JP2005295622A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＡＣ入力に過電圧が入力されたとき、回路が発熱・破損せず安全に回路動作を停止することができるスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】 ＡＣ入力をブリッジ整流ダイオード３と平滑コンデンサ４により整流・平滑し、平滑コンデンサ４の両端電圧を減圧手段１６により減圧した電圧を検出電圧とし、一方に基準電圧１８が入力されている電圧比較手段１７に検出電圧を入力することにより、検出電圧が基準電圧１８を越えた場合、電圧比較手段１７の出力がスイッチング素子９のオンオフを制御するスイッチング制御手段１０にスイッチングを停止する信号を出力することでスイッチング電源装置の動作を停止する。これによりＡＣ入力に過電圧が入力された場合、安全に回路動作が停止し、部品の発熱・破損を防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、特にＡＣ入力の過電圧からスイッチング回路を保護するものである。

商用電源から安定化された直流電圧を得るスイッチング電源では、異常事態が生じたとき、電源本体や負荷を保護するために、一次側の電流経路にヒューズが設けられている。特にＡＣ入力がＡＣ１００Ｖで設計されたスイッチング電源をＡＣ２００Ｖ系の欧州などで使用すると部品が発熱し、スイッチング電源の破損、さらには発煙発火の恐れがあり不安全になってしまう。従って、仕様書に記載されている電圧以上の電圧が一次側に印加されたときには、ヒューズを溶断させるなどして安全性を確保している。しかし、ヒューズが溶断してしまうと交換が容易にできない。また、負荷の状態等によっては、ヒューズの溶断が遅れたり、ヒューズが溶断しない事態が生じることがある。このような場合、一次側直流源の部品の発熱破損を招く恐れがある。このような事態を防止するため、ＡＣ入力を整流・平滑することによって得られる一次側直流源とスイッチング制御手段との間にツェナーダイオードを接続し、一次側直流源がツェナー電圧を越えたときには、スイッチング素子の動作を停止するという技術が提案されている。この技術では、ツェナー電圧を一次側電源電圧の電圧許容範囲の上限値としている（例えば、特許文献１参照）。また、ＡＣ入力をブリッジ整流ダイオードと平滑コンデンサにより整流・平滑された電圧を抵抗によって電流に変換し、基準電流と比較し、基準電流より大きければスイッチング動作を停止させる入力過電圧保護機能を持ったスイッチング制御ＩＣが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−１８９６０６号公報 米国特許第６，６４３，１５３号明細書

しかしながら上記従来技術を用いた場合、ツェナーダイオードのツェナー電圧は、ＡＣ入力の電圧許容範囲の上限値に等しい値とする必要がある。このため、ＡＣ入力を整流・平滑することによって一次側直流源を得る構成の場合では、ツェナー電圧が極めて高い素子（例えば、１８０Ｖ等）を用いる必要がある。ツェナー電圧の高いツェナーダイオードは入手性が困難で価格も高価となり、その結果、部品原価の上昇を招くことになる。またツェナー電圧は、周囲温度に影響を受けやすく入力過電圧保護機能を動作させる電圧が安定しない。また電流検出の場合、ＩＣの製作工程上、検出された電流を比較するための基準電流源のバラツキが大きくなってしまう。そのためバラツキを抑えるための回路が必要になり、ＩＣのサイズアップやコストアップの原因となってしまう。

本発明は、上記問題を解決するものであり、ＡＣ入力をブリッジ整流ダイオードと平滑コンデンサにより整流・平滑し、平滑コンデンサの両端電圧を減圧した電圧を検出電圧とし、一方の端子に基準電圧が入力されている電圧比較手段に検出電圧を入力することにより検出電圧が基準電圧を越えた場合、すなわち平滑コンデンサの両端電圧が設定値を越えた場合、電圧比較手段の出力がスイッチング素子のオンオフを制御するスイッチング制御手段にスイッチングを停止する信号を出力することでスイッチング電源装置の動作を停止する。さらにこの方法を電圧検出により行うことで電流検出より少ない部品数で精度の高い入力過電圧保護を行うことができる。

本発明のスイッチング電源装置は、ＡＣ入力の過電圧による部品の発熱破損、ヒューズの溶断を防止するものである。

図１に本発明の実施例によるスイッチング電源装置の構成を示す。図において、１はＡＣ入力、２は電流ヒューズ、３はブリッジ整流ダイオード、４は平滑コンデンサである。５はスイッチングトランスで一次巻線６には一方に平滑コンデンサ４の正極が、他方にスイッチング素子９が接続されている。１０はスイッチングトランス５の補助巻線８に接続され、スイッチング素子をオンオフするスイッチング制御手段である。１１、１２はスイッチングトランス５の二次巻線７に接続されスイッチングトランス５の出力を整流・平滑するためのダイオードとコンデンサ、１４は出力端子に接続される出力負荷、１３は出力電圧を検出するための出力電圧検出手段、１５は出力電圧検出手段１３の値に応じた制御信号を一次側のスイッチング制御手段１０に入力する絶縁信号伝達手段である。

１６は平滑コンデンサ４の正極に接続され、平滑コンデンサ４の電圧を減圧する手段である。１７は電圧比較手段であり、入力に減圧手段１６の出力電圧と基準電圧１８が接続され、その出力はスイッチング制御手段１０に接続されている。本発明を実施するには、電圧比較手段１７を動作させるための電源電圧や基準電圧１８を一次側回路から得る必要がある。それには定電圧源が必要となり、部品を追加しなければない。そこで本実施例では、電圧比較手段１７と基準電圧１８の機能をスイッチング制御手段１０に組み込んだスイッチング制御ＩＣとすることで部品の追加を抑えている。

本発明は、上記のように構成されており、ＡＣ入力に過電圧が印加されると平滑コンデンサ４の電圧が上昇し、平滑コンデンサ４の電圧を入力とする減圧手段１６の出力も上昇する。減圧手段１６の出力電圧と基準電圧１８を比較し、減圧手段１６の出力電圧が基準電圧１８よりも大きくなると、電圧比較手段１７はスイッチング制御手段１０にスイッチングを停止する信号を出力し、スイッチング素子９の動作を停止する。これにより、ＡＣ入力が過電圧となったときスイッチング電源装置の動作は停止し、部品の発熱・破損、ヒューズの溶断を防止することができる。

本発明の実施例の回路（図１）と従来例の回路（図２）での過電圧が入力されたときの動作比較を以下の条件で行った。

［条件］
（１）試験は携帯電話用ＡＣアダプタを用いる。

（２）図１、図２のスイッチング電源回路にＡＣ１００Ｖを印加し、正常に動作させた後、ＡＣ入力を徐々に２４０Ｖまで上げていく。

（３）スイッチング電源回路が動作中、最も発熱する部品はスイッチング素子９とする。

（４）スイッチング素子９の最大定格電圧Ｖｄｓｍａｘ＝４５０Ｖ、最大動作温度１５０℃とする。

ＡＣ入力を上げていったときにスイッチング素子９にかかる電圧Ｖｄｓが最大定格電圧Ｖｄｓｍａｘよりも大きくなるときの平滑コンデンサ４の電圧をＶ０とする。従来例では、図４に示す通り、ＡＣ入力を徐々に上げていき平滑コンデンサ４の電圧がＶ０を超える
と、スイッチング素子９にかかる電圧ＶｄｓはＶｄｓｍａｘより大きくなり、破損する可能性がある。このときスイッチング素子９は１４０℃まで上昇しており最大動作温度に対して余裕がなく破損の可能性が高くなる。

しかし、本発明では、入力過電圧保護機能が動作する平滑コンデンサ４の電圧Ｖｏｖとし、Ｖｏｖ＜Ｖ０となるように減圧手段１６を設定する。図３に示すとおり、スイッチング素子９の最大規格電圧を越える前に、スイッチング動作は停止し、スイッチング素子９にかかる電圧は平滑コンデンサ４と等しくなり、部品の破損を防止できる。さらにこのときスイッチング素子９の温度は８０℃までしか上昇せず、スイッチング素子の最大動作温度に対して余裕があり破損の可能性はない。

入力過電圧保護機能を組み込んだスイッチング制御ＩＣにおいて、入力過電圧保護を電流検出と電圧検出で行った場合の検出精度の比較を行った。入力過電圧保護機能を動作させるＡＣ入力を１７０Ｖと設定する。このとき、入力過電圧保護機能が動作したＡＣ入力の最小値と最大値を示す。

この結果が示すように、過電圧保護電圧は、電圧検出が１７０Ｖ±１７Ｖ（±１０％）であるのに対し、電流検出は１７０Ｖ±６０Ｖ（±３５％）である。電圧検出に比べて電流検出は検出精度が３．５倍となっている。このため、電流検出では精度を上げるための回路の追加が必要になる。

なお、スイッチング素子としてはＦＥＴの他、トランジスタなどを用いることができ、回路の設計仕様により選択することができる。また、一次側スイッチング制御機能を有した制御ＩＣに本発明の機能を持たせることも可能である。さらに、減圧手段１６における減圧を抵抗による分圧で行うと、過電圧の設定値を容易で安価に設計することができる。

本発明は上記のように、ＡＣ入力に設定値以上の値が入力されるとスイッチング素子が発振を停止するため、電源の状態が異常であることが容易に分かる。また、過電圧が入力されてもスイッチング素子やヒューズ等の部品の破損、ケースの発熱がないため、修理する必要がなく、製品の信頼性も失われない。

本発明の実施例によるスイッチング電源装置の基本回路図 従来例によるスイッチング電源装置の基本回路図 図１の回路の電圧・温度−時間特性図 図２の回路の電圧・温度−時間特性図

符号の説明

１ ＡＣ入力
２ 電流ヒューズ
３ ブリッジ整流ダイオード
４ 平滑コンデンサ
５ スイッチングトランス
６ スイッチングトランス５の一次巻線
７ スイッチングトランス５の二次巻線
８ スイッチングトランス５の補助巻線
９ スイッチング素子（ＦＥＴ）
１０ スイッチング制御手段
１１ 二次側出力整流ダイオード
１２ 二次側出力平滑コンデンサ
１３ 出力電圧検出手段
１４ 出力負荷
１５ 絶縁信号伝達手段（フォトカプラ）
１６ 減圧手段
１７ 電圧比較手段
１８ 基準電圧

Claims (3)

1. ＡＣ入力を整流・平滑するブリッジ整流ダイオード及び平滑コンデンサと、二次側の出力を制御するためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオンオフを制御するスイッチング制御手段と、少なくとも一方が平滑コンデンサの正極に接続され他方が前記スイッチング素子と接続されている一次巻線と前記スイッチング制御手段に接続されている補助巻線と二次側に出力する二次巻線を備えたスイッチングトランスとからなるスイッチング電源装置において、前記平滑コンデンサの両端電圧を検出電圧とし、前記検出電圧が設定値を越えた場合、前記スイッチング制御手段にスイッチングを停止する信号を出力する入力過電圧保護機能を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 入力過電圧保護機能は、平滑コンデンサの両端電圧を減圧した検出電圧と基準電圧とを入力電圧として、前記検出電圧が前記基準電圧より大きければスイッチング制御手段にスイッチングを停止する信号を出力する電圧比較手段からなることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. スイッチング制御手段と入力過電圧保護機能とを１つのスイッチング制御ＩＣに組み込んだことを特徴とする請求項１または２いずれかに記載のスイッチング電源装置。

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