JP2006325287A - 過電圧保護機能付き電源装置および過電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 過電圧保護機能を有する電源装置の小型化および／または低コスト化を図る。
【解決手段】 電源装置１は、電力回路１０、入力電圧検出回路２０、制御ＩＣ３０を備える。電力回路１０は、トランジスタＭ１、Ｍ２を備え、制御ＩＣ３０により生成される制御信号に従って負荷２００が要求する電圧を生成する。入力電圧検出回路２０は、入力電圧Ｖinを検出する。制御ＩＣ３０は、通常時は、負荷２００が要求する電圧に応じて電力回路１０の出力を制御する。入力電圧Ｖinが閾値を越えると、制御ＩＣ３０は、入力電圧Ｖinが予め決められているクランプ電圧に一致するようにトランジスタＭ１、Ｍ２を制御する。クランプ電圧は、トランジスタＭ１、Ｍ２、制御ＩＣ３０の耐圧よりも低く設定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、過電圧から回路素子を保護するための過電圧保護機能を有する電源装置および過電圧保護回路に係わる。

過電圧から回路素子を保護するための方策の１つとして、従来より、ツェナーダイオードを利用する構成が知られている。以下、図４を参照しながら、ツェナーダイオードを利用した過電圧保護機能について説明する。なお、図４は、過電圧保護機能を有する電源装置１００を示している。

図４において、入力端子１０１には、バッテリ１０２が接続されている。また、入力端子１０１は、電力線１０３を介してトランスＴの一次側コイルの中点に接続されている。なお、電力線１０３には、入力コンデンサＣ１が接続されている。

トランスＴの一次側コイルには、トランジスタＭ１、Ｍ２が接続されている。トランジスタＭ１、Ｍ２は、制御ＩＣ１０４が生成する１組の制御信号によって制御される。トランスＴの二次側には、トランスＴの出力を整流するためのダイオードＤ１、Ｄ２、および出力電圧を平滑化する出力コンデンサＣ２が設けられている。

上記構成の電源装置１００において、電力線１０３にはツェナーダイオードＺＤが接続されている。この構成により、入力電圧Ｖinは、過電圧状態になると、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧にクランプされる。すなわち、電源装置を構成する回路素子（トランジスタＭ１、Ｍ２、制御ＩＣ１０４、入力コンデンサＣ１等）は、ツェナーダイオードＺＤによって過電圧から保護される。なお、ツェナーダイオードを利用して回路素子を過電圧から保護する構成は、例えば、特許文献１に記載されている。
特開平７−１５４２２４号公報（図１）

図４に示す電源装置１００において、ツェナーダイオードＺＤを用いることなく過電圧保護機能を提供できれば、全体として、回路の小型化および／または低コスト化を図ることができる。

本発明の目的は、過電圧保護機能を有する電源装置の小型化および／または低コスト化を図ること、及びそのための過電圧保護回路を提供することである。

本発明の過電圧保護機能付き電源装置は、電力回路、比較回路、および制御手段を備える。電力回路は、スイッチング素子を利用して電流を制御することによって出力電圧を生成する。比較回路は、上記電力回路の入力電圧と予め決められている閾値とを比較する。制御手段は、上記入力電圧が上記閾値以下であれば、上記電力回路が出力電圧を生成するように上記スイッチング素子を制御し、上記入力電圧が上記閾値を超えると、その入力電圧が予め決められているクランプ電圧またはそれよりも低い電圧に一致するように上記スイッチング素子を制御する。

上記構成の電源装置において、入力電圧が過電圧（例えば、ロードダンプ）が発生すると、電力回路のスイッチング素子を制御することによって、その入力電圧が所定のクランプ電圧またはそれよりも低い電圧にクランプされる。すなわち、過電圧から回路素子を保護するために一般的に使用されているツェナーダイオードを設けることなく、過電圧保護機能が実現される。

本発明の過電圧保護回路は、スイッチング素子を利用して電流を制御することによって出力電圧を制御する電源装置において使用され、入力電圧と予め決められている閾値とを比較する比較回路と、上記入力電圧が上記閾値を超えたときに、その入力電圧が予め決められているクランプ電圧またはそれよりも低い電圧に一致するように上記スイッチング素子を制御する制御手段、を有する。この過電圧保護回路の作用は、上述した通りである。

なお、上記過電圧保護機能付き電源装置または課電圧保護回路において、上記比較回路および上記制御手段は、１つのＩＣの中に形成されるようにしてもよい。この構成によれば、出力電圧を制御するためのＩＣの中に過電圧保護のための回路および手段が形成されるので、部品点数を増やすことなく過電圧保護機能が実現される。

本発明によれば、ツェナーダイオードを設けることなく過電圧保護機能が実現されるので、電源装置の小型化および／または低コスト化を図ることができる。

図１は、本発明に係る過電圧保護機能付き電源装置の構成を示す図である。ここで、図１に示す電源装置１は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、その入力端子１０１にバッテリ１０２が接続されている。また、電源装置１は、電力回路１０、入力電圧検出回路２０、制御ＩＣ３０を備える。

電力回路１０は、入力コンデンサＣ１、トランスＴ、スイッチング素子としてのトランジスタＭ１、Ｍ２、ダイオードＤ１、Ｄ２、出力コンデンサＣ２を含んで構成される。ここで、入力端子１０１は、電力線１０３を介してトランスＴの一次側コイルの中点に接続されている。また、トランスＴの一次側コイルの一方の端部は、トランジスタＭ１のドレインに接続されており、トランスＴの一次側コイルの他方の端部は、トランジスタＭ２のドレインに接続されている。さらに、トランジスタＭ１、Ｍ２のソースは、接地（あるいは、バッテリ１０２の負極に接続）されている。そして、トランジスタＭ１、Ｍ２のゲートには、それぞれ、制御ＩＣ３０が生成する制御信号cont１、cont２が与えられる。

入力電圧検出回路２０は、入力電圧Ｖinを分圧する抵抗Ｒ１、Ｒ２から構成される。そして、入力電圧Ｖinを分圧することにより得られる検出電圧Ｖh は、制御ＩＣ３０のＶＨ端子に与えられる。ここで、入力電圧Ｖinと検出電圧Ｖh との関係は、下記の（１）式により表される。
Ｖin＝Ｖh×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝・・・（１）
制御ＩＣ３０は、後述する比較回路３１および制御回路３３を含んで構成され、制御信号cont１および制御信号cont２を生成する。制御信号cont１および制御信号cont２は、それぞれ、出力端子OUT１および出力端子OUT２を介して出力され、電力回路１０のトランジスタＭ１およびトランジスタＭ２のゲートに与えられる。

上記構成の電源装置１において、通常時（入力電圧Ｖinが予め決められた閾値以下であるとき）は、制御ＩＣ３０は、制御信号cont１、cont２を用いて電力回路１０の出力電圧を所望の値（ここでは、負荷２００が要求する電圧）に保持する。このとき、電力回路１０のトランジスタＭ１、Ｍ２は、制御信号cont１、cont２に従って交互にオン／オフ制御される。これにより、トランスＴの一次側コイルには、制御信号cont１、cont２に対応する電流が流れることになる。そうすると、トランスＴの一次側から二次側に電力が伝達される。そして、トランスＴの出力は、ダイオードＤ１、Ｄ２により整流され、さらに出力コンデンサＣ２により平滑化されて負荷２００に供給される。このように、電源装置１は、トランジスタＭ１、Ｍ２を利用してその入力側の電流を制御することによって出力電圧を生成する。

過電圧発生時（すなわち、入力電圧Ｖinが閾値を越えたとき）は、制御ＩＣ３０は、制御信号cont１、cont２を用いて、入力電圧Ｖinが予め決められているクランプ電圧（またはそれよりも低い電圧）に一致するようにトランジスタＭ１、Ｍ２を制御する。ここで、クランプ電圧は、トランジスタＭ１、Ｍ２、制御ＩＣ３０、入力コンデンサＣ１の耐圧よりも低く設定される。すなわち、過電圧発生時には、入力電圧Ｖinが所定の値にクランプされ、電源装置１を構成する回路素子が保護される。

図２は、制御ＩＣ３０の中に設けられる比較回路３１の実施例である。比較回路３１は、コンパレータ３２を含んで構成されている。コンパレータ３２の正側入力端子には検出電圧Ｖh が与えられ、コンパレータ３２の負側入力端子には参照電圧Ｖ１が与えられる。そして、比較回路３１は、検出電圧Ｖh が参照電圧Ｖ１以下であれば、入力電圧Ｖinが過電圧でないことを表す「Ｌ」を出力し、検出電圧Ｖh が参照電圧Ｖ１を越えると、入力電圧Ｖinが過電圧であることを表す「Ｈ」を出力する。ここで、上述した関係式（１）を考慮すると、入力電圧Ｖinが過電圧であるか否かを判断するための閾値は、「Ｖ１×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝」である。そして、閾値として、トランジスタＭ１、Ｍ２、制御ＩＣ３０、入力コンデンサＣ１の耐圧よりも低い値を設定すれば、過電圧から各回路素子を保護することができる。なお、比較回路３１の出力は、過電圧判定信号comp_OUTとして後述する制御回路３３に与えられる。

図３は、制御ＩＣ３０の中に設けられる制御回路（制御手段）３３の実施例である。なお、図３は、制御信号cont１を生成するための制御回路について説明するが、制御信号cont１を生成するための制御回路および制御信号cont２を生成するための制御回路は、基本的に、互いに同じ構成である。よって、制御信号cont２を生成するための制御回路についての説明は省略する。

制御信号cont３は、例えば、所定の周期のＰＷＭ信号であり、ＯＲゲート３４の一方の入力端子およびＡＮＤゲート３５の一方の入力端子に与えられる。なお、制御信号cont３は、たとえば、電力回路１０の出力電圧に基づいて公知の技術により生成されるものとする。ＯＲゲート３４の他方の入力端子には、過電圧判定信号comp_OUTが与えられる。また、ＡＮＤゲート３５の他方の入力端子には、反転回路３６によって論理が反転させられた過電圧判定信号comp_OUTが与えられる。そして、ＯＲゲート３４およびＡＮＤゲート３５の出力は、それぞれバッファ３７、３８を介してトランジスタＭ３、Ｍ４のゲートに与えられる。

トランジスタＭ３、Ｍ４は、それぞれ、ｐＭＯＳトランジスタおよびｎＭＯＳトランジスタであり、互いに直列的に接続されている。そして、トランジスタＭ３、Ｍ４の接続点は、信号線３９を介して図１に示した出力端子OUT１に接続されている。

アンプ４０は、過電圧判定信号comp_OUTが「Ｈ」であるときに動作し、過電圧判定信号comp_OUTが「Ｌ」であればその動作を停止する。また、アンプ４０の非反転入力端子には、固定的に与えられる電圧Ｖk （例えば、３Ｖ）が与えられ、その反転入力端子には、検出電圧Ｖh が与えられる。そして、アンプ４０は、電圧Ｖk と検出電圧Ｖh との誤差を増幅することにより得られる誤差信号をトランジスタＭ５のゲートに与える。ここで、トランジスタＭ５は、電源Ｖddと信号線３９との間に設けられ、アンプ４０の出力に対応する電流を流す。また、信号線３９は、抵抗Ｒ３を介して接地されている。

上記構成の制御回路３３において、入力電圧Ｖinが上述の閾値以下であれば、過電圧判定信号comp_OUTが「Ｌ」となるので、制御信号cont３は、ＯＲゲート３４およびＡＮＤゲート３５をそれぞれ通過してトランジスタＭ３、Ｍ４のゲートに与えられる。これにより、トランジスタＭ３、Ｍ４は、交互にオン／オフ制御される。また、アンプ４０は動作しないので、トランジスタＭ５を介して電流が流れることはない。したがって、この場合、制御回路３３は、制御信号cont１および制御信号cont２として、それぞれ、制御信号cont３に対応する信号を出力する。この結果、図１に示すトランジスタＭ１、Ｍ２は、電力回路１０が負荷２００の要求する電圧を生成するように制御される。

一方、入力電圧Ｖinが上述の閾値を越えると、過電圧判定信号comp_OUTが「Ｈ」となるので、トランジスタＭ３およびＭ４はいずれもオフ状態になる。これにより、出力端子OUT１および出力端子OUT２は、それぞれハイインピーダンス状態になる。また、過電圧判定信号comp_OUTが「Ｈ」となると、アンプ４０は、電圧Ｖk と検出電圧Ｖh との誤差をゼロにするための誤差信号を生成し、トランジスタＭ５は、その誤差信号に対応する電流Ｉerを生成する。そうすると、抵抗Ｒ３において電流Ｉerに比例する電圧が発生し、その電圧が制御信号cont１、cont２として出力される。

このようにして生成される制御信号cont１、cont２が与えられると、トランジスタＭ１、Ｍ２は、検出電圧Ｖh を電圧Ｖk に一致させるように動作する。ここで、上述した関係式（１）を考慮すると、トランジスタＭ１、Ｍ２は、入力電圧Ｖinを「Ｖk ×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝」に一致させるように動作することになる。即ち、入力電圧Ｖinは、所定のクランプ電圧「Ｖk ×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝」に保持される。ここで、例えば、「Ｖk ＝３ボルト」および「Ｒ１＝Ｒ２」であるものとすると、クランプ電圧は６ボルトになる。

このように、実施形態の電源装置１においては、入力電圧Ｖinが予め決められている閾値を越えると、その入力電圧Ｖinが予め決められているクランプ電圧に一致するようにトランジスタＭ１、Ｍ２が制御される。ここで、クランプ電圧として、トランジスタＭ１、Ｍ２、制御ＩＣ３０、入力コンデンサＣ１の耐圧よりも低い値を設定すれば、過電圧から各回路素子保護を保護することができる。すなわち、実施形態の電源装置１によれば、図４に示すようなツェナーダイオードＺＤを設けることなく、過電圧保護機能を実現することができる。

また、実施形態の電源装置１において、過電圧保護機能は、制御ＩＣ３０の中に設けられる比較回路および制御回路により実現される。すなわち、制御ＩＣ３０の設計を変更するだけで、部品点数を増やすことなく、過電圧保護機能が実現される。よって、図４に示した構成と比較して、ツェナーダイオードＺＤが不要になるので、電源装置の小型化および／または低コスト化を図ることができる。

なお、上述の実施例では、電源装置の一例としてＤＣ／ＤＣコンバータを示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、スイッチング素子を利用して出力を制御する電力回路に適用可能である。

本発明に係る過電圧保護機能付き電源装置の構成を示す図である。 制御ＩＣの中に設けられる比較回路の実施例である。 制御ＩＣの中に設けられる制御回路の実施例である。 ツェナーダイオードを利用した過電圧保護機能を備えた電源装置を示す図である。

符号の説明

１ 電源装置
１０ 電力回路
２０ 入力電圧検出回路
３０ 制御ＩＣ
３１ 比較回路
３３ 制御回路
１０１ 入力端子
１０２ バッテリ
２００ 負荷

Claims (4)

1. スイッチング素子を利用して電流を制御することによって出力電圧を生成する電力回路と、
   上記電力回路の入力電圧と予め決められている閾値とを比較する比較回路と、
   上記入力電圧が上記閾値以下であれば、上記電力回路が出力電圧を生成するように上記スイッチング素子を制御し、上記入力電圧が上記閾値を超えると、その入力電圧が予め決められているクランプ電圧またはそれよりも低い電圧に一致するように上記スイッチング素子を制御する制御手段、
   を有する過電圧保護機能付き電源装置。
2. 上記比較回路および上記制御手段は、１つのＩＣの中に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護機能付き電源装置。
3. スイッチング素子を利用して電流を制御することによって出力電圧を制御する電源装置において使用される過電圧保護回路であって、
   入力電圧と予め決められている閾値とを比較する比較回路と、
   上記入力電圧が上記閾値を超えたときに、その入力電圧が予め決められているクランプ電圧またはそれよりも低い電圧に一致するように上記スイッチング素子を制御する制御手段、
   を有する過電圧保護回路。
4. 上記比較回路および上記制御手段は、１つのＩＣの中に形成される
   ことを特徴とする請求項３に記載の過電圧保護回路。
   
   
   
   

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