circuit state is released, the normal operation can be automatically restored, and the power supply does not need to be turned off or turned on again.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a circuit diagram showing a conventional switching power supply. FIG. Circuit diagram [Description of symbols]
Q 0 : Main switching element (transistor)
D 0 : Rectifying diode C 2 : Smoothing capacitors Q 1 to Q 3 : Transistors D 1 to D 3 : Diodes R 1 to R 6 : Resistance
Claims (3)
整流、平滑回路の出力端と負荷に接続される出力端子との間に直流スイッチ素子を具え、
入力側あるいは整流、平滑回路の出力端と当該直流スイッチ素子の動作を制御するスイッチング素子の制御端子とを接続して正バイアスする第2のダイオードと、整流、平滑回路の出力端と出力端子とを導通させて接続する第3のダイオードとを具えた
ことを特徴とする出力短絡保護回路を具えたスイッチング電源。In a switching power supply that rectifies and smoothes energy stored in an inductance element by turning on and off a main switching element to obtain a DC output,
A DC switch element between the output terminal of the rectifying and smoothing circuit and the output terminal connected to the load,
A second diode for connecting the input terminal or the output terminal of the rectifying / smoothing circuit to the control terminal of the switching element for controlling the operation of the DC switch element and positively biasing the output terminal; And a third diode connected by conducting the current. A switching power supply comprising an output short-circuit protection circuit.
整流、平滑回路の出力端と負荷に接続される出力端子との間に直流スイッチ素子を具え、
入力側あるいは整流、平滑回路の出力端と当該直流スイッチ素子の動作を制御するスイッチング素子の制御端子とを接続して正バイアスする第2のダイオードと、整流、平滑回路の出力端と出力端子とを導通させて接続する第3のダイオードとを具え、
平常時は第2のダイオードによって上記スイッチング素子を正バイアスして直流スイッチ素子をオンさせ、負荷短絡時は第3のダイオードによって整流、平滑回路の出力と出力端子とを導通させて上記スイッチング素子を逆バイアスして直流スイッチ素子をオフさせる、
ことを特徴とする出力短絡保護回路を具えたスイッチング電源。In a switching power supply that rectifies and smoothes energy stored in an inductance element by turning on and off a main switching element to obtain a DC output,
A DC switch element between the output terminal of the rectifying and smoothing circuit and the output terminal connected to the load,
A second diode for connecting the input terminal or the output terminal of the rectifying / smoothing circuit to the control terminal of the switching element for controlling the operation of the DC switch element and positively biasing the output terminal; And a third diode for conducting and connecting
In a normal state, the switching element is positively biased by the second diode to turn on the DC switching element, and when the load is short-circuited, the third diode rectifies and conducts the output of the smoothing circuit to the output terminal to connect the switching element. Reverse bias to turn off the DC switch element,
A switching power supply comprising an output short-circuit protection circuit.
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