JP2009261100A

JP2009261100A - スイッチング電源の過電流保護回路

Info

Publication number: JP2009261100A
Application number: JP2008105923A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Watanabe; 淳渡邊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】入力電圧の変動による過電流保護回路の電流の制限値の変化を小さくしたスイッチング電源の過電流保護回路を提供する。
【解決手段】スイッチング電源１の過電流保護回路において、電源からの入力端子４と過電流信号検出端子６Ｂの間に電流信号補正用抵抗１４を挿入し、電流信号補正用抵抗１４の挿入により電流検出抵抗１１で検出される電流信号に重畳される電圧が、ＲＣフィルタ１２１３による信号の減衰分を打ち消すように電流信号補正用抵抗１４の抵抗値を設定することにより、電流信号のＲＣフィルタ１２１３による減衰分を補正し、スイッチング電源の入力電圧変動による電流の制限値の変化を抑制する。
【選択図】図１

Description

この発明は一般の電子機器に使用されるスイッチング電源に組み込まれる過電流保護回路の改良に関するものである。

従来のこの種のスイッチング電源の過電流保護回路として、スイッチング素子の駆動により出力電力を制御する装置における当該スイッチング素子の過電流保護回路であって、前記スイッチング素子に直列に接続され当該スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出抵抗と、該電流検出抵抗に誘起されるノイズを除去するＲＣフィルタと、該ＲＣフィルタを通して取出される前記電流検出抵抗の検出値が所定値を超えたとき前記スイッチング素子を非駆動状態に設定する主回路と、前記ＲＣフィルタを構成するコンデンサの電荷を前記スイッチング素子の非駆動期間に放電させる放電回路とを有することを特徴とする過電流保護回路があった(例えば下記特許文献１参照)。

特開平５−８３９３２号公報

従来のこの種のスイッチング電源の過電流保護回路では、入力電圧の変動によりスイッチング電源での電流の制限値が大きく変化するという問題があった。

この発明は、入力電圧の変動による過電流保護回路の電流の制限値の変化を小さくすることができるスイッチング電源の過電流保護回路を提供することを目的とする。

この発明は、スイッチング素子の駆動により電源からの出力電力を制御するスイッチング電源の過電流保護回路であって、前記スイッチング素子とグランドの間に接続されスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出抵抗と、前記スイッチング素子に接続されてＰＷＭ方式でスイッチング制御すると共に、前記電流検出抵抗に接続され検出された電流値を電流信号として受ける過電流信号検出端子を有し、前記電流信号値が閾値を超えた時に前記スイッチング素子を非駆動状態に設定する制御回路と、前記電流検出抵抗と前記過電流信号検出端子の間に挿入され前記電流検出抵抗で誘起されるノイズを除去するＲＣフィルタと、前記電源からの入力端子と前記過電流信号検出端子の間に挿入された電流信号補正用抵抗であって、前記電流信号補正用抵抗の挿入により前記電流信号に重畳される電圧が、前記ＲＣフィルタによる前記電流信号の減衰分を打ち消すように抵抗値が設定されているものと、を備えたことを特徴とするスイッチング電源の過電流保護回路にある。

この発明では、入力電圧の変動による電流の制限値の変化を小さくすることができる。

この発明による実施の形態を説明する前に、従来のスイッチング電源の過電流保護回路の課題についてもう少し詳しく説明する。スイッチング電源は、小型化・高効率化が可能であることから電子回路用電源として広く使用されているが、負荷の電子回路の異常によりその負荷の入力インピーダンスが低くなった場合においても負荷に流れ込む電流を適切に制限するための、過電流保護機能を有することが必要となる。

図４は絶縁型のスイッチング電源に組み込まれた従来の過電流保護回路の構成の一例を示した図で、１はスイッチング電源、２はスイッチング電源１に入力電圧Ｖｉｎを供給する直流電源(電源)、３はスイッチング電源１から電力を供給される負荷、４は入力電圧Ｖｉｎが印加される入力端子、５は出力電圧を制御するための電力のスイッチング素子(例えばＭＯＳＦＥＴ)である。６はスイッチング素子５をＰＷＭ(Pulse Width Modulation：パルス幅変調)方式で制御する制御回路(ＰＷＭ制御ＩＣ)であり、６Ａはスイッチング素子５のスイッチング動作を制御するためのパルス信号を出力するスイッチング素子制御用端子、６Ｂは電流検出抵抗１１で検出された電流信号が入力される過電流信号検出端子であり、制御回路６は過電流が検出されると直ちにパルス信号を停止する。６Ｃはフィードバック(Ｆ／Ｂ)回路１０からのスイッチング電源１の出力電圧のフィードバック信号を入力するデューティ制御端子であり、制御回路６はフィードバック信号に従ってパルス信号のデューティを調節する。

７はトランス、７Ａはトランス７の一次巻線、７Ｂはトランス７の二次巻線、８はダイオード等で構成される整流回路、９は平滑回路、１０はスイッチング電源１の出力電圧をフィードバックするフィードバック(Ｆ／Ｂ)回路、１１は電流検出抵抗、１２は抵抗、１３はコンデンサである。抵抗１２とコンデンサ１３はＲＣフィルタ１２１３を構成し、誤動作の原因となる電流検出抵抗１１に誘起される高周波ノイズを除去するために設けられている。

図４において、スイッチング素子５のオン・オフのスイッチング動作によって、直流電源２からトランス７の一次巻線７Ａへの電力供給が制御されて直流電力が交流電力に変換される。この交流電力は一次巻線７Ａから二次巻線７Ｂに伝達されて出力される。二次巻線７Ｂから出力された交流電力は整流回路８により整流され、また、平滑回路９により平滑され直流電力に変換され、スイッチング電源１の出力電圧として負荷３に出力される。スイッチング電源の出力電圧はフィードバック回路１０を介して制御回路６のデューティ制御端子６Ｃに入力され、制御回路６はデューティ制御端子６Ｃに入力されるフィードバック信号によりスイッチング素子５をＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御し、スイッチング素子５をオン・オフするデューティ比を調節して、スイッチング電源１の出力電圧を安定化する。

次に過電流保護機能について説明する。この過電流保護機能はパルスバイパルス過電流保護機能と称され、１パルス毎にリミッタが動作するようになっている。スイッチング素子５に過電流が流れると、電流検出抵抗１１の検出電圧が大きくなり、この検出電圧は、抵抗１２とコンデンサ１３にて構成されるＲＣフィルタ１２１３にてノイズを除去され、制御回路６の過電流信号検出端子６Ｂに入力される。制御回路６は過電流信号検出端子６Ｂの電圧が閾値に達すると、内部ラッチ(図示省略)をセットし、この内部ラッチがセットされている状態では、制御回路６はスイッチング素子５へのパルス信号を停止し、スイッチング素子５を強制的にオフにする。そして次の周期になるとラッチが解除され再びスイッチング素子５はオンになる。このように動作することにより、スイッチング電源１は電流検出抵抗１１に制限値以上の電流が流れることを防止し、過電流に対する回路の保護を実現している。

図５は図４の回路の動作を説明するための波形図であり、(ａ)はオンデューティが大きい時、(ｂ)はオンデューティが小さい時のそれぞれ、破線は電流検出抵抗１１に発生する電圧Ｖ_ＲＣＳ、実線はＲＣフィルタ１２１３通過後の制御回路６に入力される電圧Ｖ_ＣＬＭを示す。図５の(ａ)に示すとおり、電流検出抵抗１１に発生する電圧Ｖ_ＲＣＳに対し、ＲＣフィルタ１２１３通過後の電圧Ｖ_ＣＬＭは鈍っており、Ｖ_ＲＣＳのピーク値とＶ_ＣＬＭのピーク値(閾値)には電位差ΔＶが生じる。制御回路６はこの鈍った波形が閾値に達するとスイッチング素子５へのパルス信号を停止し、過電流保護機能が動作する。図５の(ｂ)に示すとおり、オンデューティが小さくなると、パルス幅が小さくなり、ＲＣフィルタ１２１３による鈍りの度合いが顕著になる。このためΔＶは大きくなり、過電流保護機能が動作する電流値が大きくなる。すなわち、オンデューティが小さく程、電流検出抵抗１１に流れる電流がより大きくならないと過電流保護機能が動作しない。

ところで、一般にスイッチング電源においては入力電圧Ｖｉｎが高い時程、オンデューティが小さくなるので、結果的に、入力電圧Ｖｉｎが高い時程、電流の制限値が大きくなってしまう。このように従来の過電流保護回路では入力電圧Ｖｉｎの変動により、電流の制限値が大きく変化するという問題があった。

以下この発明による過電流保護回路を、図を用いて各実施の形態に従って説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるスイッチング電源の過電流保護回路の構成を示す図であり、絶縁型のスイッチング電源に組み込まれた状態を示したものである。１はスイッチング電源、２はスイッチング電源１に入力電圧Ｖｉｎを供給する直流電源、３はスイッチング電源１から電力を供給される負荷、４は入力電圧Ｖｉｎが印加される入力端子、５は出力電圧を制御するためのスイッチング素子(例えばＭＯＳＦＥＴ)である。６はスイッチング素子５をＰＷＭ方式で制御する制御回路(ＰＷＭ制御ＩＣ)であり、６Ａはスイッチング素子５のスイッチング動作を制御するためのパルス信号を出力するスイッチング素子制御用端子、６Ｂは電流検出抵抗１１で検出された電流信号が入力される過電流信号検出端子であり、制御回路６は過電流が検出されると直ちにパルス信号を停止する。６Ｃはフィードバック(Ｆ／Ｂ)回路１０からのスイッチング電源１の出力電圧のフィードバック信号を入力するデューティ制御端子であり、制御回路６はフィードバック信号に従ってパルス信号のデューティを調節する。

７はトランス、７Ａはトランス７の一次巻線、７Ｂはトランス７の二次巻線、８はダイオード等で構成される整流回路、９は平滑回路、１０はスイッチング電源１の出力電圧をフィードバックするフィードバック回路、１１は電流検出抵抗、１２は抵抗、１３はコンデンサである。抵抗１２とコンデンサ１３はＲＣフィルタ１２１３を構成し、誤動作の原因となる電流検出抵抗１１に誘起される高周波ノイズを除去するために設けられている。１４は電流信号補正用抵抗で、入力端子４と制御回路６の過電流信号検出端子６Ｂの間に接続され、ＲＣフィルタ１２１３を構成する抵抗１２に電流を供給する。

通常、過電流信号検出端子６Ｂの電圧Ｖ_ＣＬＭはスイッチング電源の入力電圧Ｖｉｎに比べて小さいため、電流信号補正用抵抗１４には、入力電圧Ｖｉｎにほぼ比例した電流が流れる。この電流は抵抗１２に流れるため、抵抗１２の両端に発生する電圧にはこの電流に比例した電圧が重畳される。ここで、抵抗１２の抵抗値をＲ_１２、電流信号補正用抵抗１４の抵抗値をＲ_１４とすると、重畳される電圧Ｖ_Ａは、Ｒ_１４＞＞Ｒ_１２、Ｒ_１１を前提に、下記の式(１)で表される。

Ｖ_Ａ＝Ｖｉｎ×Ｒ_１２÷Ｒ_１４ (１)

従って、過電流信号検出端子６Ｂの電圧Ｖ_ＣＬＭは電流信号補正用抵抗１４がない場合に比べて、この重畳電圧分だけ高い電圧となる。

図２は図１の回路の動作を説明するための波形図であり、(ａ)はオンデューティが大きい時、即ち入力電圧Ｖｉｎが小さい時を示し、(ｂ)はオンデューティが小さい時、即ち入力電圧Ｖｉｎが大きい時のそれぞれ、破線は電流検出抵抗１１に発生する電圧Ｖ_ＲＣＳ、実線はＲＣフィルタ１２１３通過後の制御回路６に入力される電圧Ｖ_ＣＬＭを示す。

前述したとおり、過電流信号検出端子６Ｂの電圧Ｖ_ＣＬＭは電流信号補正用抵抗１４による重畳電圧分だけ高い電圧となり、これは、ＲＣフィルタ１２１３による信号の減衰による影響を緩和する。この重畳電圧は、式(１)に示すように入力電圧Ｖｉｎに比例し、入力電圧Ｖｉｎが小さい時、すなわちＲＣフィルタ１２１３による信号の減衰分が小さい時は重畳電圧が小さく、逆に入力電圧Ｖｉｎが大きい時、つまりＲＣフィルタ１２１３による信号の減衰分が大きい時は重畳電圧が大きくなる。その結果、Ｖ_ＲＣＳのピーク値とＶ_ＣＬＭのピーク値との電位差ΔＶの、入力電圧Ｖｉｎによる変動が小さくなり、電流の制限値の変化を小さくすることが可能となる。重畳電圧の特性は、電流信号補正用抵抗１４の抵抗値によって決まるため、Ｖ_ＲＣＳのピーク値とＶ_ＣＬＭのピーク値との電位差ΔＶが最小になるように電流信号補正用抵抗１４の抵抗値を設定することにより、入力電圧Ｖｉｎの変動による電流の制限値の変化を小さくすることができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２によるスイッチング電源の過電流保護回路の構成を示す図である。上記実施の形態１のものと同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図３において、抵抗１２に重畳される電圧の特性以外については実施の形態１と同じである。図３では、電流信号補正用抵抗１４およびツェナーダイオード１５からなる直列回路が入力端子４と制御回路６の過電流信号検出端子６Ｂの間に接続され、ＲＣフィルタを構成する抵抗１２に電流を供給する。通常、過電流信号検出端子６Ｂの電圧Ｖ_ＣＬＭはスイッチング電源の入力電圧Ｖｉｎに比べて小さいため、電流信号補正用抵抗１４には、入力電圧Ｖｉｎからツェナーダイオード１５のツェナー電圧Ｖｚを引いた値にほぼ比例した電流が流れる。このため、抵抗１２に重畳される電圧Ｖ_Ａは下記の式(２)のようになり、この重畳電圧により、ＲＣフィルタ１２１３による信号の減衰による影響が緩和される。

Ｖ_Ａ＝(Ｖｉｎ−Ｖｚ)×Ｒ_１２÷Ｒ_１４ (２)

式(２)に示すように重畳電圧Ｖ_Ａは入力電圧Ｖｉｎの一次関数となっており、電流信号補正用抵抗１４の抵抗値Ｒ_１４およびツェナーダイオード１５のツェナー電圧Ｖｚを適切に設定することにより、この重畳電圧特性を、実施の形態１による重畳電圧特性に比べて、ＲＣフィルタ１２１３による信号の減衰電圧の特性に近づけることができる。このため、この過電流保護回路では、実施の形態１の過電流保護回路に比べ、入力電圧Ｖｉｎの変動による電流の制限値の変化をさらに小さくすることができる。

この発明の実施の形態１によるスイッチング電源の過電流保護回路の構成を示す図である。図１の回路の動作を説明するための波形図である。この発明の実施の形態２によるスイッチング電源の過電流保護回路の構成を示す図である。絶縁型のスイッチング電源に組み込まれた従来の過電流保護回路の構成の一例を示した図である。図４の回路の動作を説明するための波形図である。

符号の説明

１スイッチング電源、２直流電源(電源)、３負荷、４入力端子、５スイッチング素子、６制御回路、６Ａスイッチング素子制御用端子、６Ｂ過電流信号検出端子、６Ｃデューティ制御端子、７トランス、７Ａ一次巻線、７Ｂ二次巻線、８整流回路、９平滑回路、１０フィードバック(Ｆ／Ｂ)回路、１１電流検出抵抗、１２抵抗、１３コンデンサ、１４電流信号補正用抵抗、１５ツェナーダイオード、１２１３ＲＣフィルタ。

Claims

スイッチング素子の駆動により電源からの出力電力を制御するスイッチング電源の過電流保護回路であって、
前記スイッチング素子とグランドの間に接続されスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出抵抗と、
前記スイッチング素子に接続されてＰＷＭ方式でスイッチング制御すると共に、前記電流検出抵抗に接続され検出された電流値を電流信号として受ける過電流信号検出端子を有し、前記電流信号値が閾値を超えた時に前記スイッチング素子を非駆動状態に設定する制御回路と、
前記電流検出抵抗と前記過電流信号検出端子の間に挿入され前記電流検出抵抗で誘起されるノイズを除去するＲＣフィルタと、
前記電源からの入力端子と前記過電流信号検出端子の間に挿入された電流信号補正用抵抗であって、前記電流信号補正用抵抗の挿入により前記電流信号に重畳される電圧が、前記ＲＣフィルタによる前記電流信号の減衰分を打ち消すように抵抗値が設定されているものと、
を備えたことを特徴とするスイッチング電源の過電流保護回路。
前記電源と前記過電流信号検出端子の間に前記電流信号補正用抵抗と直列接続されるようにツェナーダイオードを挿入し、前記電流信号補正用抵抗及びツェナーダイオードの挿入により前記電流信号に重畳される電圧が、前記ＲＣフィルタによる前記電流信号の減衰分を打ち消すように前記電流信号補正用抵抗の抵抗値及び前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源の過電流保護回路。