JP2004032910A - Switching circuit - Google Patents

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JP2004032910A
JP2004032910A JP2002186107A JP2002186107A JP2004032910A JP 2004032910 A JP2004032910 A JP 2004032910A JP 2002186107 A JP2002186107 A JP 2002186107A JP 2002186107 A JP2002186107 A JP 2002186107A JP 2004032910 A JP2004032910 A JP 2004032910A
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Shinya Saito
斎藤 紳也
Takeshi Takagi
高木 毅
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Furukawa Electric Co Ltd
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switching circuit with a simple configuration, which is capable of eliminating a shunt resistor for detecting an output current and has a protective circuit for protecting the circuit by completely detecting an overcurrent or short-circuit condition. <P>SOLUTION: This switching circuit comprises a switching control circuit, an integrator, and the protective circuit. The switching control circuit outputs a pulse signal for determining the conduction period of a switching device corresponding to the output voltage of the switching device for switching an input voltage. The integrator integrates the pulse signal and determines a voltage signal proportional to the frequency or pulse duration of the pulse signal. The protective circuit changes the frequency or pulse duration of the pulse signal if the output voltage of the integrator is larger than a reference voltage to limit the output current of the switching circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はスイッチング回路に係り、その出力過電流または出力短絡検出のための電力を消費しない過電流保護回路を有するスイッチング回路に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
近時、半導体素子スイッチング素子を駆動することで、入力された電力を低損失で変換して出力するスイッチング回路が多用されている。例えば、直流電圧を高効率で電圧変換する装置としてDC−DCコンバータが広く適用されている。このDC−DCコンバータは、基本的には直流入力電圧をスイッチング素子でスイッチングすることによって電圧変換する、所謂直流チョッパを用いたものとして構成される。
【0003】
このようなDC−DCコンバータに用いられるスイッチング素子のオンまたはオフ動作は、瞬時に行われるのが理想であるが実際は多少の動作時間を要する。このため、オンまたはオフ時にスイッチング素子に損失が生じる。この損失の低減を図るため、スイッチング素子にLC回路からなる共振回路を設けた共振形コンバータが用いられている。
【0004】
ところで、この種のスイッチング回路の出力過電流保護は、専らコンバータの出力と負荷との間に直列に介挿したシャント抵抗に生ずる電圧降下を検出し、この電圧降下が予め定めた一定レベルの電圧値となったとき、過電流または短絡状態にあると判断してスイッチング回路の動作を停止させる過電流保護回路によっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなシャント抵抗を用いたスイッチング回路の過電流保護回路にあっては、常時、この抵抗に電流が流れ続けることになる。このため、大電流を出力するスイッチング回路においては、シャント抵抗に生じる消費電流が大きくなるという問題があった。
【0006】
また、例えばスイッチング回路として、電流共振形のDC−DCコンバータに用いられる保護回路にあっては、このコンバータの出力が過電流または短絡状態になったとき、スイッチング制御回路が出力するパルス信号をコンバータの最大出力時の周波数に制限するだけである。このため、コンバータの過電流出力時または短絡時には、定電力出力状態となり出力電圧は低下する反面、出力電流が増大するという問題があった。
【0007】
特に、大電力を出力するDC−DCコンバータにあっては、シャント抵抗の消費電力が著しく大きくなるため、この消費電力に耐えうる大型のシャント抵抗を用意する必要があった。更には、大型のシャント抵抗を用いるため、DC−DCコンバータ全体が大きくなると共に、シャント抵抗の放熱を考慮しなければならず、DC−DCコンバータの収容スペースが大きくなると言う問題があった。
【0008】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、スイッチング回路の出力電流の検出に用いるシャント抵抗を不要にすると共に、確実に出力過電流または出力短絡を検出し、保護する保護回路を備えた簡易な構成のスイッチング回路を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するため、本発明に係るスイッチング回路は、入力電圧をスイッチングするスイッチング素子と、
このスイッチング素子の出力電圧に応じて上記スイッチング素子の導通期間を決定するパルス信号を出力して該スイッチング素子の駆動を制御するスイッチング制御回路と、
このスイッチング制御回路から出力される上記パルス信号を積分して該パルス信号の周波数またはそのパルス幅に比例した電圧信号を求める積分器と、
この積分器の出力電圧が予め定められた基準電圧より大きいとき、前記パルス信号の周波数またはパルス幅を変化させて前記スイッチング素子から出力される出力電流を制限する保護回路とを具備したことを特徴とする。
【0010】
即ち、スイッチング素子を駆動するスイッチング制御回路が出力するスイッチングパルス信号を積分器で積分して電圧信号に変換し、この電圧信号のレベルが予め定めた基準電圧値より大きいとき、過電流または短絡状態にあると判断してスイッチングパルスの周波数またはパルス幅を変化させることで出力電流を制限する。
【0011】
好ましくは、前記スイッチング素子は、その出力段に共振回路を備えて電流共振型スイッチング回路を形成してなり、周波数制御される所定パルス幅のパルス信号により、所謂PFM制御されるものとして構成される。
或いは、前記スイッチング素子は、パルス幅制御されたパルス信号により、所謂PWM制御されるものとして構成される。
【0012】
より好ましくは、前記保護回路は、前記入力電圧および/または出力電圧に応じて電流制限値を補正する補正手段を備えたものとして構成される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るスイッチング回路について説明する。
この実施形態は、直流入力電圧を半導体スイッチング素子でスイッチングして直流電圧を出力するDC−DCコンバータを示すものである。
【0014】
このDC−DCコンバータは、基本的には所定の出力電圧になるよう電圧検出回路で出力電圧を検出すると共に、この検出された出力電圧をスイッチング制御回路に帰還することで出力電圧を一定に保つフィードバック制御を行う。
図1は電流共振形DC−DCコンバータの概略構成を示すブロック図である。このコンバータには、バッテリなどの直流電源1から入力される電圧をスイッチングして出力するスイッチング素子2が設けられている。このスイッチング素子2から出力される電圧および電流は、脈流であり、この為、波形成形(整流・平滑)を行う出力回路としての平滑回路3が設けられている。この平滑回路3は、後述するように例えばインダクタンス、コンデンサおよびダイオードとから構成される。
【0015】
この平滑回路3の出力端には、平滑回路3から出力された直流電圧を検出する電圧検出回路4が設けられている。そして、この電圧検出回路4で検出された電圧情報に基づき、スイッチング素子2に与えるパルス信号の周波数を調整して、一定電圧を維持する電圧制御発振器(VCO)5が設けられ、スイッチング制御回路の役割を担う。
【0016】
尚、スイッチング素子2のオンまたはオフ時に出力電圧および電流の急峻な変化が起きないようにスイッチング素子2の入出力間に共振回路6が並列に設けられ、この共振回路6の共振周波数を利用したソフトスイッチング(ゼロクロス動作)を行うよう構成されている。
ここで本発明が特徴とするところは、電圧制御発振器5がスイッチング素子2へ与えるパルス信号を取出し、このパルス信号を積分して電圧信号に変換する積分器10を設け、この積分器10が出力する電圧信号を前記比較器11の入力信号として与えると共に、この比較器11の出力信号を用いて電圧制御発振器5が出力するパルス信号の周波数を可変制御する点にある。
【0017】
さて、このように構成されたDC−DCコンバータにおいて、電圧制御発振器5のパルス信号のパルス周波数は、直流出力電圧を検出する電圧検出回路4の電圧検出信号により決定される。すなわち電圧制御発振器5は、DC−DCコンバータの負荷電流が増加して、直流出力電圧が定格電圧より低下すれば、スイッチング素子2に加えるパルス信号の周波数を高くする。
【0018】
一方、電圧制御発振器5は、コンバータの負荷電流が減少して直流出力電圧が定格電圧より上昇すれば、パルス信号の周波数を下げるように作用する。つまり出力電流が増加してコンバータの出力電圧が低下すると、パルス信号の周波数を高くし、逆に出力電流が減少するとコンバータの出力電圧が上昇するのでパルス信号の周波数を低くする。したがって、コンバータの出力電流は、電圧制御発振器5が出力するパルス信号の周波数に比例する特性を持つことになる。尚、スイッチング素子2の脈流出力は平滑回路3によって平滑され一定電圧の直流が出力される。
【0019】
さて、基本的には上述したような直流電圧変換動作を行うDC−DCコンバータの出力が過電流、または、短絡状態になると、上述したようにコンバータの出力電流の増加に比例して電圧制御発振器5が出力するパルス信号の周波数が高くなる。このパルス信号は、本発明が特徴とする電圧制御発振器5の出力に接続された積分器10により積分され、電圧信号に変換される。そして、この電圧信号は、直流電源1に接続された基準電圧生成回路12が出力する基準電圧と比較器11によって比較される。
【0020】
この比較器11が、積分器10の出力する電圧より基準電圧生成回路12の出力する基準電圧の方が大きいと判断したとき、電圧制御発振器5に与える制御電圧を低下させ、電圧制御発振器5が出力するパルス信号の周波数を下げるように作用する。つまり、このコンバータが最大電流を出力したとき、積分器10が出力する電圧と等しくなるように比較器11に与える基準電圧を設定すればコンバータ出力の過電流または短絡の保護ができる。即ち、積分器10の出力する電圧が、この比較器11に与えられた基準電圧を上回るとき、DC−DCコンバータが過電流または短絡状態にあると判断することができる。
【0021】
更にDC−DCコンバータの出力が過電流または短絡状態のとき、電圧低下検出回路13で検出した電圧低下の電圧情報を積分器10が出力する電圧信号に加えて比較器11に与えることで、より急速に出力電流を絞り込むことができ、確実にコンバータの出力保護が可能となる。
つまり、コンバータの出力過電流または出力短絡時に積分器10から出力される電圧信号と電圧検出回路4の電圧低下信号が合成され、比較器11に与えられる電圧信号のレベルが高くなる。すると比較器11から電圧制御発振器5へ与える制御電圧が低下するので、積分器10だけのときと比べてスイッチング周波数をより低く抑えることが可能となる。このため確実にDC−DCコンバータの出力過電流または出力短絡からDC−DCコンバータを保護することができる。
【0022】
より詳細に、本発明に係るスイッチング回路をDC−DCコンバータに適応した図2の回路図に基づいて説明する。この回路にあっては、バッテリなどからなる直流電源1が、逆流防止用ダイオードDを介してスイッチング素子(MOSFET)2のドレインに接続されている。このMOSFET2には、電圧制御発振器5が出力するパルス信号が与えられ、スイッチングされた直流が、ソースから出力されるように構成されている。また、このMOSFET2のソースには、電流共振動作を行うL,Cからなる直列共振回路6が接続されている。この直列共振回路6は、スイッチング時の損失を抑えるソフトスイッチングの機能を担う。
【0023】
更にMOSFET2でスイッチングされた直流出力を波形成形するため、この直列共振回路6と負荷7との間に平滑回路3が介挿されている。この平滑回路3は、インダクタンスLおよびコンデンサCとで構成される。また、平滑回路3に設けられたダイオードDは、スイッチング素子2のオフ時にインダクタンスLに蓄えられたエネルギーを負荷7に流す経路を形成する環流ダイオードとなる。
【0024】
この平滑回路3の出力は負荷7に接続されると共に、コンバータの出力電圧を検出する電圧検出回路4が接続される。この電圧検出回路4は、例えば抵抗分割した回路から構成されている。この電圧検出回路4で検出された電圧検出信号は、エラーアンプ14に接続されている。そしてこの電圧検出信号は、電圧制御発振器5が出力するパルス信号の周波数制御に用いられ、コンバータの出力電圧が一定の定格電圧になるよう制御される。
【0025】
更にコンバータの出力電圧が、予め定めた許容電圧Eを下回ったときに電圧低下信号を出力する電圧低下検出回路13が設けられている。この許容電圧Eは、コンバータの出力過電流または短絡時に低下する出力電圧の許容限度値として設定される。
一方、電圧制御発振器5のパルス信号は、抵抗R、コンデンサCおよびバッファアンプAからなる積分器10で積分される。この積分器10により、電圧制御発振器5の出力するパルス信号の周波数に比例した電圧信号を得ることできる。この電圧信号は、電圧低下検出回路13の電圧低下信号と合成され、反転増幅器Aをなす比較器11によって比較される。そして、この比較器11の出力電圧によって電圧制御発振器5のパルス信号の発振周波数が決定される。
【0026】
このように構成されたDC−DCコンバータは、出力電流が増加すると、コンバータの出力電圧が低下する。この電圧低下は、分圧抵抗R,Rからなる電圧検出回路4で検出され、エラーアンプ14のマイナス側入力の電圧を下げる。このため、エラーアンプ14の出力電圧が上昇して、電圧制御発振器5のパルス信号の周波数を高くするよう作用する。すると、MOSFET2のオン時間が長くなるので、出力電圧が上昇する。逆にコンバータの出力電圧が上昇すると、エラーアンプ14のマイナス側入力の電圧を上昇させることになる。このため、エラーアンプ14の出力電圧が低下して、電圧制御発振器5のパルス信号の周波数が低下する。かくしてコンバータの出力電圧を一定に維持することができる。
【0027】
基本的には、上述したように動作するDC−DCコンバータの出力電流が増加すると、その出力電圧を維持するため電圧制御発振器5の発振周波数を高くする。そして、出力電流が増加して過電流状態になると、積分器10の出力電圧が高くなり、比較器11の出力電圧が低下する。すると、エラーアンプ14のプラス側入力の電圧が低下するため、このエラーアンプ14の出力電圧が低下する。このため、電圧制御発振器5の発振周波数が低下してMOSFET2の導通期間が短くなり、コンバータの出力電流を抑制する。
【0028】
更にはコンバータの出力過電流または出力短絡時に生じるコンバータ出力側の電圧低下を電圧低下検出回路13で検出している。この電圧低下検出回路13は、コンバータの出力過電流または出力短絡時の電圧低下が一定レベル(許容電圧E)以下となった場合に、電圧低下信号を出力するように構成されている。そして、この電圧低下信号が上述した積分器10の出力と合成され、比較器11に与えられている。このためコンバータの出力過電流または出力短絡時に積分器10による電圧制御発振器5の発振周波数の抑制に加えて、この電圧低下検出回路13が検出した電圧低下信号を合成して比較器11に与えることによって、よりいっそう電圧制御発振器5の周波数を低下させることができる。このため、コンバータの電流制限に垂下特性を持たせることができるので、コンバータの出力電流を確実に絞り込むことが可能となる。
【0029】
上述したように、従来は過電流または短絡検出のためコンバータの出力と負荷との間に介挿するシャント抵抗が必要であったが、本発明のDC−DCコンバータによれば、スイッチング素子2のパルス信号の周波数を積分器10で電圧信号に変換して、この電圧信号に基づいてDC−DCコンバータの出力の過電流または短絡を検出して保護している。このためシャント抵抗が不要となり、シャント抵抗で発生していた無駄な電力消費を削減することができる。
【0030】
更には、コンバータの出力過電流または出力短絡時に生じる出力電圧の低下を電圧低下検出回路13で検出して、補正するため、より確実に出力過電流または出力短絡からDC−DCコンバータを保護することが可能となる。
また、直流入力電圧の変動を補正するため、基準電圧生成回路12が設けられ、入力電圧に逆比例した基準電圧信号を出力する。この基準電圧信号は比較器11に与えられ、入力電圧が高いとき、電圧制御発振器5の周波数を低下させる閾値を低くし、逆に入力電圧が低いとき、この閾値を高くするように作用する。このため、直流電源の電圧変動が大きい例えば車両用バッテリ回路に適用するスイッチング回路として好適である。
【0031】
また、上述した実施形態はスイッチング素子2のスイッチング制御回路として、電圧制御発振器5を用いたDC−DCコンバータであったが、図3に示すPWM方式のDC−DCコンバータでも同様に適用することができる。
この別の実施形態のスイッチング回路は、例えばDC−DCコンバータにおいて、スイッチング素子2の導通期間を決定するパルス信号の生成を行うPWM(パルス幅変調)制御回路8を備えたものとして構成される。
【0032】
このように構成されたDC−DCコンバータは、出力電圧を一定に維持するため直流出力側に設けられた電圧検出回路4により、その出力電圧が検出される。この検出された電圧検出信号から、PWM制御回路8がスイッチング素子2に出力するパルス信号の信号幅を決定する。
すなわち、DC−DCコンバータの負荷電流が増加して、直流出力電圧が基準出力電圧より低下すれば、スイッチング素子2に対する電圧制御発振器5のパルス信号のパルス幅の時間を長くする。一方、コンバータの負荷電流が減少して直流出力電圧が基準電圧より上昇すれば、パルス信号のパルス幅を短くするように作用する。このように、PWM制御回路8が出力するパルス幅の時間を制御することによって、スイッチング素子2の導通期間を制御してコンバータの出力電圧を一定に維持する。
【0033】
基本的には上述したような直流電圧変換動作を行うPWM方式のDC−DCコンバータの出力が過電流または短絡状態になると、上述したようにコンバータの出力電流の増加に比例してPWM制御回路8が出力するパルス信号のパルス幅の時間が長くなる。このパルス信号は、PWM制御回路8の出力に接続された積分器10により積分され電圧信号に変換される。すると、この積分器10の出力側には、パルス信号のオン時間の幅に比例した電圧信号が得られる。そして、この電圧信号は、直流電源1に接続された基準電圧生成回路12が出力する基準電圧と比較器11によって比較される。
【0034】
この比較器11が、積分器10が出力する電圧が基準電圧生成回路12の出力する基準電圧よりも大きいと判断したとき、PWM制御回路8に与える制御電圧を低下させ、PWM制御回路8が出力するパルス信号のパルス幅を短くするように指令する。
したがって、PWM制御回路8を用いたDC−DCコンバータにおいても、前述した実施形態と同様に、DC−DCコンバータ出力の過電流または短絡を検出することができる。そしてこの場合、比較器11に与える基準電圧を、このコンバータが最大電流を出力したとき、積分器10が出力する電圧と等しくなるように設定すればよい。
【0035】
勿論、前述した実施形態と同様にDC−DCコンバータの出力過電流または出力短絡状態のときは、より急速に出力電流を絞り込めるように電圧検出回路4で検出した電圧情報を積分器10が出力する電圧信号に加味して補正してもよい。このように、PWM方式のDC−DCコンバータにおいても、スイッチング素子2に与えるパルス信号のオン時間を積分器10で電圧信号に変換して、この電圧信号に基づいてDC−DCコンバータの出力の過電流または短絡保護を行うので、シャント抵抗が不要となる。
【0036】
更には、コンバータの出力過電流または出力短絡時に生じる出力電圧の低下を電圧低下検出回路13で検出して、積分器10の出力信号と合成して補正しているため、前述した実施形態と同様に、より確実に出力過電流または出力短絡からDC−DCコンバータを保護することが可能となる。
より好ましくはスイッチング素子2の周囲に設置した温度センサ(図示せず)の情報を用いて、温度が上昇したときにはスイッチング周波数を低くしてスイッチング素子を保護するように構成することが望ましい。この場合は、コンバータの出力過電流や短絡時の保護に加えて、通常運転時においても、スイッチング素子2の温度上昇やコンバータの設置場所の周囲温度上昇などからスイッチング回路を適切に保護することが可能となる。
【0037】
尚、本発明は上述したDC−DCコンバータ以外にもPWM制御またはPFM制御を行うスイッチング回路に適用することが可能である。この場合、出力電流の検出用のシャント抵抗を不要にすると共に、確実に過電流または短絡の状態を検出して保護する保護回路を備えた簡易な構成のスイッチング回路を実現することができる。
【0038】
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変型して実施することができる。
【0039】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のスイッチング回路によれば、スイッチング素子に与えるパルス信号を積分器によって積分して電圧信号に変換した後、この電圧が過電流または短絡状態を示す一定の電圧レベルを超えたとき、スイッチング回路の出力保護を行う。このため、過電流検出の為のシャント抵抗による無駄な電力が消費されない。また、過電流時に生ずる出力電圧の低下により出力電流を補正する補正手段を備えているので、より確実にスイッチング回路の出力過電流保護を行うことができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るスイッチング回路をDC−DCコンバータに適用した場合の概略構成を示すブロック図。
【図2】本発明の一実施形態に係るスイッチング回路の具体的実施例を示す回路図。
【図3】本発明の別の実施形態に係るスイッチング回路の概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
2   スイッチング素子
3   平滑回路
4   電圧検出回路
5   電圧制御発振器
6   共振回路
8   PWM制御回路
10   積分器
11   比較器
12   基準電圧生成回路
13   電圧低下検出回路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching circuit, and more particularly to a switching circuit having an overcurrent protection circuit that does not consume power for detecting an output overcurrent or an output short circuit.
[0002]
[Related background art]
2. Description of the Related Art Recently, a switching circuit that converts input power with low loss by driving a semiconductor element switching element and outputs the converted power has been frequently used. For example, a DC-DC converter is widely applied as a device for converting a DC voltage with high efficiency. This DC-DC converter is basically configured as a so-called DC chopper that converts a DC input voltage by switching with a switching element.
[0003]
The on or off operation of the switching element used in such a DC-DC converter is ideally performed instantaneously, but actually requires some operation time. Therefore, a loss occurs in the switching element at the time of ON or OFF. In order to reduce this loss, a resonance type converter having a switching element provided with a resonance circuit composed of an LC circuit is used.
[0004]
By the way, the output overcurrent protection of this type of switching circuit exclusively detects a voltage drop occurring in a shunt resistor inserted in series between the output of the converter and the load, and this voltage drop is a predetermined constant level voltage. When the value becomes a value, the overcurrent protection circuit stops the operation of the switching circuit by judging that an overcurrent or a short circuit has occurred.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such an overcurrent protection circuit of a switching circuit using a shunt resistor, a current always flows through the resistor. For this reason, in a switching circuit that outputs a large current, there is a problem that the current consumption generated in the shunt resistor increases.
[0006]
For example, in a protection circuit used for a current resonance type DC-DC converter as a switching circuit, a pulse signal output from the switching control circuit is output when the output of the converter is in an overcurrent or short-circuit state. Is limited only to the frequency at the maximum output. For this reason, when the converter outputs an overcurrent or short-circuits, the converter enters a constant power output state and the output voltage decreases, but the output current increases.
[0007]
In particular, in a DC-DC converter that outputs a large amount of power, the power consumption of the shunt resistor becomes extremely large. Therefore, it is necessary to prepare a large shunt resistor that can withstand this power consumption. Furthermore, since a large-sized shunt resistor is used, the entire DC-DC converter becomes large, and heat dissipation of the shunt resistor must be taken into consideration, resulting in a problem that the accommodation space of the DC-DC converter becomes large.
[0008]
The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to eliminate the need for a shunt resistor used to detect the output current of a switching circuit, and to reliably detect output overcurrent or output short-circuit, An object of the present invention is to provide a switching circuit having a simple configuration provided with a protection circuit for protection.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a switching circuit according to the present invention includes a switching element that switches an input voltage,
A switching control circuit that outputs a pulse signal that determines a conduction period of the switching element according to an output voltage of the switching element and controls driving of the switching element;
An integrator for integrating the pulse signal output from the switching control circuit to obtain a voltage signal proportional to the frequency of the pulse signal or the pulse width thereof;
When the output voltage of the integrator is higher than a predetermined reference voltage, a protection circuit for changing the frequency or pulse width of the pulse signal to limit the output current output from the switching element is provided. And
[0010]
That is, the switching pulse signal output from the switching control circuit that drives the switching element is integrated by an integrator and converted into a voltage signal. When the level of this voltage signal is larger than a predetermined reference voltage value, an overcurrent or short-circuit state occurs. And the output current is limited by changing the frequency or pulse width of the switching pulse.
[0011]
Preferably, the switching element is provided with a resonance circuit at an output stage to form a current resonance type switching circuit, and is configured to be so-called PFM-controlled by a pulse signal having a predetermined pulse width whose frequency is controlled. .
Alternatively, the switching element is configured to be so-called PWM controlled by a pulse signal whose pulse width is controlled.
[0012]
More preferably, the protection circuit includes a correction unit that corrects a current limit value according to the input voltage and / or the output voltage.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a switching circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
This embodiment shows a DC-DC converter that outputs a DC voltage by switching a DC input voltage by a semiconductor switching element.
[0014]
This DC-DC converter basically detects an output voltage with a voltage detection circuit so as to have a predetermined output voltage, and keeps the output voltage constant by feeding back the detected output voltage to a switching control circuit. Perform feedback control.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a current resonance type DC-DC converter. This converter is provided with a switching element 2 that switches and outputs a voltage input from a DC power supply 1 such as a battery. The voltage and current output from the switching element 2 are pulsating, and therefore, a smoothing circuit 3 as an output circuit for performing waveform shaping (rectification and smoothing) is provided. The smoothing circuit 3 includes, for example, an inductance, a capacitor, and a diode as described later.
[0015]
An output terminal of the smoothing circuit 3 is provided with a voltage detection circuit 4 for detecting a DC voltage output from the smoothing circuit 3. Then, based on the voltage information detected by the voltage detection circuit 4, a voltage control oscillator (VCO) 5 for adjusting the frequency of the pulse signal given to the switching element 2 to maintain a constant voltage is provided. Take a role.
[0016]
Note that a resonance circuit 6 is provided in parallel between the input and output of the switching element 2 so that a sharp change in output voltage and current does not occur when the switching element 2 is turned on or off, and the resonance frequency of the resonance circuit 6 is used. It is configured to perform soft switching (zero cross operation).
Here, the present invention is characterized in that an integrator 10 for extracting a pulse signal supplied from the voltage controlled oscillator 5 to the switching element 2 and integrating the pulse signal to convert the pulse signal into a voltage signal is provided. Is provided as an input signal of the comparator 11 and the frequency of the pulse signal output from the voltage controlled oscillator 5 is variably controlled using the output signal of the comparator 11.
[0017]
Now, in the DC-DC converter configured as described above, the pulse frequency of the pulse signal of the voltage controlled oscillator 5 is determined by the voltage detection signal of the voltage detection circuit 4 that detects the DC output voltage. That is, when the load current of the DC-DC converter increases and the DC output voltage drops below the rated voltage, the voltage control oscillator 5 increases the frequency of the pulse signal applied to the switching element 2.
[0018]
On the other hand, the voltage-controlled oscillator 5 acts to reduce the frequency of the pulse signal when the load current of the converter decreases and the DC output voltage rises above the rated voltage. That is, when the output current increases and the output voltage of the converter decreases, the frequency of the pulse signal is increased. Conversely, when the output current decreases, the output voltage of the converter increases and the frequency of the pulse signal is decreased. Therefore, the output current of the converter has a characteristic proportional to the frequency of the pulse signal output from voltage-controlled oscillator 5. Note that the pulsating current output of the switching element 2 is smoothed by the smoothing circuit 3 to output a constant voltage DC.
[0019]
Now, basically, when the output of the DC-DC converter performing the DC voltage conversion operation as described above is overcurrent or short-circuited, as described above, the voltage-controlled oscillator increases in proportion to the increase in the output current of the converter. The frequency of the pulse signal output from 5 increases. This pulse signal is integrated by an integrator 10 connected to the output of the voltage controlled oscillator 5 which is a feature of the present invention, and is converted into a voltage signal. Then, this voltage signal is compared by the comparator 11 with the reference voltage output from the reference voltage generation circuit 12 connected to the DC power supply 1.
[0020]
When the comparator 11 determines that the reference voltage output from the reference voltage generating circuit 12 is higher than the voltage output from the integrator 10, the comparator 11 lowers the control voltage applied to the voltage controlled oscillator 5, and the voltage controlled oscillator 5 It acts to lower the frequency of the output pulse signal. That is, when the converter outputs the maximum current, setting the reference voltage to be applied to the comparator 11 so as to be equal to the voltage output by the integrator 10 can protect the converter output from overcurrent or short circuit. That is, when the voltage output from the integrator 10 exceeds the reference voltage given to the comparator 11, it can be determined that the DC-DC converter is in an overcurrent or short-circuit state.
[0021]
Further, when the output of the DC-DC converter is in an overcurrent state or a short-circuit state, the voltage information of the voltage drop detected by the voltage drop detection circuit 13 is given to the comparator 11 in addition to the voltage signal output by the integrator 10, so that The output current can be rapidly reduced, and the output of the converter can be reliably protected.
That is, the voltage signal output from the integrator 10 at the time of output overcurrent or output short-circuit of the converter and the voltage drop signal of the voltage detection circuit 4 are combined, and the level of the voltage signal supplied to the comparator 11 increases. Then, the control voltage applied from the comparator 11 to the voltage controlled oscillator 5 is reduced, so that the switching frequency can be suppressed lower than when only the integrator 10 is used. Therefore, the DC-DC converter can be reliably protected from the output overcurrent or the output short-circuit of the DC-DC converter.
[0022]
The switching circuit according to the present invention will be described in more detail with reference to the circuit diagram of FIG. 2 in which the switching circuit is applied to a DC-DC converter. In this circuit, a DC power supply 1 composed of a battery or the like is connected to a drain of a switching element (MOSFET) 2 via a backflow prevention diode D. The MOSFET 2 is configured to be supplied with a pulse signal output from the voltage-controlled oscillator 5 and output a switched DC from a source. Further, a series resonance circuit 6 composed of L 1 and C 1 that performs current resonance operation is connected to the source of the MOSFET 2. The series resonance circuit 6 has a soft switching function of suppressing a loss at the time of switching.
[0023]
Further, a smoothing circuit 3 is interposed between the series resonance circuit 6 and the load 7 in order to shape the waveform of the DC output switched by the MOSFET 2. The smoothing circuit 3 is composed of an inductance L 2 and capacitor C 2. The diode D F provided in the smoothing circuit 3, a freewheeling diode that forms a path for flowing the energy stored in the inductance L 2 when the off-switching element 2 to load 7.
[0024]
The output of the smoothing circuit 3 is connected to a load 7 and a voltage detection circuit 4 for detecting the output voltage of the converter. The voltage detection circuit 4 is configured by, for example, a circuit obtained by resistance division. The voltage detection signal detected by the voltage detection circuit 4 is connected to the error amplifier 14. This voltage detection signal is used for frequency control of a pulse signal output from the voltage controlled oscillator 5, and is controlled so that the output voltage of the converter becomes a constant rated voltage.
[0025]
And the output voltage of the converter, the voltage drop detecting circuit 13 for outputting a voltage reduction signal is provided when below the allowable voltage E 1 a predetermined. The allowable voltage E 1 is set as the allowable limit value of the output voltage drops when converter output over-current or short circuit.
On the other hand, the pulse signal of the voltage controlled oscillator 5 is integrated by an integrator 10 including a resistor R 3 , a capacitor C 3 and a buffer amplifier A 1 . With this integrator 10, a voltage signal proportional to the frequency of the pulse signal output from the voltage controlled oscillator 5 can be obtained. This voltage signal is combined with the voltage drop signal voltage drop detection circuit 13 is compared by a comparator 11 which forms the inverting amplifier A 2. The oscillation frequency of the pulse signal of the voltage controlled oscillator 5 is determined by the output voltage of the comparator 11.
[0026]
In the DC-DC converter configured as described above, when the output current increases, the output voltage of the converter decreases. This voltage drop is detected by the voltage detection circuit 4 including the voltage dividing resistors R 1 and R 2 , and lowers the voltage of the negative input of the error amplifier 14. For this reason, the output voltage of the error amplifier 14 rises, and acts to increase the frequency of the pulse signal of the voltage controlled oscillator 5. Then, the on-time of the MOSFET 2 becomes longer, and the output voltage rises. Conversely, when the output voltage of the converter increases, the voltage of the negative input of the error amplifier 14 increases. For this reason, the output voltage of the error amplifier 14 decreases, and the frequency of the pulse signal of the voltage controlled oscillator 5 decreases. Thus, the output voltage of the converter can be kept constant.
[0027]
Basically, when the output current of the DC-DC converter operating as described above increases, the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator 5 is increased to maintain the output voltage. Then, when the output current increases and enters an overcurrent state, the output voltage of the integrator 10 increases, and the output voltage of the comparator 11 decreases. Then, since the voltage of the plus side input of the error amplifier 14 decreases, the output voltage of the error amplifier 14 decreases. For this reason, the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator 5 is reduced, the conduction period of the MOSFET 2 is shortened, and the output current of the converter is suppressed.
[0028]
Further, a voltage drop on the converter output side which occurs when the output of the converter is overcurrent or the output is short-circuited is detected by the voltage drop detection circuit 13. The voltage drop detection circuit 13 is configured to output a voltage drop signal when the output overcurrent of the converter or the voltage drop when the output is short-circuited becomes lower than a certain level (allowable voltage E 1 ). Then, this voltage drop signal is combined with the output of the integrator 10 described above, and given to the comparator 11. For this reason, in addition to suppressing the oscillation frequency of the voltage-controlled oscillator 5 by the integrator 10 at the time of output overcurrent or output short-circuit of the converter, the voltage drop signal detected by the voltage drop detection circuit 13 is synthesized and given to the comparator 11. Thereby, the frequency of the voltage controlled oscillator 5 can be further reduced. Therefore, the current limit of the converter can be given a drooping characteristic, so that the output current of the converter can be reliably narrowed down.
[0029]
As described above, conventionally, a shunt resistor inserted between the output of the converter and the load for detecting an overcurrent or a short circuit was required. However, according to the DC-DC converter of the present invention, the switching element 2 The frequency of the pulse signal is converted into a voltage signal by the integrator 10, and based on the voltage signal, overcurrent or short circuit of the output of the DC-DC converter is detected and protected. For this reason, a shunt resistor is not required, and unnecessary power consumption generated by the shunt resistor can be reduced.
[0030]
Furthermore, in order to more reliably protect the DC-DC converter from output overcurrent or output short-circuit, the voltage drop detection circuit 13 detects and corrects the output voltage drop that occurs at the time of output overcurrent or output short-circuit of the converter. Becomes possible.
Further, a reference voltage generation circuit 12 is provided to correct the fluctuation of the DC input voltage, and outputs a reference voltage signal inversely proportional to the input voltage. The reference voltage signal is supplied to the comparator 11, and acts to lower the threshold for lowering the frequency of the voltage controlled oscillator 5 when the input voltage is high, and to increase the threshold when the input voltage is low. Therefore, it is suitable as a switching circuit applied to, for example, a vehicle battery circuit in which the voltage fluctuation of the DC power supply is large.
[0031]
In the above-described embodiment, the DC-DC converter using the voltage-controlled oscillator 5 as the switching control circuit of the switching element 2 is used. However, the present invention can be similarly applied to the PWM DC-DC converter shown in FIG. it can.
The switching circuit of this other embodiment is configured, for example, as a DC-DC converter including a PWM (pulse width modulation) control circuit 8 that generates a pulse signal that determines a conduction period of the switching element 2.
[0032]
The output voltage of the DC-DC converter configured as described above is detected by the voltage detection circuit 4 provided on the DC output side in order to maintain the output voltage constant. From the detected voltage detection signal, the signal width of the pulse signal output from the PWM control circuit 8 to the switching element 2 is determined.
That is, if the load current of the DC-DC converter increases and the DC output voltage drops below the reference output voltage, the pulse width of the pulse signal of the voltage controlled oscillator 5 with respect to the switching element 2 is extended. On the other hand, if the load current of the converter decreases and the DC output voltage rises above the reference voltage, it acts to shorten the pulse width of the pulse signal. As described above, by controlling the time of the pulse width output from the PWM control circuit 8, the conduction period of the switching element 2 is controlled to keep the output voltage of the converter constant.
[0033]
Basically, when the output of the DC-DC converter of the PWM system that performs the DC voltage conversion operation as described above becomes overcurrent or short-circuited, as described above, the PWM control circuit 8 is increased in proportion to the increase of the output current of the converter. Increases the pulse width time of the pulse signal output by This pulse signal is integrated by an integrator 10 connected to the output of the PWM control circuit 8 and converted into a voltage signal. Then, a voltage signal proportional to the width of the ON time of the pulse signal is obtained on the output side of the integrator 10. Then, this voltage signal is compared by the comparator 11 with the reference voltage output from the reference voltage generation circuit 12 connected to the DC power supply 1.
[0034]
When the comparator 11 determines that the voltage output from the integrator 10 is higher than the reference voltage output from the reference voltage generating circuit 12, the comparator 11 reduces the control voltage applied to the PWM control circuit 8, and the PWM control circuit 8 Command to shorten the pulse width of the given pulse signal.
Therefore, also in the DC-DC converter using the PWM control circuit 8, it is possible to detect overcurrent or short-circuit of the output of the DC-DC converter as in the above-described embodiment. In this case, the reference voltage applied to the comparator 11 may be set to be equal to the voltage output from the integrator 10 when the converter outputs the maximum current.
[0035]
Of course, in the case of the output overcurrent or the output short-circuit state of the DC-DC converter as in the above-described embodiment, the integrator 10 outputs the voltage information detected by the voltage detection circuit 4 so that the output current can be narrowed more rapidly. The correction may be made in consideration of the voltage signal to be applied. As described above, also in the DC-DC converter of the PWM system, the on-time of the pulse signal given to the switching element 2 is converted into a voltage signal by the integrator 10, and based on this voltage signal, the output of the DC-DC converter becomes excessive. Current or short circuit protection eliminates the need for a shunt resistor.
[0036]
Further, the output voltage drop caused by the output overcurrent or output short-circuit of the converter is detected by the voltage drop detection circuit 13 and corrected by combining with the output signal of the integrator 10. Furthermore, it is possible to more reliably protect the DC-DC converter from output overcurrent or output short circuit.
More preferably, it is desirable to use information from a temperature sensor (not shown) installed around the switching element 2 to protect the switching element by lowering the switching frequency when the temperature rises. In this case, in addition to protection against output overcurrent and short circuit of the converter, it is possible to appropriately protect the switching circuit even during normal operation from a rise in the temperature of the switching element 2 and a rise in the ambient temperature of the installation location of the converter. It becomes possible.
[0037]
The present invention can be applied to a switching circuit that performs PWM control or PFM control in addition to the DC-DC converter described above. In this case, a shunt resistor for detecting the output current is not required, and a switching circuit having a simple configuration including a protection circuit that reliably detects and protects an overcurrent or short-circuit state can be realized.
[0038]
In addition, the present invention can be implemented with various modifications without departing from the gist thereof.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the switching circuit of the present invention, after a pulse signal given to a switching element is integrated by an integrator and converted into a voltage signal, this voltage changes to a constant voltage level indicating an overcurrent or short circuit state. When it exceeds, the output of the switching circuit is protected. For this reason, useless power due to the shunt resistor for overcurrent detection is not consumed. In addition, since there is provided a correction means for correcting the output current due to a decrease in the output voltage generated at the time of an overcurrent, a great effect in practical use can be achieved such that the output overcurrent of the switching circuit can be more reliably protected. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration when a switching circuit according to an embodiment of the present invention is applied to a DC-DC converter.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific example of a switching circuit according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a switching circuit according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
2 Switching element 3 Smoothing circuit 4 Voltage detection circuit 5 Voltage controlled oscillator 6 Resonant circuit 8 PWM control circuit 10 Integrator 11 Comparator 12 Reference voltage generation circuit 13 Voltage drop detection circuit

Claims (4)

入力電圧をスイッチングするスイッチング素子と、
このスイッチング素子の出力電圧に応じて上記スイッチング素子の導通期間を決定するパルス信号を出力して該スイッチング素子の駆動を制御するスイッチング制御回路と、
このスイッチング制御回路から出力される上記パルス信号を積分して該パルス信号の周波数またはそのパルス幅に比例した電圧信号を求める積分器と、
この積分器の出力電圧が予め定められた基準電圧より大きいとき、前記パルス信号の周波数またはパルス幅を変化させて前記スイッチング素子から出力される出力電流を制限する保護回路と
を具備したことを特徴とするスイッチング回路。
A switching element for switching an input voltage;
A switching control circuit that outputs a pulse signal that determines a conduction period of the switching element according to an output voltage of the switching element and controls driving of the switching element;
An integrator that integrates the pulse signal output from the switching control circuit to obtain a voltage signal proportional to the frequency of the pulse signal or its pulse width;
When the output voltage of the integrator is higher than a predetermined reference voltage, a protection circuit is provided that limits the output current output from the switching element by changing the frequency or pulse width of the pulse signal. And a switching circuit.
前記スイッチング素子は、その出力段に共振回路を備えて電流共振型スイッチング回路を形成してなり、周波数制御される所定パルス幅のパルス信号によりスイッチング制御されるものである請求項1に記載のスイッチング回路。2. The switching device according to claim 1, wherein the switching element includes a resonance circuit at an output stage thereof to form a current resonance switching circuit, and the switching is controlled by a pulse signal having a predetermined pulse width whose frequency is controlled. 3. circuit. 前記スイッチング素子は、パルス幅制御されたパルス信号によりスイッチング制御されるものである請求項1に記載のスイッチング回路。The switching circuit according to claim 1, wherein the switching element is switching-controlled by a pulse signal having a pulse width controlled. 前記保護回路は、前記入力電圧および/または出力電圧に応じて電流制限値を補正する補正手段を備えたものである請求項1〜3のいずれかに記載のスイッチング回路。4. The switching circuit according to claim 1, wherein the protection circuit includes a correction unit configured to correct a current limit value according to the input voltage and / or the output voltage. 5.
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