JP2005160241A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 いわゆるフの字垂下特性を示す電源装置であって、調整の手間がなく、しかも安定かつ過電流の検出速度の速い電源装置を提供する。
【解決手段】 制御ＩＣ３によって出力が制御される電源装置において、電源出力のローサイドに過電流検出用の検出抵抗８を挿入接続するとともに、電源出力とは別個に生成した基準電圧源９を、直列に接続した２以上の抵抗１２，１４を介して上記検出抵抗８の下流端に接続する。また、コンパレータ１１の反転入力端子に上記電源出力におけるハイサイドを抵抗１３を介して接続する一方、非反転入力端子には検出抵抗８の上流端を接続する。そして、コンパレータ１１の出力信号を電源制御ＩＣ３に帰還させて過電流保護を行う。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電源装置に関し、より詳細には、電源制御回路によって出力が制御される電源装置において、出力電流対出力電圧特性をいわゆるフの字垂下特性とするための技術に関する。

電源制御回路によって出力が制御されるタイプの電源装置においては、一般に、出力の短絡や過負荷などの異常事態から電源内の部品の破壊を防止し、負荷を保護する目的で過電流保護回路が設けられている。

ところで、この種の過電流保護回路における過電流保護の態様としては、シャットダウン方式（動作停止型）と垂下方式（自動復帰垂下型）とがあり、このうち特に、上記垂下方式を採用する過電流保護回路には、電源の出力電流対出力電圧特性（以下、垂下特性という）によって、図２に示すように、（ａ）過電流検出時に出力電流が変化しないで、出力電圧が０まで低下する垂直垂下特性（定電流垂下特性）を示すものと、（ｂ）出力電流の増加に従って出力電圧がゆるやかに低下する「へ」の字垂下特性を示すものと、（ｃ）出力電流の減少に伴って出力電圧が低下する「フ」の字垂下特性を示すものとがあることが知られている。

従来の過電流保護回路の殆どは上記「へ」の字垂下特性を示すものであるが、かかる「へ」の字垂下特性では、電圧の低下の割合にもよるが、電源および負荷に対して十分な保護を与えることができない。そのため、異常時における負荷機器の発煙・発火をも抑えられるように保護を十分なものにしようとすれば、過電流検出時の垂下特性を「フ」の字垂下特性にする必要がある。

このような「フ」の字垂下特性を持つ電源装置として、下記の特許文献１および２に示す回路が知られている。

図３は、特許文献１（特に特許文献１の図７参照）に開示された回路を示している。図３において、２１は電源で、正及び負の入力端子２１ａ，２１ｂと、正及び負の出力端子２１ｃ，２１ｄを備えている。２１ｅは電源１の過電流保護端子（なお、電源２１は過電流保護端子２１ｅに正電圧を加えると出力が低下するように構成されている）、２２はオペアンプ、２３は負荷抵抗、２４は出力の高電位側（ハイサイド）の出力線に挿入接続された出力電流の検出抵抗、２５，２６は正の出力端子２１ｃとアース間に接続された分圧抵抗で、その中点をオペアンプ２２の正入力端子（非反転入力端子）に接続している。オペアンプ２２の負入力端子（反転入力端子）には、負荷抵抗２３の高電位側の電圧Ｖoが入力されている。これは電源２１の正の出力端子電圧よりも、出力電流検出抵抗２４による電圧降下分Ｉo ×Ｒ24だけ低い電圧である。

この回路が動作すると、オペアンプ２２の負入力電圧はＶo となる。一方、オペアンプ２２の正入力電圧は、Ｖo ＋Ｉo ×Ｒ24−Ｒ25×（Ｖo＋Ｉo ×Ｒ24）／（Ｒ25＋Ｒ26）に等しい。したがって、この図３に示す回路において電流垂下が始まるＩo の値は、両式を等しいと置いて、Ｉo＝Ｖo ｛Ｒ25／（Ｒ24×Ｒ26）｝で与えられる。

また、出力電流Ｉo が過電流保護開始値を超えて出力電圧Ｖoが低下すると、過電流保護設定値が見かけ上減少し出力電流は減少する。負荷の抵抗をさらに小さい値にすると、出力電流の減少に伴って出力電圧が垂下する「フ」の字特性になる。

図４は、特許文献２（特に、特許文献２の図５参照）に開示された回路で、スイッチング電源回路とその過電流保護回路を示している。この図４においては、スイッチング電源回路のトランス３１の一次側には、交流１００〔Ｖ〕の電流がパルス制御ＤＣ−ＡＣインバータ３２を介して供給されており、トランス３１の二次側には、インダクタンスを介して、負荷３３、過電流検出抵抗３４が接続されている。そして、可変抵抗３５、抵抗３６、制御回路３７、発光ダイオード３８とよりなる、フの字回路と呼ばれる電源保護回路がこのトランス３１の二次側に挿入され、この発光ダイオード３８と受光素子３９とよりなるアイソレータ４０によりパルス制御ＤＣ−ＡＣインバータ３２を制御している。

そして、この制御回路３７は可変抵抗３５と抵抗３６の中点の電圧Ｖ1がＶ1≦０であるときに、図２の（ｃ）に示すように負荷電流Ｉoがある電流値を越えるとフの字動作を起こすように構成されている。

特開２０００−５０４９３号公報 実公平７−２９７０８号公報

しかしながら、従来の電源装置では以下のような問題があり、その改善が望まれていた。
すなわち、図３に示す過電流保護回路は、オペアンプによって過電流検出を行っているが、オペアンプは、安定動作させるために、ゲイン調整と位相補正の必要がある。この作業は、組み付け状態に応じて変化する周囲の浮遊容量等に合わせるため手間がかかる。また、抵抗やコンデンサ等の付加部品をも必要とするので部品点数の増大を招く。したがって、上記特許文献１のようにオペアンプを使用すると調整コストがかかるという問題があった。

また、図３の過電流保護回路は検出抵抗を出力の高電位側（ハイサイド）に配置しているため、オペアンプにノイズが入力され易く、安定動作させるための調整が困難になる。一方、かかるノイズを除去するためのコンデンサを設けると、過電流の検出速度が遅くなり、過電流に対する保護が不十分になる。

さらに、図３と図４の過電流保護回路は、いずれも、検出抵抗で検出した出力電流と比較する基準電圧を、自己の出力電圧から作り出している。このため、電源立ち上がり時や、出力電圧の急変時に基準電圧が大きく変動し、過電流を誤検出してしまうことがある。

なお、このような誤検出を防止するために、電源電圧が所定量以上変動したときは、遅延回路を設け一定時間だけ検出を遅らせることも考えられるが、その場合は、検出速度が低下し、過電流に対する保護が不十分になるという問題が生じる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、いわゆるフの字垂下特性を示す電源装置において、調整の手間がなく、しかも安定かつ過電流の検出速度の速い電源装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る電源装置は、電源制御回路によって出力を制御される電源装置において、電源出力のローサイドに過電流検出用の検出抵抗を具備し、前記電源出力とは別個に生成した基準電源を、直列に接続した２以上の抵抗を介して前記検出抵抗の下流端に接続し、前記２以上の抵抗の所定接続点を比較器の反転入力端子に接続し、さらにその反転入力端子には前記電源出力におけるハイサイドを抵抗を介して接続し、前記比較器の非反転入力端子には前記検出抵抗の上流端を接続し、前記比較器の出力信号を前記電源制御回路に帰還させる回路構成によって過電流保護を行うことを特徴とする。

本発明の電源装置は、検出抵抗で検出した出力電流を基準電圧と比較するために、コンパレータを用いる。このため、オペアンプを用いた場合に必要であったゲイン調整と位相補正が不要になる。また、オペアンプの付加部品としての抵抗やコンデンサも不要であるので、簡単に調整を済ませることができ安易に過電流のフの字垂下特性を得ることができる。

また、本発明の電源装置は、検出抵抗で検出した出力電流と比較する基準電圧を、自己の出力電圧とは別の電源回路によって生成している。フの字垂下の特性を得るために、この基準電圧に自己の出力電圧を帰還させているが、出力電圧の変動によって影響を受けない部分があるので、電源立ち上がり時や、出力電圧の急変時にも基準電圧が大きく変動することはなく、過電流の誤検出を少なくでき、遅延回路を設ける必要がないので、検出速度の低下がない。

さらに、本発明の電源装置では、検出抵抗の下流端と基準電源とが２以上の抵抗を介して接続されるとともにその中点が比較器の反転入力端子に接続され、さらに、電源出力におけるハイサイドの出力線が抵抗を介して比較器の反転入力端子に接続されているため、これら抵抗の抵抗値を調整することで、任意のフの字垂下特性を容易に得ることができる。つまり、本発明によれば、フの字垂下特性の設計を容易に行うことが可能となる。

以下、本発明に係る電源装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明をスイッチング電源装置に適用した場合を示している。この図１に示すスイッチング電源装置は、スイッチング電源の基本構成として、出力トランス１と、この出力トランス１の一次側巻線１ａに直列に接続されたパワーＭＯＳ−ＦＥＴ等の主制御素子（スイッチング素子）２と、この主制御素子２の制御端子（ゲート端子）に制御信号を与えて上記主制御素子２をオン・オフさせることにより上記出力トランス１の一次側巻線１ａに直流電圧Ｖを通電させる制御ＩＣ（電源制御回路）３と、上記出力トランス１の二次側巻線１ｂに直列に接続された整流ダイオード４と、上記整流ダイオード４によって整流された電源出力を平滑する平滑コンデンサ５とを主要部として備えている。

なお、図において符号６，７で示すのは、上記スイッチング電源の出力端子であり、６はＤＣ出力の＋側端子、７はＤＣ出力の接地側端子を示している。そして、図示しないがこれら出力端子６，７に負荷が接続される。

また、上記制御ＩＣ３は、その内部に発振器を備えた他励式の制御回路であって、本実施形態では、この制御ＩＣ３として、上記制御信号のパルス幅を調整することによって主制御素子２の通電時間を制御するＰＷＭ（パルス幅変調）制御ＩＣが用いられている。そして、この制御ＩＣ３には、上記制御信号を出力する制御出力端子３ａの他に、定電圧制御用の出力電圧帰還入力端子（フィードバック端子）３ｂが設けられており、このフィードバック端子３ｂには、特に図示しないが、スイッチング電源の出力電圧Ｖoが電圧帰還回路を介して入力されている（ＦＢ信号）。

なお、上述したスイッチング電源の基本構成は周知技術に属するものであり、ここではその詳細な説明は省略するが、本発明と関連する上記フィードバック端子３ｂの作用について簡単に説明しておくと、上記制御ＩＣ３は、このフィードバック端子３ｂに与えられるＦＢ信号の電圧レベルに応じて上記制御信号のパルス幅を調整して出力電圧が一定となるように主制御素子２のスイッチング動作を制御するよう構成されている。

そして、このスイッチング電源装置は、過電流保護回路として、上記出力トランス１の二次側（出力側）の出力線に挿入接続され、その出力電流Ｉoを検出する検出抵抗８（Ｒa）と、所定の直流の基準電圧Ｖrefを生成する基準電圧源（基準電源）９と、この基準電圧Ｖrefに上記スイッチング電源回路の出力電圧Ｖoを帰還させる帰還回路１０と、上記検出抵抗８の両端に発生した電圧を、上記出力電圧Ｖoの帰還を受けた上記基準電圧Ｖrefと比較するコンパレータ（比較器）１１とを主要部として備えている。

より詳細には、上記検出抵抗８は、スイッチング電源回路の出力線のうち上記接地側端子７と接続される接地側（電源出力のローサイド）の出力線に挿入接続される。また、上記基準電圧源９は、上記スイッチング電源回路とは独立した別系統の電源回路（たとえばシリーズレギュレータなどの別の電源回路）で構成される。そして、この基準電圧源９の出力端子が抵抗器１２を介して上記コンパレータ１１の−側端子（反転入力端子）に接続されている。

帰還回路１０は、上記基準電圧Ｖrefにスイッチング電源回路の出力電圧Ｖoを帰還させるための回路であり、具体的には、上記スイッチング電源回路の高電位側（電源出力のハイサイド）の出力線から抵抗器１３を介して上記抵抗器１２のコンパレータ１１側に接続されている。

つまり、この抵抗器１３は上述した「フ」の字特性を起こさせる抵抗器であって、この抵抗器１３が基準電圧Ｖrefを取り出す抵抗器１２と接続されることによって基準電圧源9から与えられる基準電圧Ｖrefに出力電圧Ｖoの帰還がかけられ、過電流により出力電圧Ｖoが垂下した時にコンパレータ１１の−側端子に入力される基準電圧Ｖrefがこれに比例して低下するように構成されている。

また、上記検出抵抗８の出力トランス１側（下流端）と上記抵抗器１２，１３の中点との間には抵抗器１４が接続され、この抵抗器１４によって上記検出抵抗８における電圧降下によって発生する負電圧Ｖa（つまり、−Ｒa×Ｉo）が取り出されている。つまり、上記検出抵抗８は、直列に接続した２つの抵抗器１４，１２を介して上記基準電圧源９に接続される。

コンパレータ１１は、上述したように、上記検出抵抗８の両端に発生した電圧Ｖaと、出力電圧Ｖoの帰還を受けた上記基準電圧Ｖrefとを比較するための比較器であって、本実施形態ではこのコンパレータ１１として演算増幅器が用いられている。

具体的には、コンパレータ１１の＋側端子（非反転入力端子）は、上記検出抵抗８の出力端子側（上流端）に接続されることにより接地され、−側端子には、基準電圧源９と、出力電圧Ｖoと、上記抵抗器１４，１３，１２によって決まる電圧が入力されている。そして、上記コンパレータ１１は、上記検出抵抗８の両端電圧Ｖaがこの基準電圧Ｖrefを上回ったときにオンするように構成されている。

一方、上記コンパレータ１１の出力端子には、このコンパレータの出力によってオン・オフ制御されるスイッチングトランジスタ１５が抵抗器１６を介して接続されている。具体的には、このスイッチングトランジスタ１５はＮＰＮ型のトランジスタで構成され、そのベース端子が上記抵抗器１６を介してコンパレータ１１の出力端子に接続される一方、エミッタ端子が接地されるとともに、コレクタ端子が抵抗器１７を介して上記制御ＩＣ３のフィードバック端子３ｂに接続されている。

つまり、本実施形態では、上記コンパレータ１１がオンすると、コンパレータ１１の出力端子から出力される出力信号によって上記スイッチングトランジスタ１５がオンとなり、これにより上記制御ＩＣ３のフィードバック端子３ｂに抵抗器１７を介して過電流検出信号が与えられるように構成されている。

しかして、このように構成されてなるスイッチング電源装置においては、上記抵抗器１２〜１４の抵抗値と、基準電圧Ｖrefの電圧値を適宜設定することによって、スイッチング電源装置が定格出力以下で使用されている場合には、コンパレータ１１がオフとなるように設定される。

そして、出力電流Ｉoが過大になると、正の出力電圧Ｖoおよび正の基準電圧源９によって＋側に持ち上げられているコンパレータ１１の−側端子の電位が低下し、これによりコンパレータ１１がオン動作する。また、これによりスイッチングトランジスタ１５がオンし、上記フィードバック端子３ｂに抵抗器１７を介して過電流検出信号が与えられ、フの字垂下の特性を持つ過電流保護動作が開始される。

そして、この構成例では、基準電圧Ｖrefに出力電圧Ｖo の帰還がかけられているので、過電流により出力電圧Ｖoが垂下すると基準電圧Ｖrefが比例して低下し、これによってフの字垂下特性が得られる。

その際、本発明の過電流保護回路は、上記検出抵抗８が電源出力のローサイドに配置されているため、先に述べた図３の回路のようなノイズの混入を排除でき、安定動作が可能になる。

また、本発明の過電流保護回路は、検出抵抗８の下流端と基準電源９とが２以上の抵抗１２，１４を介して接続されるとともに、その中点がコンパレータ１１の反転入力端子に接続されており、さらに、電源出力におけるハイサイドの出力線が抵抗１３を介して比較器の反転入力端子に接続されているため、特に、抵抗１２，１３の抵抗値を調整することで、任意のフの字垂下特性を得ることができる。

つまり、図１に示す回路構成において、抵抗１３を含む帰還回路１０がなければ垂下特性は図２の（ａ）に示すような垂直垂下特性を示し、また、基準電圧源９から抵抗１２および抵抗１４を介して検出抵抗８の下流端に接続される経路がなければ垂下特性は所定電圧−電流最大点から原点（ゼロ点）に向かって対角直線上に垂下する特性となるが、本発明では、図１に示す回路構成を採用するので、上記抵抗１２，１３の抵抗値を調整することで、これらの中間的な垂下特性を得ることができる。

なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、本発明をスイッチング電源装置に適用した場合を示したが、本発明はスイッチング電源装置に限らず、電源制御回路によって出力が制御されるタイプの電源装置であれば他の態様の電源装置にも適用可能である。

また、上述した実施形態では、上記検出抵抗８に２つの抵抗器１４，１２が直列に接続された場合を示したが、これらは少なくとも２つということであって２個以上の抵抗器を直列に接続することも可能である。

本発明に係る電源装置の一実施形態を示す回路図である。 過電流保護回路に持たせる垂下特性の種類を説明する図であって、図中の（ａ）は定電流垂下特性を示し、図中（ｂ）はへの字垂下特性を示し、図中（ｃ）はフの字垂下特性を示している。 フの字垂下特性を持つ従来の過電流保護回路の一例を示す回路図である。 フの字垂下特性を持つ従来の過電流保護回路の他の一例を示す回路図である。

符号の説明

１ 出力トランス
２ 主制御素子
３ 制御ＩＣ（電源制御回路）
３ａ 制御出力端子
３ｂ 出力電圧帰還入力端子（フィードバック端子）
６，７ 出力端子
８ 検出抵抗
１０ 帰還回路
１１ コンパレータ（比較器）
１２〜１４ 抵抗器
１５ スイッチングトランジスタ
１７ 抵抗器
Ｖref 基準電圧
Ｖo 出力電圧

Claims (1)

1. 電源制御回路によって出力を制御される電源装置において、電源出力のローサイドに過電流検出用の検出抵抗を具備し、前記電源出力とは別個に生成した基準電源を、直列に接続した２以上の抵抗を介して前記検出抵抗の下流端に接続し、前記２以上の抵抗の所定接続点を比較器の反転入力端子に接続し、さらにその反転入力端子には前記電源出力におけるハイサイドを抵抗を介して接続し、前記比較器の非反転入力端子には前記検出抵抗の上流端を接続し、前記比較器の出力信号を前記電源制御回路に帰還させる回路構成によって過電流保護を行うことを特徴とする電源装置。

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