JP2005130661A - 過電流制御装置 - Google Patents
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Abstract
スイッチング素子にダメージを与えることのない過電流制御装置を提供する。
【解決手段】スイッチング周波数を変化するスイッチング電源装置の過電流制御装置にお
いて、過電流の検知手段を、トランスT1の2次側にてトランスの2次巻き線L2と平滑
コンデンサC1の間に配置し、過電流検知素子R1にて、検知された過電流検出時から定
常状態の定電圧動作への復帰時間を少なくともスイッチング周波数の1周期期間以上とす
る。
【選択図】図1
Description
イッチング電源の出力電流制御回路に好適に利用できるものである。
などの事態が発生しても、スイッチング電源が破壊しないように出力電流をある一定値以
上流れないように電流制御回路を使用することが一般的である。
ク電流が流れるものがある。一般的に数十マイクロ秒から数百マイクロ秒周期でスイッチ
ングする素子に対して、このピーク電流は数mSから数十mSすなわち数十から数千パル
スに及ぶ場合がある。
ジスタ、トランス、整流ダイオード等のスイッチング素子に流れると、そのピーク電流を
定常的な連続負荷として供給できるような規模の大きな電源が必要となるため、平均電流
より多い瞬時ピーク電流は整流コンデンサに蓄積された電荷で負荷電流を供給し、スイッ
チング素子には流れないようにすることが多い。
ンサの容量は大きいものが必要となるため、整流コンデンサに電荷の蓄積がない起動時に
はスイッチング素子から見ると負荷短絡と同様の状態が継続するため、ますます電流制御
回路が重要となってくる。
入力電圧が変動すると検知電流が変化するため、安定な電流制御を行うことが出来ない。
この場合には出力負荷に直列に電流検知手段を設けざるを得ないが、平均電流より多い瞬
時ピーク電流は許容して流すことができ、平均電流よりも多く電流が連続的に流れる場合
もスイッチング素子に規定電流以上の電流が流れないように電流制御を行う必要がある。
電流以下平均電流以上の電流で動作する電流制御回路とを合わせ持ち、後者の電流制御回
路にはタイマーを設けることにより、連続的な平均電流近傍の過電流に対しても対応して
いる。(例えば、特許文献1参照。)
スイッチング電源回路で、電圧検出手段をチョークコイルの抵抗成分による電圧効果に
より電流量を検出して過電流保護を行うことが記載されている。(特許文献2)
の2つ必要なだけでなく、前述のように平均電流と瞬時電流の差が大きな場合には電源内
部の整流コンデンサの容量の大きいものが必要なため、電源起動時には負荷短絡と同様の
事態となり、スイッチング素子が破壊に至る可能性がある。さらにこの問題を解決するた
めには第3の電流制御回路が必要であるという課題を有していた。
しないと負荷短絡時のスイッチング素子破壊を招くため、高速動作可能な誤差増幅器を選
択する必要があるため、非常に高価なものになるという課題を有していた。
瞬時電流が流れる負荷電流を有するスイッチング電源においてスイッチング素子にストレ
スのない過電流制御装置を提供することを目的とする。
することにより矩形波が印加されるトランスと、そのトランスの2次側出力を直流電圧に
整流するための整流ダイオードと平滑コンデンサを有し、負荷電流を検出して、直流負荷
電圧を定電圧化するためにスイッチング周波数を変化するスイッチング電源装置の過電流
制御装置において、
過電流の検知手段を、前記トランスの2次側にてトランスと前記平滑コンデンサの間に
備えたことを特徴としたものである。
更に、本発明の過電流制御装置は、前記電流検知手段からの電位変位を抵抗を介して、
温度補償されたエミッタ電位を有するNPNトランジスタのエミッタ電極に接続し、前記
NPNトランジスタの基準正電位に抵抗を介してプルアップされるコレクタをPNPトラ
ンジスタのベース電極に接続し、前記PNPトランジスタのコレクタ電極は、アース電位
に接続され、エミッタ電極は抵抗とコンデンサの直列接続されてアース電位に接続される
とともに、前記PNPトランジスタのエミッタ電位変化に基づいて前記スイッチング電源
装置の出力スイッチングトランジスタを制御することを特徴としたものである。
も、1つの電流保護装置で、スイッチング素子にダメージを与えることのないスイッチン
グ電源を提供することができる。
線L1とそれにつながるスイッチングトランジスタQ1のコレクタとからなる。スイッチ
ングトランジスタQ1のエミッタは直流電源B1の負極に接続される。スイッチングトラ
ンジスタQ1のベースは、帰還回路U1により周波数もしくはパルス幅を制御した矩形波
が入力される。
線比に応じた矩形波が発生する。二次巻き線L2の一端にはダイオードD1のアノードが
接続され、カソードには平滑コンデンサC1の正極と負荷につながる。コンデンサC1の
負極は電流検出抵抗R1を介してスイッチングトランスT1の他端につながると同時に負
荷の接地電位につながる。
ンサC1の間に配置するが、ダイオードD1のアノード電極と2次巻き線L2との間、ダ
イオードD1のカソード電極とコンデンサC1の間の配置しても同じである。
る。例えば、図5の場合において2次巻き線L2とコンデンサC1の間に電流検出素子R
1を配置する。
負荷の平均電流はIav、電解コンデンサC2の両端電圧をVc、検出抵抗R1に流れる
電流をIr1、電流制御閾値電流をIthとして説明する。
チング電源の供給電力は負荷電流に等しい電流が供給される電力となり、すなわち、図3
での二次側での電力の供給は、aの電流の流れのループが支配的な動作となる。
ングトランスT1からの電流は制限され、電源からの供給電流よりも負荷電流のほうが大
きくなるので、整流コンデンサC1に充電された電荷を放電して負荷電流を補おうとする。
図3ではbの電流の流れのループが支配的となる。そのために平滑コンデンサC1の電圧
Vcは、降下し始める。このときの降下電圧は、平滑コンデンサ電圧をVc、負荷電流を
IL、印加時間をt、平滑コンデンサ容量をCとすると
Vc=IL×t/C
であらわされるので、所定の電圧範囲に平滑コンデンサ電圧Vcを維持するためには、上
記式より導かれる平滑コンデンサの容量が必要となる。
の充電を続ける。図3ではcの電流の流れのループが支配的となる。このようにして、電
源は平均電流から大きくかけ離れた電力を供給することなく、瞬時的な電流に対応するこ
とができる。
流の変化を積分化した電流が流れる。このことにより、平均電流値を基準にした電源設計
が可能となり、瞬時ピーク電流を無視した小型の電源設計が可能となる。
0のエミッタとコンデンサC100につながる。C100の他端は接地電位となる。トラ
ンジスタQ100のベースはPNPトランジスタQ101のエミッタと抵抗R101につ
ながり、R101の他端は正電位の基準電圧B100につながる。トランジスタQ101
のコレクタは負電位の基準電圧B101につながり、ベースは基準電圧B101を抵抗R
102、R103で接地電位との間で分圧された電圧につながり、接地電位との間に電圧
安定化のためのコンデンサC101が接続される。
4を介して接続されるとともにトランジスタQ300を介して帰還回路U1へつながる。
たベース電位からトランジスタQ101のエミッタ−ベース間電圧分高い電位の基準電位
となるとなる定電圧特性を示す。一方トランジスタQ100のベースはこれと同電位であ
り、エミッタはこれよりエミッタ−ベース間電位だけ低い電位となる。
電位は、接地電位に比べて負荷電流ILに応じた電位降下が発生する。この検出抵抗R1
には整流ダイオードD1等のスイッチングノイズや負荷からの高周波のスイッチングノイ
ズが存在するので、抵抗R100とコンデンサC100で低域通過フィルタを構成し、ト
ランジスタQ100のエミッタに接続されている。
て、その検出抵抗R1による降下電位がトランジスタQ100のベース電位以上になると、
トランジスタQ100のコレクタ電流が流れ始める。そして第一のプルアップ抵抗R10
4でプルアップされているので、トランジスタQ100は定電流回路として動作し、コレ
クタ電位は降下しトランジスタQ300が導通し初め、帰還回路U1に出力電力を抑制す
るように作用し、電流制御回路として動作する。即ち、帰還回路U1はスイッチングトラ
ンジスタQ1の出力電流を制限して電流制御回路動作を行うものである。
ンジスタとNPNトランジスタの接続のため、打ち消されて温度変化に対して非常に安定
した特性を持つこととなる。
300が直列に接続されており、負荷電流ILが閾値Ithを超えると、トランジスタQ
300がオンしR300とC300の時定数で帰還回路U1に作用し、スイッチング周波
数を高くすることで、スイッチングトランジスタQ1からの供給電力を抑制する。検出抵
抗R1に流れる電流Ir1がIth以下となると、トランジスタQ300がオフしても、
抵抗R300とコンデンサC300とR301の時定数でコンデンサC300が充電され
るまで、電流制御作用が帰還回路U1に対して影響が継続することで、電流制御状態から
の復帰を緩やかに行い、制御回路の動作を安定させることができる。
電流波形が電流検知抵抗R1に流れる。すなわち検知電流は時間とともにそのスイッチン
グ周期の間はR1に流れる電流は増加し続ける。そのため一旦検知電流が閾値Ithを超
えると、その時点で電流制御動作を行っても問題は発生しないが、図1の回路図のトラン
スT1の1次巻き線L1とスイッチングトランジスタQ1の間に共振コンデンサC3が挿
入される図5に示すような電流共振型コンバータの場合には、R300、C300が無い
と、図6に示す電流Ir1が電流検出抵抗R1に流れる。
答はスイッチング周期よりも早い必要があるので、図6に破線で示す閾値Ithを超える
電流Ir1が流れると、トランジスタQ300のエミッタ電圧Veは、図6下図に示す様
に直ちに下降する。それにより帰還回路に作用し、スイッチング周波数を高め、出力電流
は抑制されることとなる。そのことにより1パルス周期期間にIth以上となった後再び
Ith以下となるため、1パルス周期の期間の時間内で電流制御が行われた後電流制御を
行わないという動作となる。本図において、Vesより低下すると電流制御が働くことに
なる。この動作は、スイッチング周波数を変調することにより出力電力制御を行う回路に
おいてはスイッチング周波数が安定しないために、極めて不安定な動作となる。
への移行は短い時定数で早く行い、電流制御動作からは1パルス周期期間以上の時間の時
定数を持って復帰する。即ち、復帰に対しては、抵抗R300とコンデンサC300の時
定数を持たせて緩やかに電流制御動作から定常状態の制御である定電圧動作への移行を行
うものである。
と、スイッチング周波数が高くなり過電流を抑制する電流制御モードになるが、この電流
制御モードから、緩やかに定常状態である定電圧制御モードに移行していく。このように、
電流制御動作を持続し、かつ動作後も緩やかに周波数変調動作を行うため動作の安定性を
もたらすことができる。
なりというスイッチング周波数の不安定動作をなくすことができる。本発明においては、
過電流を検出すると、一旦スイッチング周波数が高くなるが、その後は、所定の時定数を
有して、電流制御状態から定常状態の定電圧動作への移行を緩やかにして、緩やかに定常
状態のスイッチング周波数に戻っていくので、スイッチング周波数変調動作が安定になる。
の瞬時電流が流れる負荷に対しても、1つの過電流保護装置で、スイッチング素子にダメ
ージを与えることがなく、負荷電流の瞬時電流が平均電流よりも大きなスイッチング電源
の出力電流制御回路等として有用である。
T1 スイッチングトランス
L1 スイッチングトランスの一次巻き線
L2 スイッチングトランスの二次巻き線
Q1 スイッチングトランジスタ
U1 帰還回路
D1、D2 二次側整流ダイオード
C1 二次側平滑コンデンサ
R1 電流検出抵抗
C3 共振コンデンサ
R100 低域通過フィルタ抵抗
C100 低域通過フィルタコンデンサ
Q100 NPNトランジスタ
Q101 PNPトランジスタ
R101 プルアップ抵抗
B100 正電位の基準電圧
B101 負電位の基準電圧
R102、R103 負電位の基準電圧の分圧抵抗
C101 電圧安定化コンデンサ
R104 第一のプルアップ抵抗
Q300 PNPトランジスタ
R300 電流制御動作の応答用の時定数抵抗
R301 帰還回路への抵抗
C300 電流制御動作の応答用の時定数コンデンサ
IL 負荷電流
Ith 電流制御動作を開始する閾値電流
Iav 負荷の平均電流
Vc 電解コンデンサC2の両端電圧
Ir1 検出抵抗R1に流れる電流
Claims (5)
- トランジスタをスイッチングすることにより矩形波が印加されるトランスと、そのトラ
ンスの2次側出力を直流電圧に整流するための整流ダイオードと平滑コンデンサを有し、
負荷電流を検出して、直流負荷電圧を定電圧化するためにスイッチング周波数を変化する
スイッチング電源装置の過電流制御装置において、
過電流の検知手段を、前記トランスの2次側にてトランスと前記平滑コンデンサの間に
備えたことを特徴とする過電流制御装置。 - 前記トランスの2次側出力波形が矩形波又は正弦波のいずれかであることを特徴とする
請求項1に記載の過電流制御装置。 - 前記過電流検知手段にて、検知された過電流検出時から定常状態の定電圧動作への復帰
時間を少なくとも前記スイッチング周波数の1周期期間以上とすることを特徴とする請求
項1に記載の過電流制御装置。 - 前記電流検知手段からの電位変位を抵抗を介して、温度補償されたエミッタ電位を有す
るNPNトランジスタのエミッタ電極に接続し、前記NPNトランジスタの基準正電位に
抵抗を介してプルアップされるコレクタをPNPトランジスタのベース電極に接続し、前
記PNPトランジスタのコレクタ電極は、アース電位に接続され、エミッタ電極は抵抗と
コンデンサの直列接続されてアース電位に接続されるとともに、前記PNPトランジスタ
のエミッタ電位変化に基づいて前記スイッチング電源装置の出力スイッチングトランジス
タを制御することを特徴とする請求項1に記載の過電流制御装置。 - 前記エミッタ電位変化は、過電流検知手段にて、過電流検出時から定常状態の定電圧動
作への復帰期間を少なくとも前記スイッチング周波数の1周期期間以上とすることを特徴
とする請求項3に記載の過電流制御装置。
Priority Applications (1)
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