JP2007306757A - Switching power circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はスイッチング素子をオン・オフすることでスイッチング・トランスの一次巻線に供給される直流電流を断続し、これにより二次巻線に現れる脈流を整流して所望の電圧値の直流電流を得るスイッチング電源回路に関し、特にスイッチング素子の状況を精度良く監視して安全を図るための改良に関する。 In the present invention, the DC current supplied to the primary winding of the switching transformer is intermittently turned on and off by switching the switching element, thereby rectifying the pulsating current appearing in the secondary winding and thereby the DC current having a desired voltage value. In particular, the present invention relates to an improvement for ensuring safety by accurately monitoring the state of a switching element.
上述のようなスイッチング電源回路としては、自励発振型、他励発振型のいずれにおいてもこれまで多くの回路形式が提案されてきた。因みに最近では、簡単な構成で廉価な割に効率の良い回路方式として、例えば下記特許文献1等に認められるような、自励発振型に属するRCC(Ringing Choke Converter)方式のスイッチング電源回路(以下、単に“RCC電源回路”と称する)が汎用されるに至っている。
図1には、後述するように、RCC電源回路に対して適用した本発明の望ましい実施形態が示されているが、当該図1中において30番台の符号により指し示される構成要素を除くと既存のRCC電源回路例となるので、まず、このRCC電源回路の動作原理に関し、周知ではあるが簡単に説明する。 FIG. 1 shows a preferred embodiment of the present invention applied to an RCC power supply circuit, as will be described later. Except for the components indicated by the reference numerals in the 30th order in FIG. First, the operation principle of the RCC power supply circuit will be briefly described although well known.
商用交流電源11をダイオード・ブリッジ等による整流回路12で整流し、平滑コンデンサ13で平滑化された直流電源電圧は分圧抵抗14,15の接続中点を介しスイッチング素子16の制御端子に印可される。スイッチング素子16が電界効果トランジスタで構成されているときには当該制御端子はゲートであり、バイポーラ・トランジスタで構成されているときにはベースとなる。
The DC power supply voltage rectified by the
制御端子に印可される電圧が所定の大きさ以上になると当該スイッチング素子16はターン・オンし、スイッチング・トランス17の一次巻線17aと直列になっている当該スイッチング素子16の主電流通路が閉成する。主電流通路はもちろん、スイッチング素子16が電界効果トランジスタの場合にはソース−ドレイン間電流通路であり、バイポーラ・トランジスタの場合にはエミッタ−コレクタ間電流通路である。
When the voltage applied to the control terminal exceeds a predetermined level, the
スイッチング素子16の主電流通路が導通すると、整流回路12からの直流電源電流が当該スイッチング・トランス17の一次巻線17aに供給され、これによりスイッチング・トランス17に設けられている一次巻線と同相の帰還巻線17fにも誘導電圧が生じ、微分型の帰還回路18を介してスイッチング素子16の制御端子にはスイッチング素子16の導通状態をより高める方向に制御電圧が印可され、この正帰還により、一次巻線電流はより増加する。
When the main current path of the
そして、このように一次巻線17aに通電されている間に、当該一次巻線17aにはエネルギが蓄積されるが、帰還巻線17fに発生する電圧はスイッチング制御回路23にて監視されており、これが所定の電圧になると電界効果トランジスタもしくはバイポーラ・トランジスタで構成された制御トランジスタ24がオンとなり、これがスイッチング素子16の制御端子を例えば接地電位に引き落とす等して、スイッチング素子16をターン・オフする。
While the primary winding 17a is energized in this way, energy is stored in the primary winding 17a, but the voltage generated in the feedback winding 17f is monitored by the
これにより、スイッチング・トランス17の一次巻線17aへの供給電流が急激に絶たれると、当該一次巻線17aに蓄積されたエネルギは二次巻線17bに転送され、二次巻線17bに電流を生じさせ、この電流はダイオード19等の整流回路19を介して整流され、平滑コンデンサ20を充電する。
As a result, when the supply current to the primary winding 17a of the switching transformer 17 is suddenly cut off, the energy accumulated in the primary winding 17a is transferred to the secondary winding 17b, and the current is supplied to the secondary winding 17b. This current is rectified via the
この充電を介して二次巻線エネルギが低減すると、電流はその方向を逆転するように帰還巻線17fに再び電流を生じ、それにより現れる電圧で帰還回路18を介しスイッチング・トランス16がターン・オンし、以降、上述した正帰還を伴うスイッチング動作が繰り返されて、スイッチング・トランス17の二次側に所定の電圧の直流電圧出力が効率良く得られる。
When the secondary winding energy is reduced through this charging, the current again causes current in the feedback winding 17f to reverse its direction, and the voltage appearing thereby causes the
このスイッチング動作下において、二次側に設けられている出力電圧制御回路21は当該二次側の直流電圧がある一定値以上に上昇すると例えばフォト・カプラ22を介する等して制御信号を一次側のスイッチング制御回路23に送り、スイッチング素子16をターン・オフさせるように働き、また、スイッチング素子16の主電流通路に直列に入っているシャント抵抗25は当該スイッチング素子16に流れる電流の増大と共にその両端電圧を上昇させ、これもスイッチング制御回路23にフィードバックされて、予定の大きさ以上になるとスイッチング素子16をターン・オフさせるようになっていて、一連のスイッチング動作を微調整し、得るべき所望の直流電圧値を守るように働く。
Under this switching operation, the output
しかるに、従来のRCC電源回路では、上述のようにスイッチング・トランス17の二次側に出力電圧制御回路21を設けて出力電圧を所定の電圧値に制御しようとしたり、あるいはスイッチング素子16の主電流通路に直列に入っているシャント抵抗25の両端電圧を監視してスイッチング素子16の過負荷状態を検出し、安全を図ろうとしている。
However, in the conventional RCC power supply circuit, as described above, the output
しかし、このような保護機能は言わば成り行きの制御であり、結果的にスイッチング素子16のオン時間を長めようと動作することもままあるため、当該スイッチング素子16における通電電流が上昇してしまい、破壊または故障に至ることも考えられないではない。そうなることはこのスイッチング電源回路を搭載した製品そのものが動作しなくなることであり、例えばそれが給湯機を駆動するためのものであった場合、使用者は修理完了までの数日間、風呂に入れないといった状況になる可能性がある。さらに、スイッチング素子16やその周辺部品が発熱することによって、最悪の場合には発火や発煙を招き、使用者に危害が及ぶ可能性も考えねばならない。
However, such a protective function is, as a matter of course, control, and as a result, the
ところが、従来はスイッチング素子16での発熱、言い換えると損失が現在どの程度にまで至ったのかを正確にリアルタイムで認識する術が無く、また、入力条件、負荷条件が変われば、シャント抵抗25の定数を変更し、動作点を変えなければならないという問題も有していた。このような点は、上掲の特許文献1に開示の技術等でも変わらないし、また、例示したRCC電源回路以外の形式のスイッチング電源回路であってもスイッチング・トランス一次電流をオン・オフするスイッチング素子を持つ従来回路においては同様の問題である。
However, conventionally, there is no way to recognize in real time exactly how much heat is generated in the
本発明はこの点に鑑みて成されたもので、スイッチング素子の動作状態を精度良く把握し、正確に制御異常を検出でき、これに基づいて警報報知したり運転を強制停止したりできる安全性の高いスイッチング電源回路を提供せんとするものであり、また、望ましくはさらに、回路負荷条件ないし最大負荷電流が変わったとしても回路部品の定数変更は必要とせず、一定の基準での保護監視が行えるようなスイッチング電源回路を提供せんとするものである。 The present invention has been made in view of this point, and is capable of accurately grasping the operating state of the switching element, accurately detecting a control abnormality, and alerting or forcibly stopping the operation based on this. In addition, it is desirable to provide a switching power supply circuit with a high level of power, and desirably, even if the circuit load condition or the maximum load current changes, the constants of the circuit components do not need to be changed, and protection monitoring based on a certain standard can be performed. It is intended to provide a switching power supply circuit that can be used.
上記目的を達成するため、本発明では、
電源からスイッチング・トランスの一次巻線に供給される直流電流をスイッチング素子のオン・オフにより断続することで二次巻線に現れる脈流を整流するスイッチング電源回路であって;
スイッチング素子に流れる電流の大きさが予め与えられている閾値電流値を超えた場合に過電流検出信号を出力する比較回路と;
上記の閾値電流値を設定し、上記の比較回路に出力すると共に、過電流検出信号を受信するとこれに基づき制御異常の有無を判断する保護監視回路と;
を有することを特徴とするスイッチング電源回路を提案する。
In order to achieve the above object, in the present invention,
A switching power supply circuit for rectifying a pulsating current appearing in a secondary winding by interrupting a direct current supplied from a power source to a primary winding of a switching transformer by turning on and off the switching element;
A comparison circuit that outputs an overcurrent detection signal when the magnitude of the current flowing through the switching element exceeds a predetermined threshold current value;
A protection monitoring circuit that sets the threshold current value, outputs the threshold current value to the comparison circuit, and determines whether there is a control abnormality based on the overcurrent detection signal;
A switching power supply circuit characterized by comprising:
本発明ではまた、より精緻な判断のため、保護監視回路は過電流検出信号を受けたときに設定してある閾値電流値から実際にスイッチング素子に流れている電流を把握すると共に、過電流検出信号を受けたとき以降のスイッチング周波数を把握することで、それらの間での予め定めた演算機能を介して求められるスイッチング素子のその時の実際の損失が許容範囲を超えたときに制御異常と判断するように構成されているスイッチング電源回路を提案する。 In the present invention, for more precise determination, the protection monitoring circuit grasps the current actually flowing through the switching element from the threshold current value set when the overcurrent detection signal is received, and detects the overcurrent. By grasping the switching frequency after receiving the signal, when the actual loss of the switching element obtained through a predetermined calculation function between them exceeds the allowable range, it is determined that the control is abnormal. A switching power supply circuit configured to be proposed is proposed.
これは、より簡単な判断手法でも良く、例えば過電流検出信号を受けた時以降においてスイッチング素子のスイッチング周波数が所定の幅を超える周波数となったことを認識した場合に制御異常と判断するように保護監視回路を組むこともできる。 This may be a simpler determination method. For example, when it is recognized that the switching frequency of the switching element has exceeded a predetermined width after receiving an overcurrent detection signal, a control abnormality is determined. A protection monitoring circuit can be built.
さらに、上記の構成において、保護監視回路は閾値電流値の可変設定が容易になし得るようにマイクロコンピュータにより構成でき、そうすることでスイッチング電源回路に要求される負荷条件ないし最大負荷電流が変わった場合にも、他の回路部品の回路定数を変更することなく、閾値電流値のみを簡単に変えることだけで対応できる。 Further, in the above configuration, the protection monitoring circuit can be configured by a microcomputer so that the threshold current value can be easily variably set, so that the load condition or the maximum load current required for the switching power supply circuit has changed. Even in this case, it is possible to cope with this by simply changing only the threshold current value without changing the circuit constants of other circuit components.
また、本発明は、望ましい下位態様として、保護監視回路が制御異常と判断した場合には可視的警報、可聴的警報のいずれか一方または双方を発する警報装置も有するスイッチング電源回路も提案する。 The present invention also proposes a switching power supply circuit having a warning device that emits one or both of a visual alarm and an audible alarm when the protection monitoring circuit determines that the control is abnormal, as a desirable sub-mode.
さらに、これに加えて、あるいはこれに代えて、保護監視回路はまた、制御異常と判断した場合にはスイッチング素子の動作を停止するように構成されているスイッチング電源回路も提案し、この場合にはまた、望ましくはボタン操作等の人為的操作により解除操作がなされるか、電源が一旦遮断された後、再投入されたときにのみ、スイッチング素子の再稼働を許すラッチ回路を設けることも提案する。 In addition to this, or instead of this, the protection monitoring circuit also proposes a switching power supply circuit configured to stop the operation of the switching element when it is determined that the control is abnormal, and in this case, In addition, it is also proposed to provide a latch circuit that allows the switching element to be restarted only when the release operation is preferably performed by an artificial operation such as a button operation or when the power is turned off and then turned on again. To do.
本発明によると、従来の二次側の負荷電流によってスイッチングを制御する基本的制御を維持しつつ、スイッチング素子の損失状態をリアルタイムで監視できるため、発熱状態やスイッチング動作状態を細かく把握でき、使用者に不便を与えるおそれも大幅に緩和できる。また、本発明の特定の態様によれば、回路定数を全く変更することなく、負荷条件に応じて比較回路の閾値電流値を任意可変設定できるため、従来の技術と比較してより精度が良く、信頼性の高い保護機能を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to monitor the loss state of the switching element in real time while maintaining the basic control for controlling the switching by the conventional load current on the secondary side, so that the heat generation state and the switching operation state can be grasped in detail and used. The risk of inconvenience to the elderly can be greatly alleviated. In addition, according to the specific aspect of the present invention, the threshold current value of the comparison circuit can be arbitrarily variably set according to the load condition without changing the circuit constant at all. Reliable protection function can be realized.
図1には本発明を適用して構成されたスイッチング電源回路の望ましい一実施形態が示されており、特にこの実施形態では、既に述べたように、限定的ではないものの、RCC電源回路に対する改良となっている。 FIG. 1 shows a preferred embodiment of a switching power supply circuit constructed by applying the present invention. In particular, this embodiment is an improvement to the RCC power supply circuit, although not limited thereto, as described above. It has become.
RCC電源回路の基本的な動作説明は上述した通りであるので、以下では専ら本発明の適用された回路部分に就いての説明をなすが、スイッチング素子16の主電流通路を流れる電流(以下、単に「素子電流」と略記する)は、シャント抵抗25に流れた電流を電圧変換した値として比較回路32の一入力(この場合、逆相入力)に入力される。比較回路32のもう一つの入力(この場合、正相入力)には保護監視回路33の出力する閾値電流値に対応する閾値電圧値が必要に応じデジタル/アナログ変換器36を介して与えられている。
Since the basic operation description of the RCC power supply circuit is as described above, the following description will be made exclusively for the circuit portion to which the present invention is applied. Simply abbreviated as “element current”) is input to one input (in this case, a reverse-phase input) of the comparison circuit 32 as a voltage-converted value of the current flowing through the
従って、素子電流が閾値電流値を超えない場合にはスイッチング素子16はそのままに動作を継続するが、閾値電流値を超えると比較回路32の出力は反転し、この場合は略々接地電位に落ちることでフォト・カプラ35を通電することを以て、保護監視回路33に対し、素子電流が閾値電流値を超えた旨を表す過電流検出信号を伝達する。
Therefore, when the element current does not exceed the threshold current value, the switching
この過電流検出信号を受信する保護監視回路33には、予め設定した上述の閾値電圧値に基づき、今現在、どの程度以上の素子電流が印加されているかの対応電流値を予め記憶させておくことができるので、その値によって、ないしは過電流検出信号を受信したという事実のみをしても、制御異常と判断できる。
The
ただし、望ましくは、比較回路32がその出力を反転させた時以降のスイッチング周波数を把握することで、それらの間での予め定めた演算機能を介し、スイッチング素子16のその時の実際の損失を間接的にではあってもかなり正確にリアルタイムで求めることができるので、その損失が許容範囲を超えたときに制御異常と判断するように構成すると良い。より簡単な判断手法でも良く、例えば過電流検出信号を受けた時以降においてスイッチング素子のスイッチング周波数が所定の幅を超える周波数となったことを認識した場合に制御異常と判断することもできる。
However, preferably, the actual loss of the switching
いずれにしても、本発明によると、素子電流ないし素子損失をリアルタイムに正確に把握できるようになるので、必要にして十分なる安全マージンを持った範囲で確実に制御異常の有無を判断できる。そして、その異常判断の結果は、さらに合理的に利用することができる。 In any case, according to the present invention, the device current or the device loss can be accurately grasped in real time, so that it is possible to reliably determine whether or not there is a control abnormality within a necessary and sufficient safety margin. And the result of the abnormality determination can be used more rationally.
例えば、保護監視回路33が過電流検出信号を受信した時、あるいはまた、上述の演算機能を介し、スイッチング素子16の動作状況が故障ないし焼損にも通じる程度に至って居ると判断されるときには、可視的警報、可聴的警報のいずれか一方または双方の警報faを警報装置34から発生させるようにすることができる。
For example, when the oversight detection signal is received by the
このようなスイッチング電源により稼動する昨今の機器ではリモートコントローラを有するものもあるが、そこに例えば液晶ディスプレイ等がある場合には、そのディスプレイを介しての文字表記や点滅表記等をして可視的な警報手段とすることもできるし、可聴的警報には適当なるブザー等を用いることができる。 Some of these devices that operate with such a switching power supply have a remote controller, but if there is a liquid crystal display, for example, it is visible by displaying characters or blinking on the display. An appropriate buzzer or the like can be used for an audible alarm.
さらに、発火や発煙等、使用者に重大な危害を及ぼす恐れのある、ある特定条件を満たすと保護監視回路33が判断した場合には、例えばラッチ回路37を用いてスイッチング動作を強制停止させることができる。すなわち、ラッチ回路37の出力がスイッチング制御回路23に作用し、スイッチング素子16を強制的にターン・オフさせ、安全を確保する。
In addition, if the
そして、この強制停止は、同じくラッチ回路37の持つ機能により、先に述べた出力電圧制御回路21等による一時的な停止とは異なり、図示しないボタンを操作する等の人為的操作によってのみ解除操作がなされるか、電源が一旦遮断された後、再投入されたときにのみ、スイッチング素子16の再稼働が許されるようにするのが望ましい。
And this forced stop is a release function only by human operation such as operating a button (not shown) unlike the temporary stop by the output
保護監視回路33は、それ自体専用のハード・ウエア装置として構成されてももちろん良いが、昨今の技術事情では、これをマイクロコンピュータによって実質的に構成することができる。そして、そうすると、比較回路32に与える閾値電圧値等は簡単に変更設定できるので、回路の最大負荷電流ないし負荷条件が変わったとしても、当該閾値電圧値(閾値電流値)の可変設定のみで済み、回路部品の定数を変更する必要(回路部品交換の必要)はなくなり、極めて合理的で望ましい結果も得られ、その時々に要求される回路の最大負荷電流に対して常に一定の割合で保護のための各種動作点を設定できる。
The
以上、本発明の望ましい実施形態に即し説明したが、既に述べた通り、本発明は図示されているRCC電源回路以外のスイッチング電源回路にももちろん適用できる。また、図示の場合にはスイッチング・トランス一次巻線17aに選択的に供給される直流電流は商用交流電源11を整流回路12により整流した直流電源から得られるが、電源として電池等を用いるスイッチング電源回路にもまた適用できる。
As described above, the present invention has been described with reference to the preferred embodiments. However, as described above, the present invention is naturally applicable to switching power supply circuits other than the illustrated RCC power supply circuit. In the illustrated case, the DC current selectively supplied to the switching transformer primary winding 17a is obtained from a DC power source obtained by rectifying the commercial
11 交流電源
12 整流回路
13 平滑コンデンサ
14,15 抵抗
16 スイッチング素子
17 スイッチング・トランス
17a スイッチング・トランス一次巻線
17b スイッチング・トランス二次巻線
17f スイッチング・トランス帰還巻線
18 帰還回路
19 整流回路
20 平滑コンデンサ
21 出力電圧制御回路
23 スイッチング制御回路
25 シャント抵抗
32 比較回路
33 保護監視回路
34 警報装置
37 ラッチ回路
11 AC power supply
12 Rectifier circuit
13 Smoothing capacitor
14, 15 resistance
16 Switching element
17 Switching transformer
17a Switching transformer primary winding
17b Switching transformer secondary winding
17f Switching transformer feedback winding
18 Feedback circuit
19 Rectifier circuit
20 Smoothing capacitor
21 Output voltage control circuit
23 Switching control circuit
25 Shunt resistor
32 Comparison circuit
33 Protection monitoring circuit
34 Alarm device
37 Latch circuit
Claims (7)
上記スイッチング素子に流れる電流の大きさが予め与えられている閾値電流値を超えた場合に過電流検出信号を出力する比較回路と;
該閾値電流値を設定し、該比較回路に出力すると共に、上記過電流検出信号を受信するとこれに基づき制御異常の有無を判断する保護監視回路と;
を有することを特徴とするスイッチング電源回路。 A switching power supply circuit for rectifying a pulsating current appearing in a secondary winding by interrupting a direct current supplied from a power source to a primary winding of a switching transformer by turning on and off the switching element;
A comparator circuit for outputting an overcurrent detection signal when the magnitude of the current flowing through the switching element exceeds a predetermined threshold current value;
A protection monitoring circuit that sets the threshold current value, outputs the threshold current value to the comparison circuit, and determines whether there is a control abnormality based on the overcurrent detection signal;
A switching power supply circuit comprising:
上記保護監視回路は、上記過電流検出信号を受けたときに設定してある上記閾値電流値から実際に上記スイッチング素子に流れている電流を把握すると共に、該過電流検出信号を受けたとき以降の該スイッチング素子のスイッチング周波数を把握し、予め定めた演算機能を介して求められる該スイッチング素子のその時の実際の損失が許容範囲を超えたときに制御異常と判断するように構成されていること
を特徴とするスイッチング電源回路。 A switching power supply circuit according to claim 1;
The protection monitoring circuit grasps the current actually flowing through the switching element from the threshold current value set when the overcurrent detection signal is received, and after receiving the overcurrent detection signal. The switching frequency of the switching element is grasped, and when the actual loss of the switching element at that time obtained through a predetermined calculation function exceeds the allowable range, it is determined that the control is abnormal. A switching power supply circuit.
上記保護監視回路は、上記過電流検出信号を受けたとき以降において上記スイッチング素子のスイッチング周波数が所定の幅を超える周波数となったことを認識した場合に制御異常と判断するように構成されていること;
を特徴とするスイッチング電源回路。 A switching power supply circuit according to claim 1;
The protection monitoring circuit is configured to determine a control abnormality when recognizing that the switching frequency of the switching element has exceeded a predetermined width after receiving the overcurrent detection signal. thing;
A switching power supply circuit.
上記保護監視回路は上記閾値電流値を可変設定可能なようにマイクロコンピュータにより構成されていること;
を特徴とするスイッチング電源回路。 A switching power supply circuit according to claim 1;
The protection monitoring circuit is configured by a microcomputer so that the threshold current value can be variably set;
A switching power supply circuit.
上記保護監視回路が上記制御異常と判断した場合、可視的警報、可聴的警報のいずれか一方または双方を発する警報装置を有すること;
を特徴とするスイッチング電源回路。 A switching power supply circuit according to claim 1;
Having an alarm device that emits one or both of a visual alarm and an audible alarm when the protection monitoring circuit determines that the control abnormality has occurred;
A switching power supply circuit.
上記保護監視回路は、上記制御異常と判断した場合には上記スイッチング素子の動作を停止するように構成されていること;
を特徴とするスイッチング電源回路。 A switching power supply circuit according to claim 1;
The protection monitoring circuit is configured to stop the operation of the switching element when the control abnormality is determined;
A switching power supply circuit.
上記スイッチング素子の上記動作の停止以降において人為的操作により解除操作がなされるか、または上記電源が一旦遮断された後、再投入されたときにのみ、スイッチング素子の再稼働を許すラッチ回路をさらに有すること;
を特徴とするスイッチング電源回路。 A switching power supply circuit according to claim 6;
A latch circuit that permits re-operation of the switching element only when the release operation is performed by human operation after the stop of the operation of the switching element or when the power supply is once turned off and then turned on again. Having;
A switching power supply circuit.
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WO2020135798A1 (en) * | 2018-12-29 | 2020-07-02 | 深圳市道通智能航空技术有限公司 | Protection circuit, battery and aircraft |
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Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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