JP2008148407A - 過電流検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置の使用環境に応じて過電流の検出値を設定可能な過電流検出回路を実現する。
【解決手段】電源装置の出力電流の過電流を検出する過電流検出回路に関する。出力電流を電圧値に変換して検出する電流検出手段と、電源装置の取付姿勢に応じて電流検出手段が出力電流を電圧値に変換する変換率を変更して設定する取付姿勢設定手段と、基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、電源装置を使用する周囲温度に応じて基準電圧手段の電圧値を変更して設定する周囲温度設定手段と、取付姿勢設定手段で設定した電流検出手段の変換率によって出力電流を変換した電圧値及び周囲温度設定手段で設定した基準電圧手段の電圧値を比較し、両電圧値が等しくなったときに過電流検出信号を出力する電圧比較手段とを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置の出力電流（負荷電流）の過電流を検出する過電流検出回路に関し、特に電源装置の使用環境に応じて過電流の検出値を設定可能な過電流検出回路に関するものである。

電源装置には、過大な負荷電流が流れたときに電源装置を発熱による破壊等から保護する目的で過電流保護機能が装備されている。この際、過電流を過電流検出回路で検出して、過電流保護機能を動作させる。

図５は従来の過電流検出回路の構成図である。
図５は一般的なスイッチング電源（電源装置）の二次側回路の主要な構成を示している。スイッチング電源の一次側と二次側はトランスＴ１によって絶縁されている。一次側のスイッチングトランジスタ（図示せず）のパルス幅を制御し、このパルス幅に比例したパルスをトランスＴ１に与える。トランスＴ１の二次側電圧は整流ダイオードＤ１により整流され、平滑コンデンサＣ１により平滑される。スイッチング電源はスイッチングトランジスタのパルス幅を制御することにより出力電圧を一定に保っている。

電流検出回路は、負荷電流が流れる電流検出抵抗Ｒｓと、一定の基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧器Ｕ１と、電流検出抵抗Ｒｓの両端の電圧Ｖｒｓと基準電圧Ｖｒｅｆの大小を比較する電圧比較器Ｕ２とからなる。電圧比較器Ｕ２は過電流検出時に過電流検出信号Ｓｏｌｐを出力する。過電流検出信号Ｓｏｌｐはフォトカプラ（図示せず）により一次側に伝えられ、スイッチングトランジスタのスイッチングを止める等の過電流保護機能に使用される。

ＧＮＤ端子の電位を０Ｖとする。負荷電流Ｉｏが流れると、電流検出抵抗Ｒｓの両端には負荷電流に比例した電圧Ｖｒｓ＝Ｉｏ×Ｒｓが発生する。このとき、電圧比較器Ｕ２の非反転入力端子の電圧は０Ｖであり、反転入力端子の電圧は−（Ｉｏ×Ｒｓ）＋Ｖｒｅｆとなる。負荷電流Ｉｏが増大し、電圧比較器Ｕ２の非反転入力端子と反転入力端子の電圧が等しくなったとき、すなわち０＝−（Ｉｏ×Ｒｓ）＋Ｖｒｅｆとなったときに電圧比較器Ｕ２が動作して過電流検出信号Ｓｏｌｐが出力される。

図６は従来の過電流検出値の説明図である。
図６で横軸は電源装置を使用する周囲温度、縦軸は電源装置の定格出力電流に対する割合を表す。
電源装置を構成する部品である半導体デバイス等が消費する電力は熱に変化し、発生した熱は温度上昇の原因となる。半導体デバイスが正常に動作する温度には上限があり、周囲温度や半導体内部のジャンクション温度で規定され、その温度を超えると正常に動作しなくなったり、破壊したりといったことが起こる。

電源装置の出力電流が増えると消費電力が増え、それに伴って電源装置は温度上昇する。電源装置を安全に動作させるためには、半導体デバイスが周囲温度や半導体内部のジャンクション温度との関係で正常に動作する温度範囲内で電源装置を使用する必要がある。また、電解コンデンサ、ヒューズ等の寿命部品は周囲温度の影響を多く受け、周囲温度が高くなると寿命は短くなる。このため、電源装置では、電源装置の周囲温度によって、使用可能な最大出力電流が出力ディレーティング曲線として定められている。

また、電源装置の取付姿勢が電源装置内の熱分布に影響を与えるため、電源装置の取付姿勢によっても、使用可能な最大出力電流が出力ディレーティング曲線として定められている。
一方、過電流保護機能の動作点（過電流検出値）は、全ての温度範囲において誤って過電流保護機能が動作しないようにするため、定格出力電流の１１０％〜１３０％程度に固定的に設定されている。

特開平６−３８５１８号公報

汎用の電源装置では、電源装置の取付姿勢と電源装置の周囲温度によって、使用可能な最大出力電流が出力ディレーティング曲線として定められている。しかし、電源装置の過電流保護機能の動作点（過電流検出値）は一般に定格出力電流の１１０％〜１３０％程度に固定的に設定されていた。

例えば、出力ディレーティング曲線により出力電流が定格出力電流の４０％に制限されるような使い方をしている場合であっても過電流保護機能の動作点は一定で変化しない。このような運転条件で過電流が発生した場合、過電流保護機能の動作点は定格出力電流の４０％に対して大きすぎるため、電源装置が破壊したり、異常な温度上昇により、最悪の場合には発煙や発火等の危険をもたらすという問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、電源装置の使用環境に応じて過電流の検出値を設定可能な過電流検出回路を実現することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明は次のとおりの構成になっている。
（１）電源装置の出力電流の過電流を検出する過電流検出回路において、
前記出力電流を電圧値に変換して検出する電流検出手段と、
前記電源装置の取付姿勢に応じて前記電流検出手段が出力電流を電圧値に変換する変換率を変更して設定する取付姿勢設定手段と、
基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、
前記電源装置を使用する周囲温度に応じて前記基準電圧手段の電圧値を変更して設定する周囲温度設定手段と、
前記取付姿勢設定手段で設定した前記電流検出手段の変換率によって出力電流を変換した電圧値及び前記周囲温度設定手段で設定した前記基準電圧手段の電圧値を比較し、両電圧値が等しくなったときに過電流検出信号を出力する電圧比較手段と、
を有することを特徴とする過電流検出回路。

（２）前記電流検出手段は可変抵抗からなり、前記取付姿勢設定手段は前記電源装置が放熱し難い取付姿勢の場合に前記可変抵抗の抵抗値を大きくし、前記電源装置が放熱し易い取付姿勢の場合に前記可変抵抗の抵抗値を小さくすることを特徴とする（１）記載の過電流検出回路。

（３）前記電流検出手段は複数の抵抗を配列した複合抵抗からなり、前記取付姿勢設定手段は前記電源装置が放熱し難い取付姿勢の場合に前記複合抵抗から抵抗値が大きくなるように抵抗を選択し、前記電源装置が放熱し易い取付姿勢の場合に前記複合抵抗から抵抗値が小さくなるように抵抗を選択することを特徴とする（１）記載の過電流検出回路。

（４）前記電源装置の出力電流の過電流を検出する過電流検出値を求める式は、
（前記周囲温度設定手段により設定した前記基準電圧手段の電圧値）／（前記取付姿勢設定手段で設定した前記電流検出手段の抵抗値）
となることを特徴とする（２）又は（３）記載の過電流検出回路。

（５）前記基準電圧発生手段は、一定の基準電圧を発生する基準電圧器と該基準電圧器に並列に接続し前記基準電圧の電圧値を分割する分割抵抗からなり、前記周囲温度設定手段は前記電源装置を使用する周囲温度が高い場合に前記基準電圧の電圧値が小さくなるように抵抗を選択し、前記電源装置を使用する周囲温度が低い場合に前記基準電圧の電圧値が大きくなるように抵抗を選択することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の過電流検出回路。

（６）前記電圧比較手段は電圧比較器であり、前記取付姿勢設定手段で設定した前記電流検出手段の変換率によって出力電流を変換した電圧値を非反転入力端子に入力し、前記周囲温度設定手段で設定した前記基準電圧手段の電圧値を反転入力端子に入力し、前記電圧比較器の出力を過電流検出信号としたことを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の過電流検出回路。

本発明によれば次のような効果がある。
電源装置の取付姿勢と電源装置の周囲温度に応じて、過電流の検出値をきめ細かく設定することができる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
スイッチング電源（電源装置）の二次側に構成された過電流検出回路について説明する。電源装置のＧＮＤ側には負荷電流が流れる電流検出抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２，Ｒｓ３が配置され、負荷電流を電圧値に変換して検出する。取付姿勢設定スイッチＳＷ１は電流検出抵抗Ｒｓ１とＲｓ２の中点（ａ）、Ｒｓ２とＲｓ３の中点（ｂ）、Ｒｓ３の負荷側の点（ｃ）の３つの電圧検出ポイントから電源装置の取付姿勢に応じて１点を選択する。ここで、電流検出抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２，Ｒｓ３は特許請求の範囲に記載の電流検出手段、取付姿勢設定スイッチＳＷ１は特許請求の範囲に記載の取付姿勢設定手段に相当する。

電流検出手段は、複数の抵抗を配列した複合抵抗から抵抗を選択したり、可変抵抗のように抵抗値を変化させる電流検出抵抗のほか、増幅器を使用して電流を電圧に変換するものであってもよい。
取付姿勢設定手段は、電流を電圧値に変換する変換率を変更して設定できるものであればよく、電流検出抵抗の抵抗値を選択するスイッチのほか、増幅器の増幅率を変化させるものであってもよい。

取付姿勢設定スイッチＳＷ１は、電源装置が放熱し難い取付姿勢の場合に検出電圧が大きくなるように電流検出抵抗を選択し、電源装置が放熱し易い取付姿勢の場合に検出電圧が小さくなるように電流検出抵抗を選択する。
例えば、取付姿勢Ａ，Ｂ，Ｃのうち、取付姿勢Ａが一番放熱し易く、取付姿勢Ｃが一番放熱し難いとする。この場合、取付姿勢設定スイッチＳＷ１は、取付姿勢Ａでは電圧検出ポイント（ａ）、取付姿勢Ｂでは電圧検出ポイント（ｂ）、取付姿勢Ｃでは電圧検出ポイント（ｃ）を選択する。

基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧器Ｕ１の一端は、電流検出抵抗Ｒｓ１の電源装置内部側の端子に接続され、基準電圧器Ｕ１の両端には、この基準電圧Ｖｒｅｆの電圧を分割するために直列接続された３つの分割抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３が接続されている。周囲温度設定スイッチＳＷ２は基準電圧Ｖｒｅｆ（ｄ）、Ｒｄ１とＲｄ２の中点（ｅ）、Ｒｄ２とＲｄ３の中点（ｆ）の３つの基準電圧ポイントから電源装置が使用される周囲温度に応じて１点を選択する。ここで、基準電圧器Ｕ１及び分割抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３は特許請求の範囲に記載の基準電圧発生手段、周囲温度設定スイッチＳＷ２は特許請求の範囲に記載の周囲温度設定手段に相当する。

周囲温度設定スイッチＳＷ２は、電源装置を使用する周囲温度が高い場合に基準電圧の電圧値が小さくなるように分割抵抗を選択し、電源装置を使用する周囲温度が低い場合に基準電圧の電圧値が大きくなるように分割抵抗を選択する。
例えば、電源装置を使用する環境を３０℃未満、３０℃〜５０℃、５０℃〜７０℃の３つのレンジとする。この場合、周囲温度が３０℃未満では基準電圧ポイント（ｄ）、周囲温度が３０℃〜５０℃では基準電圧ポイント（ｅ）、周囲温度が５０℃〜７０℃では基準電圧ポイント（ｆ）を選択する。

取付姿勢設定スイッチＳＷ１で選択された電圧は、電圧比較器Ｕ２の非反転入力端子に入力され、周囲温度設定スイッチＳＷ２で選択された電圧は、電圧比較器Ｕ２の反転入力端子に入力される。電圧比較器Ｕ２は両電圧を比較し、両電圧が等しくなったときに過電流検出信号Ｓｏｌｐを出力する。ここで、電圧比較器Ｕ２は特許請求の範囲に記載の電圧比較手段に相当する。

図２は本発明の過電流検出値の計算式をまとめた図である。
過電流保護機能の動作点（過電流検出値）の計算について説明する。ここで、負荷電流が流れると電流検出抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２，Ｒｓ３の両端に発生する電圧をそれぞれ、Ｖｒｓ２，Ｖｒｓ２，Ｖｒｓ３とし、分割抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３の両端の電圧をそれぞれ、Ｖｒｄ１，Ｖｒｄ２，Ｖｒｄ３とする。また、過電流が検出されるときの負荷電流（過電流検出値）をＩｏｌｐとする。

例えば、電源装置の取付姿勢がＡで、電源装置の最高周囲温度が３０℃未満の環境で使用される場合について説明する。このときは、取付姿勢設定スイッチＳＷ１は電圧検出ポイント（ａ）を選択し、周囲温度設定スイッチＳＷ２は基準電圧ポイント（ｄ）を選択する。

電圧比較器Ｕ２の非反転入力端子の電圧は−（Ｖｒｓ３＋Ｖｒｓ２）となり、反転入力端子の電圧は−（Ｖｒｓ３＋Ｖｒｓ２＋Ｖｒｓ１）＋（Ｖｒｄ３＋Ｖｒｄ２＋Ｖｒｄ１）となる。
過電流が検出される点では両電圧は等しく、−（Ｖｒｓ３＋Ｖｒｓ２）＝−（Ｖｒｓ３＋Ｖｒｓ２＋Ｖｒｓ１）＋（Ｖｒｄ３＋Ｖｒｄ２＋Ｖｒｄ１）となり、これを整理するとＶｒｓ１＝Ｖｒｄ３＋Ｖｒｄ２＋Ｖｒｄ１となる。

ここで、Ｖｒｓ１＝Ｉｏｌｐ×Ｒｓ１が成り立つので、上式より、Ｉｏｌｐ×Ｒｓ１＝Ｖｒｄ３＋Ｖｒｄ２＋Ｖｒｄ１となる。
よって、過電流検出値は、Ｉｏｌｐ＝（Ｖｒｄ３＋Ｖｒｄ２＋Ｖｒｄ１）／Ｒｓ１として求めることができる。

同様に取付姿勢設定スイッチＳＷ１と周囲温度設定スイッチＳＷ２の組み合わせで、図２に示す通り９通りの過電流検出値を設定することができる。このため、電源装置の使用環境に応じて、過電流検出値をきめ細かく設定することができ、電源装置が出力ディレーティング曲線で制限を受ける使用環境においても、過電流発生時に異常加熱による危険等を回避し、過電流発生時には電源装置を確実に保護することができる。

図３は本発明の過電流検出値の説明図である。
図３で横軸は電源装置を使用する周囲温度、縦軸は電源装置の定格出力電流に対する割合を表す。電源装置の取付姿勢と電源装置の周囲温度によって、使用可能な最大出力電流が出力ディレーティング曲線として定められている。
一般に電源装置は幅広い周囲温度範囲で使用されるが、半導体デバイスのジャンクション温度は（消費電力）×（ジャンクション・大気間熱抵抗）＋（周囲温度）となり、周囲温度の影響を受ける。低温領域に対し、中温領域、高温領域と周囲温度が高くなるに従い、より電源装置の発熱を抑えるために出力電流を制限した出力ディレーティング曲線が定められている。

また、電源装置は、取付姿勢によって発熱部品の位置関係、熱分布や、空気の流れ等が変わることにより放熱効果が異なってくる。取付姿勢Ａ，Ｂ，Ｃのうち、取付姿勢Ａが一番放熱し易く、取付姿勢Ｃが一番放熱し難い場合の出力ディレーティング曲線を示している。取付姿勢Ｃにおいては、より発熱を抑えるために出力電流を制限した出力ディレーティング曲線が定められている。

図３中の横線Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ３は過電流保護機能の動作点である過電流検出値を示している。
電源装置の取付姿勢Ａにおいて、低温領域，中温領域，高温領域の場合の過電流検出値は、それぞれＡ１，Ａ２，Ａ３となる。取付姿勢Ｂにおいて、周囲温度が低温領域，中温領域，高温領域の場合の過電流検出値は、それぞれＢ１，Ｂ２，Ｂ３となる。取付姿勢Ｃにおいて、周囲温度が低温領域，中温領域，高温領域の場合の過電流検出値は、それぞれＣ１，Ｃ２，Ｃ３となる。

このように、電源装置の過電流保護機能の動作点を、電源装置の取付姿勢と電源装置を使用する周囲温度という分かり易い２つのパラメータで設定することができ、過電流発生時には確実に電源装置を保護することができる。

図４は本発明を実施した場合の過電流検出値をまとめた図である。
図３の出力ディレーティング曲線において、定格出力電流に対する割合１００％が５０Ａの電源装置であって、図１の回路において、電流検出抵抗Ｒｓ１＝２０ｍΩ，Ｒｓ２＝６ｍΩ，Ｒｓ３＝８ｍΩ、基準電圧Ｖｒｅｆ＝１．２Ｖ、分割抵抗Ｒｄ１＝１００Ω，Ｒｄ２＝１００Ω，Ｒｄ３＝１ｋΩの場合の取付姿勢設定スイッチＳＷ１と周囲温度設定スイッチＳＷ２の組み合わせで、過電流検出値を実際に計算した例である。

例えば、電源装置の取付姿勢がＣで、電源装置の周囲温度が７０℃の場合、出力電流は定格出力電流の４０％（２０Ａ）以下に制限されている。従来の電流検出回路の場合、過電流検出値は固定であったため、定格出力電流の１２０％に過電流検出値を設定している場合、出力電流が６０Ａにならないと過電流を検出することができなかった。これに対し、本発明の電流検出回路の場合、出力電流が２９Ａになると過電流を検出することができる。このように、電源装置が出力ディレーティング曲線で制限を受ける使用環境においても、取付姿勢と周囲温度に応じて過電流検出値を設定して電源装置の過電流保護機能を動作させることができる。これにより、電源装置の温度上昇が抑えられ、半導体デバイスがジャンクション温度を超えることによる異常動作や破壊、異常加熱による発火等を防ぐことができ、電源装置をより安全に使用することができる。

本実施例では、取付姿勢が３通り、周囲温度のレンジが３つの場合の組み合わせについて示したが、これ以外の組み合わせであってもよい。例えば、取付姿勢が２通り、周囲温度のレンジが２つの場合は、Ｒｓ３とＲｄ３を削除した回路とすることにより２×２の４通りの過電流検出値の設定が可能となり、取付姿勢が４通り、周囲温度のレンジが４つの場合は、Ｒｓ４とＲｄ４を追加した回路とすることにより４×４の１６通りの過電流検出値の設定が可能となる。これにより、電源装置の使用環境に合った過電流検出値を設定することができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明の過電流検出値の計算式をまとめた図である。 本発明の過電流検出値の説明図である。 本発明を実施した場合の過電流検出値をまとめた図である。 従来の過電流検出回路の構成図である。 従来の過電流検出値の説明図である。

符号の説明

Ｒｄ１，Ｒｄ２，Ｒｄ３ 分割抵抗
Ｒｓ１，Ｒｓ２，Ｒｓ３ 電流検出抵抗
ＳＷ１ 取付姿勢設定手段
ＳＷ２ 周囲温度設定手段
Ｕ１ 基準電圧発生器
Ｕ２ 電圧比較器

Claims (6)

1. 電源装置の出力電流の過電流を検出する過電流検出回路において、
   前記出力電流を電圧値に変換して検出する電流検出手段と、
   前記電源装置の取付姿勢に応じて前記電流検出手段が出力電流を電圧値に変換する変換率を変更して設定する取付姿勢設定手段と、
   基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、
   前記電源装置を使用する周囲温度に応じて前記基準電圧手段の電圧値を変更して設定する周囲温度設定手段と、
   前記取付姿勢設定手段で設定した前記電流検出手段の変換率によって出力電流を変換した電圧値及び前記周囲温度設定手段で設定した前記基準電圧手段の電圧値を比較し、両電圧値が等しくなったときに過電流検出信号を出力する電圧比較手段と、
   を有することを特徴とする過電流検出回路。
2. 前記電流検出手段は可変抵抗からなり、前記取付姿勢設定手段は前記電源装置が放熱し難い取付姿勢の場合に前記可変抵抗の抵抗値を大きくし、前記電源装置が放熱し易い取付姿勢の場合に前記可変抵抗の抵抗値を小さくすることを特徴とする請求項１記載の過電流検出回路。
3. 前記電流検出手段は複数の抵抗を配列した複合抵抗からなり、前記取付姿勢設定手段は前記電源装置が放熱し難い取付姿勢の場合に前記複合抵抗から抵抗値が大きくなるように抵抗を選択し、前記電源装置が放熱し易い取付姿勢の場合に前記複合抵抗から抵抗値が小さくなるように抵抗を選択することを特徴とする請求項１記載の過電流検出回路。
4. 前記電源装置の出力電流の過電流を検出する過電流検出値を求める式は、
   （前記周囲温度設定手段により設定した前記基準電圧手段の電圧値）／（前記取付姿勢設定手段で設定した前記電流検出手段の抵抗値）
   となることを特徴とする請求項２又は３記載の過電流検出回路。
5. 前記基準電圧発生手段は、一定の基準電圧を発生する基準電圧器と該基準電圧器に並列に接続し前記基準電圧の電圧値を分割する分割抵抗からなり、前記周囲温度設定手段は前記電源装置を使用する周囲温度が高い場合に前記基準電圧の電圧値が小さくなるように抵抗を選択し、前記電源装置を使用する周囲温度が低い場合に前記基準電圧の電圧値が大きくなるように抵抗を選択することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の過電流検出回路。
6. 前記電圧比較手段は電圧比較器であり、前記取付姿勢設定手段で設定した前記電流検出手段の変換率によって出力電流を変換した電圧値を非反転入力端子に入力し、前記周囲温度設定手段で設定した前記基準電圧手段の電圧値を反転入力端子に入力し、前記電圧比較器の出力を過電流検出信号としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の過電流検出回路。

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