JP2008011636A - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】出力短絡などの異常状態から電源を保護する保護機能を持つスイッチング電源装置において、保護機能の動作遅延時間を設定するために集積回路の端子数が増加することなく、集積回路のパッケージサイズが増大することがないようにする。
【解決手段】集積化した電源制御回路1のフィードバック端子Tfbに、出力電圧と設定電圧との差を増幅する誤差増幅回路2からの信号を入力し、パルス幅制御回路12によりパワートランジスタPT1に出力する駆動パルスを制御する。また、誤差増幅回路2とパルス幅制御回路12の接続点(端子Tfb)に、過負荷保護回路13の動作を遅延させるコンデンサC2と抵抗R1の直列回路と、基準電圧を持つコンパレータIC11を接続し、コンパレータIC11の出力により過負荷保護回路13を動作させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、DC−DCコンバータなどのスイッチング電源装置に関し、特に過負荷から電源を保護する保護機能を備えたスイッチング電源装置に関する。
DC−DCコンバータなどのスイッチング電源装置においては、負荷短絡などの過負荷時に発熱や破損などを防止するために保護機能を設け、過負荷時に例えば電源の動作を停止させるなどの措置を取ることがある。このような保護回路を用いる場合、過負荷となった瞬間にその保護機能を動作させるようにすると、起動時に過渡的に電流が流れた場合や負荷急変などにより過渡的に電流が流れた場合との識別ができず、正常に動作しているにもかかわらず保護機能が誤動作してしまう恐れがある。
そこで、このような誤動作を回避するために、過負荷が発生してから保護機能が動作するまでに遅延時間を設け、過負荷状態が一定時間継続した場合を異常と判断して保護機能を動作させることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1では、コンデンサの充電時間を利用して遅延時間を設ける方法や、基準クロックとカウンタを組み合わせて遅延時間を設ける方法が示されている。
図8はこのような保護機能を備えた従来のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。このスイッチング電源装置は、出力トランスT1の一次側巻線と直列に接続されたパワートランジスタPT1を有し、入力された直流電圧VinをパワートランジスタPT1によりオン(ON)、オフ(OFF)し、出力トランスT1の二次側巻線に発生した脈流をダイオードD1及びコンデンサC1により整流・平滑して出力するものであり、パワートランジスタPT1を制御する集積化された電源制御回路100と、分圧抵抗R201,R202により分圧された出力電圧と基準電圧源Vr1の出力電圧Vrが入力されて出力電圧と設定電圧(抵抗R201,R202の抵抗値もR201,R202とすると、電圧Vrの(R201+R202)/R202倍が設定電圧となる)との差を増幅する誤差増幅回路200を備えている。
電源制御回路100は、Vccの電源電圧からレギュレートされた内部電源電圧を生成して電源制御回路100の内部回路に供給する内部電源101、誤差増幅回路200の出力によってパワートランジスタPT1の駆動パルス幅を制御するパルス幅制御回路102、及び過負荷時に機能する過負荷保護回路103を有している。そして、これらの回路とともに、コンパレータIC101,IC102、抵抗R101、電流源Is101及びスイッチSW101が集積化されている。コンパレータIC102は誤差増幅回路200の出力を基準電圧Vref2と比較し、その出力によりスイッチSW101が開閉される。遅延(積分)素子であるコンデンサC10が電源制御回路100に接続されていて、コンパレータIC101は電流源Is101からの電流を積分するコンデンサC10の積分電圧を基準電圧Vref1と比較する。
誤差増幅回路200は、出力電圧を分圧する抵抗R201,R202と、分圧された電圧を基準電圧(設定電圧)Vr1と比較する増幅器IC201を有し、増幅器IC201の出力はフィードバック電圧FBとしてフォトカプラ201を介して電源制御回路100に入力される。
上記構成のスイッチング電源装置において、過負荷状態となって出力電圧が設定電圧よりも低下すると、増幅器IC201の出力が上昇し、フォトカプラ201を通してその出力に応じた信号が電源制御回路100のフィードバック端子に伝わり、フィードバック端子のフィードバック電圧FBが上昇する。このフィードバック電圧FBが基準電圧Vref2を超えるとコンパレータIC102の出力が反転し、スイッチSW101が閉じて電流源Is101がコンデンサC10に接続され、コンデンサC10が電流源Is101によって充電(積分)され、コンデンサC10の電圧が徐々に上昇していく。そして、コンデンサC10の電圧が基準電圧Vref1を超えるとコンパレータIC101の出力が反転し、過負荷保護回路103が動作する。これにより、パワートランジスタPT1がオフとなって電源が停止する。
特開2004−40858号公報
しかしながら、上記のような従来のスイッチング電源装置にあっては、過負荷が発生してから過負荷保護回路が動作するまでの遅延時間は使用される回路ごとに異なる。したがって、このような保護機能を持つ制御回路を集積化して使用する場合、任意の遅延時間に設定できるように、例えば充電(積分)用のコンデンサ(図8のC10に相当)を外付けできるように専用の端子を設ける必要がある。
このため、集積回路の端子数が増加し、パッケージサイズが増大するという問題点がある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、保護機能の動作遅延時間を設定するために集積回路の端子数が増加することなく、集積回路のパッケージサイズが増大することのないスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
本発明では上記課題を解決するために、入力された直流をスイッチング素子によってオン、オフすることにより発生した脈流を平滑もしくは整流・平滑して出力するスイッチング電源装置において、出力電圧と設定電圧との差を増幅して出力する誤差増幅回路と、前記誤差増幅回路の出力によって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回路と、前記誤差増幅回路の出力が入力される前記スイッチング制御回路の入力端子の電圧と基準電圧とを比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力に基づいて動作を開始し、出力電圧の異常時に機能する保護回路と、を有し、前記入力端子に、前記保護回路の動作を遅延させるための遅延回路が接続されていることを特徴とするスイッチング電源装置が提供される。
このようなスイッチング電源装置によれば、誤差増幅回路の出力が入力されるスイッチング制御回路の入力端子に保護回路の動作を遅延させるための遅延回路が接続されるので、保護機能の動作遅延時間を設定するために集積回路の端子数が増加することなく、集積回路のパッケージサイズが増大することはない。
本発明のスイッチング電源装置は、誤差増幅回路の出力が入力されるスイッチング制御回路の入力端子に保護回路の動作を遅延させるための遅延回路が接続されるので、保護機能の動作遅延時間を設定するために集積回路の端子数が増加することなく、集積回路のパッケージサイズが増大することがないという利点がある。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。このスイッチング電源装置は、フライバック型のDC−DCコンバータとして構成され、出力トランスT1の一次側巻線と直列に接続されたスイッチング素子であるNチャネルのパワートランジスタPT1を有し、直流電源Vs1からの入力電圧VinをパワートランジスタPT1によりオン、オフし、これによって出力トランスT1の二次側巻線に発生した脈流をダイオードD1及びコンデンサC1により整流・平滑して負荷に出力する。
パワートランジスタPT1の駆動を制御する電源制御回路1は、集積回路としてパッケージ化され、直流電源Vs2からの電源電圧Vccが入力される入力端子Tv、パワートランジスタPT1のゲート駆動パルスOUTを出力する出力端子To、誤差増幅回路2からのフィードバック電圧FBが入力されるフィードバック端子Tfb(もしくは単に入力端子Tfb)、及び接地(GND)電位と接続される接地(GND)端子Tgを有している。
また、電源制御回路1の内部には、電源電圧Vccからレギュレートされた内部電源電圧を生成して電源制御回路1の内部回路に供給する内部電源11、誤差増幅回路2の出力によってパワートランジスタPT1のオン、オフを制御するスイッチング制御回路であるパルス幅制御回路12、誤差増幅回路2から出力されたフィードバック電圧FBが入力されるフィードバック端子Tfbの電圧と電圧源Vs11の基準電圧Vrefとを比較するコンパレータIC11、及びコンパレータIC11の出力に基づいて動作を開始し、出力電圧の異常時に機能する過負荷保護回路13が構成され、パルス幅制御回路12とコンパレータIC11の非反転入力端子との接続点には、内部電源11から内部電源電圧を受ける充電抵抗R11が接続されている。出力電圧(コンデンサC1の両端電圧)と設定電圧との差を増幅して出力する誤差増幅回路2は、出力電圧を分圧する抵抗R21,R22を有し、分圧された電圧と電圧源Vs21の基準電圧Vrとの差を増幅器IC21で増幅し、検出電圧として出力する。図8に示す従来のスイッチング電源装置と同様に、Vr×(R21+R22)/R22が出力電圧に対する設定電圧に相当する(抵抗R21,R22の抵抗値もR21,R22とする)。増幅器IC21とパルス幅制御回路12との間にはダイオードD21が接続されている。
また、誤差増幅回路2とパルス幅制御回路12の接続点(入力端子Tfb)に、過負荷保護回路13の動作を遅延させるための遅延回路として抵抗R1とコンデンサC2の直列回路が接続されている。ここで、増幅器IC21の出力にソース能力(プラスの電流を外部に供給する能力)もあると、抵抗R1とコンデンサC2の直列回路によるタイマが動作する際、増幅器IC21の出力でコンデンサC2が瞬時に充電されてしまい、タイマとして機能しない。このため、増幅器IC21の出力側に上記のダイオードD21が挿入されている。
図2は第1の実施の形態のスイッチング電源装置の各部の動作波形を示す図である。ここでは、出力電圧と、フィードバック端子電圧と、ゲート駆動パルスを示している。
通常(動作)状態では、電源制御回路1のフィードバック端子Tfbの電圧は、出力電圧が設定電圧となるように、誤差増幅回路2の働きにより調整されている。電源出力に対する負荷が過負荷となって出力電圧が低下すると、増幅器IC21の出力が最大値に振り切れるため、電源制御回路1内の充電抵抗R11から供給される電流をコンデンサC2が積分していき、これによりフィードバック端子Tfbの電圧が上昇していく。そして、フィードバック端子Tfbの電圧がコンパレータIC11の基準電圧Vrefに達すると、コンパレータIC11の出力が反転し、過負荷保護回路13が動作する。
すなわち、過負荷状態が発生してから過負荷保護回路13が動作するまでに、コンデンサC2の充電に必要な時間分の遅延時間が発生する。このため、起動時に過渡的に電流が流れた場合や負荷急変などにより過渡的に電流が流れた場合に、正常に動作しているにもかかわらず過負荷保護回路13が誤動作してしまうのを回避することができる。すなわち、瞬間的に増幅器IC21の出力が最大値に振り切れてコンデンサC2の積分が開始しても、出力電圧が正常に戻ると増幅器IC21の出力が下がり、ダイオードD21を介してコンデンサC2の電荷を放電するので(ダイオードD21は放電に対し順方向になるよう接続されている)、フィードバック端子Tfbの電圧を正常値に戻すことができる。
第1の実施の形態では、上記の遅延時間を持った過負荷保護回路13を有する電源制御回路1において、遅延時間を決定するための外付けのコンデンサC2を接続する端子を他の端子(既存の入力端子)と兼用することができ、集積回路の端子数削減、部品点数の削減、及び外形の小型化を図ることができる。
すなわち、誤差増幅回路2とパルス幅制御回路12の接続点に過負荷保護回路13の動作を遅延させるための遅延回路が接続されるので、過負荷保護回路13の動作遅延時間を設定するために集積回路の端子数が増加することなく、集積回路のパッケージサイズが増大することはない。
なお、コンデンサC2と直列に抵抗R1を接続しているが、これは通常動作の中で負荷が急変した場合に急速に応答ができるようにするためである。例えば、この抵抗R1を設けずにコンデンサC2のみをフィードバック端子Tfbに接続した場合、負荷の急変に合わせてフィードバック端子Tfbの電圧を急峻に変化させようとしても、コンデンサC2の充放電が必要となる分、フィードバック端子Tfbの電圧変化は遅くなってしまう。
一方、抵抗R1が接続されていると、負荷が急変した際に誤差増幅回路2あるいは電源制御回路1内の充電抵抗R11から抵抗R1に電流が流れ(充電抵抗R11に流れる電流と同じ値の電流が抵抗R1にも流れ)、抵抗R1の両端に一定の電圧が発生する。この抵抗R1に発生する電圧の分は、フィードバック端子Tfbの電圧も急峻に変化することができる。そして、負荷変動に対しては、フィードバック端子Tfbが急峻に変化することができる範囲を利用することで、負荷急変などの過渡応答に対して応答遅れとなることはない。
図3は本発明の第2の実施の形態のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。第2の実施の形態では、増幅器IC21の出力をフォトカプラ21を介してフィードバック端子Tfbに伝達している。その他は図1と同様の構成である。
第2の実施の形態は、入出力が絶縁されている方式のスイッチング電源装置に適用したもので、このような接続方法であっても、フォトカプラ21の出力を誤差増幅回路2の出力とみなすことができ、入力端子Tfbに抵抗R1とコンデンサC2の直列回路を接続することができる。
図4は本発明の第3の実施の形態のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。第3の実施の形態では、電源制御回路1内で、入力端子Tfbとパルス幅制御回路12の入力端との間にダイオードD11が接続されるとともに、入力端子Tfbに電流源Is11が接続されている。その他は図3と同様の構成である。また、図5は第3の実施の形態のスイッチング電源装置の各部の動作波形を示す図である。
第3の実施の形態は、フィードバック端子Tfbとパルス幅制御回路12の入力端および充電抵抗R11との間にダイオードD11を設け、さらにフィードバック端子Tfbに電流源Is11を追加接続したものである。なお、電流源Is11は抵抗に替えることもできる。
図1及び図3に示す第1,第2の実施の形態では、遅延時間を発生させる際にコンデンサC2の充電電圧は内部電源電圧程度までしか上昇しないが、第3の実施の形態の構成では、電源電圧Vcc程度までコンデンサC2の充電電圧を上昇させることができる。このため、所望の遅延時間を設けるのに、比較的小さな容量のコンデンサを用いることができる。すなわち、コンパレータIC11の電源電圧にVccの電圧を使用し、電圧源Vs11の基準電圧Vrefを上げることができるので、より小さな容量のコンデンサC2を利用することができる。
図6は本発明の第4の実施の形態のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。第4の実施の形態では、誤差増幅回路2とパルス幅制御回路12の接続点の電圧と基準電圧Vrefとを比較するコンパレータにヒステリシス特性を有するコンパレータIC12を使用し、このコンパレータIC12の出力によりコンデンサC2が繰り返し充放電されるように、電流源Is12,Is13とスイッチSW11,SW12を直列に接続した回路と、インバータIC13を設けている。また、コンパレータIC12の出力が反転した回数をカウントするカウンタ14を備え、このカウンタ14が所定の回数をカウントしたときに過負荷保護回路13が動作を開始する。その他は図4と同様の構成である。
第4の実施の形態は、電源制御回路1内に、ヒステリシス特性を持ったコンパレータIC12と、フィードバック端子Tfbに外付けされたコンデンサC2に対して繰り返し充放電を行うための電流源Is12,Is13と、カウンタ14を設けたものである。なお、電流源Is12,Is13は抵抗に替えることもできる。また、電源電圧Vccに替えて内部電源電圧を電流源Is12に接続してもよい(電流源Is12を抵抗に替えた場合も、電源電圧Vccに替えて内部電源電圧を当該抵抗に接続してもよい)。
上記のように構成されたスイッチング電源装置において、過負荷状態になると、フィードバック端子Tfbに外付けされたコンデンサC2に対し、コンパレータIC12の出力でスイッチSW11,SW12を相補的にオン、オフ(一方がオンのとき他方をオフに)させることにより電流源Is12,Is13による充放電を行い、ヒステリシス特性を持ったコンパレータIC12の2つのしきい値の間で発振を行わせる。カウンタ14はその充放電の回数をカウントし、規定回数の充放電が行われた後に、過負荷保護回路13を動作させる。
このように、カウンタ14を設けることにより、コンデンサC2の充放電の繰り返しによって遅延時間を決定することができ、さらに小さな容量のコンデンサC2を使用することができる。
図7は第4の実施の形態のスイッチング電源装置の各部の動作波形を示す図である。スイッチSW11,SW12がオン、オフと切り換わるたびに、抵抗R1の抵抗値と電流源Is12あるいは電流源Is13から供給される定電流値の積で決まる電圧の分、DC的にフィードバック端子Tfbの電圧がシフトする(フィードバック端子Tfbの電圧=定電流値×抵抗R1の抵抗値+コンデンサC2の両端電圧:コンデンサC2の両端電圧は瞬間的には変化しない)。その後、コンデンサC2に対する定電流充放電となるため、直線的な傾斜を持つ電圧変化となる。
なお、以上の各実施の形態ではフライバック型のDC−DCコンバータのスイッチング電源装置を例にして説明したが、本発明はこの例に限定されることはなく、トランスではなくインダクタを使う降圧型などの通常のDC−DCコンバータにも適用することができる。なお、インダクタを使うDC−DCコンバータの中には、出力の整流が不要のものがあることは言うまでもないことである。
また、以上の各実施の形態では、遅延回路としての抵抗R1とコンデンサC2の直列回路の接続に関し、抵抗R1の一端を入力端子Tfbに、コンデンサC2の一端を接地(GND)電位に接続する実施例を示したが、逆でもよい。すなわち、コンデンサC2の一端を入力端子Tfbに、抵抗R1の一端を接地(GND)電位に接続するようにしてもよい。この場合でも、今まで説明してきたものと同じ動作となる。
本発明の第1の実施の形態のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。 第1の実施の形態のスイッチング電源装置の各部の動作波形を示す図である。 本発明の第2の実施の形態のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。 本発明の第3の実施の形態のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。 第3の実施の形態のスイッチング電源装置の各部の動作波形を示す図である。 本発明の第4の実施の形態のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。 第4の実施の形態のスイッチング電源装置の各部の動作波形を示す図である。 従来のスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。
符号の説明
1 電源制御回路
2 誤差増幅回路
11 内部電源
12 パルス幅制御回路
13 過負荷保護回路
14 カウンタ
21 フォトカプラ
C1,C2 コンデンサ
D1,D11,D21 ダイオード
IC11,IC12 コンパレータ
IC13 インバータ
IC21 増幅器
Is11,Is12,Is13 電流源
PT1 パワートランジスタ
R1,R11,R21,R22 抵抗
T1 出力トランス
Tfb フィードバック端子(入力端子)
Vs1,Vs2 直流電源
Vs11,Vs21 電圧源

Claims (7)

  1. 入力された直流をスイッチング素子によってオン、オフすることにより発生した脈流を平滑もしくは整流・平滑して出力するスイッチング電源装置において、
    出力電圧と設定電圧との差を増幅して出力する誤差増幅回路と、
    前記誤差増幅回路の出力によって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回路と、
    前記誤差増幅回路の出力が入力される前記スイッチング制御回路の入力端子の電圧と基準電圧とを比較するコンパレータと、
    前記コンパレータの出力に基づいて動作を開始し、出力電圧の異常時に機能する保護回路と、を有し、
    前記入力端子に、前記保護回路の動作を遅延させるための遅延回路が接続されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング素子の駆動パルス幅を変化させるパルス幅制御回路であ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. 前記遅延回路が抵抗とコンデンサの直列回路であるとともに、前記入力端子が充電抵抗を介して第1の電圧源に接続されてい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。
  4. 前記コンデンサの一端が前記入力端子に接続され、前記抵抗の一端が基準電位に接続されていることを特徴とする請求項3記載のスイッチング電源装置。
  5. 前記抵抗の一端が前記入力端子に接続され、前記コンデンサの一端が基準電位に接続されていることを特徴とする請求項3記載のスイッチング電源装置。
  6. 前記入力端子と前記充電抵抗の間にカソードが前記入力端子に接続されるダイオードが設けられるとともに、前記入力端子が電流源または第2の充電抵抗を介して第2の電圧源に接続されていることを特徴とする請求項3ないし5のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  7. 前記入力端子と前記第1の電圧源もしくは第2の電圧源との間に直列に設けられた充電電流源もしくは第2の充電抵抗並びに第1のスイッチ手段と、
    前記入力端子と前記基準電位との間に直列に設けられた放電電流源もしくは放電抵抗並びに第2のスイッチ手段と、
    前記入力端子と前記充電抵抗の間に設けられたカソードが前記入力端子に接続されるダイオードと、を有し、
    前記コンパレータはヒステリシス特性を有し、
    前記コンデンサは前記コンパレータの出力により前記第1のスイッチ手段と前記第2のスイッチ手段が相補的にオン、オフすることにより繰り返し充放電されるとともに、
    前記コンパレータの出力が反転した回数をカウントするカウンタを備え、
    前記保護回路は前記カウンタが所定の回数をカウントしたときに動作を開始することを特徴とする請求項3ないし5のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
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