JP2009525721A

JP2009525721A - 二水準電流制限電源システム

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Publication number: JP2009525721A
Application number: JP2008553229A
Authority: JP
Inventors: ジェイムズフィッツパトリックジョン
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2009-07-09
Also published as: US20090219654A1; EP1979797A1; CN101336399B; BRPI0621012A2; WO2007089323A1; CN101336399A

Abstract

本二水準電流制限電源システム（１００）は、電流が過負荷状態の間、熱応力を減少させる能力がある。例示的一実施形態によれば、本電源システム（１００）は、負荷へ供給された電流を測定するための測定デバイス（Ｒ６〜Ｒ９、２２、Ｖ２、Ｑ３）、ならびに電流が第１の試験期間の間第１の閾値を超過する場合、第１の不作動期間の間電流を不作動状態にすること、および電流が第２の試験期間の間第２の閾値を超過する場合第２の不作動期間の間電流を不作動状態にすることのための処理装置（２８）を含む。

Description

本発明は、一般に電源システムに係り、そして特に、過負荷状態の間、熱応力を減少させる能力がある二水準電流制限電源システムに関する。

単一水準の電流制限電源は、過負荷状態の間、過度の電力を消散する傾向がある。電力消散の概念は、以下の例から理解可能である。電源要素（例えばレギュレータなど）がその両端の間に、正常動作モードの間は通常は２Ｖの電圧降下を有するものと仮定する。この例において、要素を通して流れる電流が５００ｍＡである場合、１Ｗの電力（すなわち２Ｖ×５００ｍＡ）がその要素により消散されねばならない。例えば、電源出力で短絡が生成されると、より深刻な状態が出現する場合がある。この例において、電源出力が短絡された場合に、電源要素（例えばレギュレータなど）がその間に２０Ｖの電圧降下を有するものと仮定する。この例において、要素を通して流れる電流が５００ｍＡである場合、１０Ｗの電力（すなわち２０Ｖ×５００ｍＡ）が要素により消散されなければならない。以上の例において、電力消散の結果として、電源の要素への熱応力損傷の危険性が増加する場合がある。

過度の電力消散に関連付けられた潜在的な問題に対応するための１つの方法は、単純により高い電流を取り扱う能力を有する電源システムを構築することである。しかしながら、電源システムの電流を取り扱う能力を増加させることに関する問題は、結果として起こる費用の増加であり、特に費用に敏感なアプリケーションにとっては容認できない場合がある。従って、過負荷状態の間に熱応力を減少させる能力を有するが、しかしその設計に対して多大な費用は追加しない電源システムを作り出すことが望ましい。

本発明の態様により電源を保護するための装置が開示される。典型的な一実施形態によれば、本装置は、負荷に供給された電流を測定するための第１の手段、ならびに電流が第１の試験期間の間第１の閾値を超過する場合、第１の不作動期間の間その負荷への電流を不作動状態にするための、および電流が第２の試験期間の間第２の閾値を超過する場合第２の不作動期間の間その負荷への電流を不作動状態にするための、第２の手段を備える。

本発明のもう一つの態様により電源を保護するための方法が開示される。例示的一実施形態によれば、本方法は、負荷に供給された電流を測定すること、電流が第１の試験期間の間第１の閾値を超過する場合第１の不作動期間の間その負荷への電流を不作動状態にすること、および電流が第２の試験期間の間第２の閾値を超過する場合第２の不作動期間の間その負荷への電流を不作動状態にすること、のステップを備える。

本発明のさらに別の態様により電源保護装置が開示される。例示的一実施形態によれば、本電源保護装置は、負荷に供給された電流を測定するための測定デバイス、ならびに電流が第１の試験期間の間第１の閾値を超過する場合第１の不作動期間の間その負荷への電流を不作動状態にするための、および電流が第２の試験期間の間第２の閾値を超過する場合第２の不作動期間の間その負荷への電流を不作動状態にするための、処理装置を備える。

本発明の上で述べられたならびに他の特徴および利点、ならびにそれらを達成する方法は、付属された図面に関連して、為された本発明の実施形態の以下の記述を参照することにより、より明らかにされることになり、かつ本発明がより良く理解されることになる。ここに提示された例示は、本発明の好適な実施形態を例証するものであり、そしてそのような例示は、いかなる形においても本発明の範囲を限定するものとして理解されるべきものではない。

本出願は、２００６年２月２日に米国特許商標局（ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔａｎｄＴｒａｄｅｍａｒｋＯｆｆｉｃｅ）において出願された仮出願、およびそこで割り当てられたシリアル番号６０／７６４５８１に対する優先権、およびそれから生じるすべての利益を請求するものである。

ここで図面、および特に図１を参照すると、本発明の例示的一実施形態による電源システム１００が示される。図１に示されるように電源システム１００は、ブースト電源１０と、レギュレータ２０と、電流制御回路３０とを備える。レギュレータ２０は、電圧源Ｖ１と、抵抗Ｒ１〜Ｒ５と、トランジスタＱ１とＱ２と、演算増幅器１２とを備える。電圧源Ｖ１に対する例示的値は５Ｖである。抵抗Ｒ１〜Ｒ５に対する例示的値は、それぞれ１０ｋΩ、１ｋΩ、１０ｋΩ、１０ｋΩ、および１０ｋΩである。設計選択に従い、上記の例示的値以外の値も、また使用可能であろう。

例示的一実施形態によれば、電源システム１００は、衛星電波受信機において採用される。この例示的実施形態によれば、電源システム１００は、セットトップボックスなどの電子デバイスの中で実施されることができ、かつ図１において参照された負荷は、衛星電波受信機の低雑音ブロック（ＬｏｗＮｏｉｓｅＢｌｏｃｋ：ＬＮＢ）を表すことができる。もちろん当業者は、電源システム１００が他のアプリケーションにおいてもまた採用される場合があることを認識するであろう。

図１の電源システム１００に関して、ある状態における電力消散によりレギュレータ２０の要素への熱応力損傷の危険性がある。例えば、図１に示されるように、正常動作モードの間、レギュレータ２０のトランジスタＱ１の両端の間に通常２ボルトの電圧降下があると仮定する。このシナリオにおいては、レギュレータ２０を通して流れる電流が５００ｍＡである場合、１Ｗの電力（すなわち２Ｖ×５００ｍＡ）がレギュレータ２０により消散させられなければならない。これはソフト障害（ｓｏｆｔｆａｕｌｔ）状態であるとみなすことができる。例えば、レギュレータ２０上により重い負荷がかかると、より重大な、ハード障害（ｈａｒｄｆａｕｌｔ）状態が現れる場合がある。例えば、レギュレータ２０のトランジスタＱ１の間に２Ｖの電圧降下があり、かつレギュレータ２０を通して流れる電流が７００ｍＡであると仮定すると、１．４Ｗの電力（すなわち２Ｖ×７００ｍＡ）がレギュレータ２０により消散されねばならない。以下に記述されるように、本発明はこれらのタイプの障害状態を取り扱うこと、およびその結果、レギュレータ２０の要素に対する熱応力損傷の危険性を減少させることの能力がある。

本発明の原理によれば、電源システム１００は二水準の電流制限技法を使用し、電流過負荷状態の間にレギュレータ２０に対する熱応力を減少させる。例示的一実施形態によれば、電源システム１００は、５００および７００ｍＡの２つの電流閾値を採用する。レギュレータ２０を通して負荷へ流れる電流が５００ｍＡ未満である場合、電源システム１００は正常動作モードにある。しかしながら、レギュレータ２０を通して負荷へ流れる電流が第１の試験期間（例えば１秒など）の間５００ｍＡに達するか、または超過する場合、電流制御回路３０がこの状態を検出し、そして制御信号Ｃを供給し、第１の不作動期間（例えば１秒など）の間レギュレータ２０を不作動状態にする（すなわちオフにする）。さらに、レギュレータ２０を通して負荷へ流れる電流が第２の試験期間（例えば３５ミリ秒など）の間７００ｍＡを超過する場合、電流制御回路３０がこの状態を検出し、そして制御信号Ｃを供給し、第２の不作動期間（例えば１．２５秒など）の間レギュレータ２０を不作動状態にする。この様にレギュレータ２０を不作動状態にすることにより、本発明はレギュレータ２０の要素への潜在的熱応力損傷を有利に減少させる。

図２を参照すると、本発明の例示的一実施形態による図１の電流制御回路３０のさらなる詳細を示す図が示される。図２に示されるように、電流制御回路３０は、電圧源Ｖ２とＶ３と、抵抗Ｒ６〜Ｒ１４と、トランジスタＱ３と、演算増幅器２２と、コンパレータ２４と２６と、処理装置２８とを備える。電圧源Ｖ２とＶ３に対する例示的値は、それぞれ３０Ｖおよび３．３Ｖである。抵抗Ｒ６〜Ｒ１４に対する例示的値は、それぞれ０．１Ω、１ｋΩ、１ｋΩ、３３ｋΩ、１２ｋΩ、８ｋΩ、２０ｋΩ、１０ｋΩ、および１０ｋΩである。設計選択に従い、以上の例示的値以外の値もまた、使用可能であろう。

図２においては、負荷（例えばＬＮＢ）に供給された電流の大きさを測定するための測定デバイスとして、演算増幅器２２およびその関連回路が動作する。例示的一実施形態によれば、電圧源Ｖ２、抵抗Ｒ６〜Ｒ９、トランジスタＱ３、および演算増幅器２２は、電流から電圧への変換器として動作し、負荷に供給された電流の大きさに対応する大きさを有する電圧を作り出す。コンパレータ２４および２６は、この電流から電圧への変換器から作り出された出力電圧を受信し、かつ閾値検出器として動作し、その結果負荷に供給された電流（電流から電圧への変換器の出力電圧に対応する）が、ある予め定められた閾値に達したかを検出する。

例示的一実施形態によれば、負荷に供給された電流が第１の閾値５００ｍＡに等しいかまたはこれを超過する場合、コンパレータ２６が第１の検出信号Ａを論理的ハイ状態にして処理装置２８へ供給する。負荷に供給された電流が第１の閾値５００ｍＡ未満である場合、第１の検出信号Ａは論理的ロー状態にある。また、この例示的実施形態によれば、負荷に供給された電流が第２の閾値７００ｍＡを超過する場合、コンパレータ２４が第２の検出信号Ｂを論理的ハイ状態にして処理装置２８へ供給する。負荷に供給された電流が第２の閾値７００ｍＡ未満である場合、第２の検出信号Ｂは論理的ロー状態にある。

処理装置２８は、それぞれコンパレータ２６および２４から供給された第１および第２の検出信号ＡおよびＢに応答して、負荷に供給された電流を制御するように動作する。ここに記述された例示的実施形態によれば、レギュレータ２０を通して負荷へ流れる電流が５００ｍＡ未満である場合、電源システム１００は正常動作モードにある。しかしながら、レギュレータ２０を通して負荷へ流れる電流が第１の試験期間（例えば１秒など）の間５００ｍＡに達するか、または超過する場合、処理装置２８がコンパレータ２６からの論理的ハイ状態にある第１の検出信号Ａに応答してこの状態を検出し、そして制御信号Ｃを供給し、第１の不作動期間（例えば１秒など）の間レギュレータ２０を不作動状態にする（すなわちオフにする）。さらに、レギュレータ２０を通して負荷へ流れる電流が第２の試験期間（例えば３５ミリ秒など）の間７００ｍＡを超過する場合、処理装置２８はコンパレータ２４からの論理的ハイ状態にある第２の検出信号Ｂに応答してこの状態を検出し、そして制御信号Ｃを供給し、第２の不作動期間（例えば１．２５秒など）の間レギュレータ２０を不作動状態にする。この様にレギュレータ２０を不作動状態にすることにより、本発明はレギュレータ２０の要素への潜在的熱応力損傷を有利に減少させる。本発明の原理による設計選択の問題として、ここに参照された特定の電流閾値、試験期間、および不作動期間は単に例示的なものであること、および他の電流閾値、試験期間、および不作動期間もまた、採用されうることに留意するべきである。

図３を参照すると、本発明の例示的一実施形態によるタイミングチャートを表す図が示される。特に、図３のタイミングチャートは、処理装置２８上で記述された動作を例証する。時点１において、負荷への電流は５００ｍＡ未満であり、そして電源システム１００は正常動作モードにある。時点２において、負荷への電流は５００ｍＡを超過し、コンパレータ２６が第１の検出信号Ａを論理的ハイ状態にして出力する。処理装置２８は、論理的ハイ状態にある第１の検出信号Ａに応答して、第１の試験期間（例えば１秒など）を測定するために使用される第１の内部タイマＴ１を始動する。第１の内部タイマＴ１が時点３まで経過すると、処理装置２８は制御信号Ｃを出力し、第１の不作動期間（例えば１秒など）の間、負荷への電流が再度作動状態とされる時点４において終了するまで、レギュレータ２０を不作動状態にする（すなわちオフにする）。次に時点５において、負荷への電流は７００ｍＡを超過し、コンパレータ２４が第２の検出信号Ｂを論理的ハイ状態にして出力する。処理装置２８は、論理的ハイ状態にある第２の検出信号Ｂに応答して、第２の試験期間（例えば３５ミリ秒など）を測定するために使用される第２の内部タイマＴ２を始動する。第２の内部タイマＴ２が時点６まで経過すると、処理装置２８は制御信号Ｃを出力し、第２の不作動期間（例えば１．２５秒など）の間、負荷への電流が再度作動状態とされる時点７において終了するまで、レギュレータ２０を不作動状態にする。

図４を参照すると、本発明の例示的一実施形態による電源を保護するためのステップを例証するフローチャート４００が示される。例証および説明の目的のために、図４のステップは、図１の電源システム１００および図２に示された電流制御回路３０に関して記述される。図４のステップは単に例示的なものであり、かついかなる方法によっても本発明を限定することを意図するものではない。

ステップ４０５において、電源システム１００は正常動作モードにある。ステップ４１０において、電流試験が実行され、負荷（例えばＬＮＢ）に供給された電流の大きさを測定する。例示的一実施形態によれば、電流制御回路３０は、負荷（例えばＬＮＢ）に供給された電流の大きさに対応する大きさを有する電圧を生成する。本例示的実施形態によれば、電流制御回路３０の電圧源Ｖ２、抵抗Ｒ６〜Ｒ９、トランジスタＱ３、および演算増幅器２２が、負荷に供給された電流の大きさに対応する大きさを有する電圧を生成する電流から電圧への変換器として動作する。コンパレータ２４および２６は、この電流から電圧への変換器から供給された出力電圧を受信し、そして負荷に供給された電流（電流から電圧への変換器の出力電圧に対応する）が、ある予め定められた閾値に達したかを検出する。例示的一実施形態によれば、コンパレータ２６は、負荷に供給された電流が第１の閾値５００ｍＡに等しいかまたはこれを超過する場合に、第１の検出信号Ａを論理的ハイ状態にして処理装置２８へ供給し、そしてコンパレータ２４は、負荷に供給された電流が第２の閾値７００ｍＡを超過する場合に、第２の検出信号Ｂを論理的ハイ状態にして処理装置２８へ供給する。このように処理装置２８は、第１および第２の検出信号ＡおよびＢの論理的状態に基づき、負荷に供給された電流の大きさを決定する。

ステップ４１０の電流試験が、電流が５００ｍＡ未満であることを示す場合、処理フローはステップ４１５に進み、処理装置２８が第１および第２の内部タイマＴ１およびＴ２を予め定められた初期値（例えば０）にリセットする。以前に上で表されたように、これらの第１および第２の内部タイマＴ１およびＴ２は、それぞれ第１および第２の試験期間を測定する。処理フローは、ステップ４１５から正常動作モードにあるステップ４０５に戻る。

ステップ４１０の電流試験が、電流が５００ｍＡ以上であるが、７００ｍＡ以下であることを示す場合、処理フローはステップ４２０に進み、処理装置２８が第１のタイマＴ１をインクリメントする。処理フローはステップ４２０からステップ４２５に進み、処理装置２８が、第１のタイマＴ１が満了したか否かを判定する。例示的一実施形態によれば、例示的な第１の試験期間に対応する１秒に達したときに、第１のタイマＴ１は満了する。ステップ４２５において、第１のタイマＴ１が満了していない場合、処理フローはステップ４１０に戻り、電流試験が再び実行される。

ステップ４１０の電流試験が、電流が７００ｍＡより大きいことを示す場合、処理フローはステップ４３０に進み、処理装置２８が第２のタイマＴ２をインクリメントする。処理フローは、ステップ４３０からステップ４３５に進み、処理装置２８が、第２のタイマＴ２が満了したか否かを判定する。例示的一実施形態によれば、例示的な第２の試験期間に対応する３５ミリ秒に達したときに、第２のタイマＴ２は満了する。ステップ４３５において、第２のタイマＴ２が満了していない場合、処理フローはステップ４１０に戻り、電流試験が再び実行される。

処理装置２８が、ステップ４２５において、第１のタイマＴ１が満了している、またはステップ４３５において、第２のタイマＴ２が満了していると判定した場合、処理フローはステップ４４０に進み、処理装置２８が負荷への電流を不作動状態にする。例示的一実施形態によれば、処理装置２８は、制御信号Ｃを出力することにより、負荷への電流を不作動状態にする（図２および図３参照）。処理フローはステップ４４０からステップ４４５へ進み、処理装置２８が適切な不作動期間の間待機する。例示的一実施形態によれば、処理装置２８は、ステップ４２５において第１のタイマＴ１が満了した場合、第１の不作動期間（例えば１秒など）の間待機し、そしてステップ４３５において第２のタイマＴ２が満了した場合、第２の不作動期間（例えば１．２５秒など）の間待機する。ステップ４４５において処理装置２８が適切な不作動期間の間待機した後に、処理フローはステップ４５０に進み、処理装置２８が制御信号Ｃの論理状態をシフトさせることにより負荷への電流を再度作動状態にする（図３を参照）。処理フローはステップ４５０からステップ４１５に戻り、処理装置２８が第１および第２の内部タイマＴ１およびＴ２を予め定められた初期値（例えば０）にリセットする。

ここに記述されたように、本発明は、電流過負荷状態の間、熱応力を減少させる能力のある二水準で電流を制限する電源システムを提供する。本発明の好適な実施形態がここに特定の電流閾値、試験期間、および不作動期間に関して記述されて来たが、これらは単に例示的なものであり、かついかなる方法においても本発明を限定することを意図するものではないことに再度注意すべきである。当業者は、設計選択に従い、他の電流閾値、試験期間、および不作動期間をもまた採用することができることを認識するであろう。本発明は、電源システムを採用する様々なタイプの応用に適用することができる。本発明が好適な設計を有するとして記述されてきたが、本発明は本開示の精神および範囲の中でさらに修正されることが可能である。したがって、この出願は本発明のその一般的原理を使用した、如何なる変形、使用法、または翻案をも範囲とすることを意図するものである。さらにこの出願は、本発明が関係している、そして付加された請求範囲の限定内に入る、技術分野において既知な、または慣行的実施に含まれるような、本開示からの逸脱を範囲とすることを意図するものである。

本発明の例示的一実施形態による電源システムの図である。本発明の例示的一実施形態による、図１の電流制御回路のさらなる詳細を示す図である。本発明の例示的一実施形態による、タイミングチャートを表す図である。本発明の例示的一実施形態による、電源を保護するためのステップを例証するフロー図である。

Claims

電源を保護するための装置（３０）であって、
負荷に供給される電流を測定するための第１の手段（Ｒ６〜Ｒ９、２２、Ｖ２、Ｑ３）と、
第１の試験期間の間前記電流が第１の閾値を超過する場合、前記負荷への前記電流を第１の不作動期間の間不作動状態にするため、および第２の試験期間の間前記電流が第２の閾値を超過する場合、前記負荷への前記電流を第２の不作動期間の間不作動状態にするための第２の手段（２８）と
を備えることを特徴とする装置（３０）。
前記第１の閾値は、前記第２の閾値より小さいことと、
前記第１の不作動期間は、前記第２の不作動期間より短いことと、
前記第１の試験期間は、前記第２の試験期間より長いことと
を特徴とする請求項１に記載の装置（３０）。
前記負荷が、衛星電波受信機の低雑音ブロックを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置（３０）。
前記電流が前記第１の閾値を超過する場合、第１の検出信号（Ａ）を前記第２の手段（２８）に供給するための第３の手段（２６）と、
前記電流が前記第２の閾値を超過する場合、第２の検出信号（Ｂ）を前記第２の手段（２８）に供給するための第４の手段（２４）と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置（３０）。
前記第１の手段（Ｒ６〜Ｒ９、２２、Ｖ２、Ｑ３）が、前記電流に対応する電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載の装置（３０）。
前記第１および第２の不作動期間の１つの間前記電流が不作動状態にされた後に、前記第２の手段（２８）が、前記負荷への前記電流を作動状態にすることを特徴とする請求項１に記載の装置（３０）。
電源を保護するための方法（４００）であって、
負荷に供給された電流を測定するステップ（４１０）と、
第１の試験期間の間前記電流が第１の閾値を超過する場合、前記負荷への前記電流を第１の不作動期間の間不作動状態にするステップ（４２０、４２５、４４０、４４５）と、
第２の試験期間の間前記電流が第２の閾値を超過する場合、前記負荷への前記電流を第２の不作動期間の間不作動状態にするステップ（４３０、４３５、４４０、４４５）と
を備えることを特徴とする方法（４００）。
前記第１の閾値は、前記第２の閾値より小さいことと、
前記第１の不作動期間は、前記第２の不作動期間より短いことと、
前記第１の試験期間は、前記第２の試験期間より長いことと
を特徴とする請求項７に記載の方法（４００）。
前記負荷が、衛星電波受信機の低雑音ブロックを備えることを特徴とする請求項７に記載の方法（４００）。
前記電流が前記第１の閾値を超過する場合、第１の検出信号（Ａ）を生成するステップと、
前記電流が前記第２の閾値を超過する場合、第２の検出信号（Ｂ）を生成するステップと
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の方法（４００）。
前記測定するステップ（４１０）が、前記電流に対応する電圧を生成することを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法（４００）。
前記第１および第２の不作動期間の１つの間前記電流が不作動状態にされた後に、前記負荷への前記電流を作動状態にするステップ（４５０）をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の方法（４００）。
負荷に供給された電流を測定するための測定デバイス（Ｒ６〜Ｒ９、２２、Ｖ２、Ｑ３）と、
第１の試験期間の間前記電流が第１の閾値を超過する場合、前記負荷への前記電流を第１の不作動期間の間不作動状態にするため、および第２の試験期間の間前記電流が第２の閾値を超過する場合、前記負荷への前記電流を第２の不作動期間の間不作動状態にするための処理装置（２８）と
を備えることを特徴とする電源保護装置（３０）。
前記第１の閾値は、前記第２の閾値より小さいことと、
前記第１の不作動期間は、前記第２の不作動期間より短いことと、
前記第１の試験期間は、前記第２の試験期間より長いことと
を特徴とする請求項１３の電源保護装置（３０）。
前記負荷が、衛星電波受信機の低雑音ブロックを備えることを特徴とする請求項１３の電源保護装置（３０）。
前記電流が前記第１の閾値を超過する場合、第１の検出信号（Ａ）を前記処理装置（２８）に供給するために、第１の比較器（２６）が前記測定デバイス（Ｒ６〜Ｒ９、２２、Ｖ２、Ｑ３）に接続されることと、
前記電流が前記第２の閾値を超過する場合、第２の検出信号（Ｂ）を前記処理装置（２８）に供給するために、第２の比較器（２４）が前記測定デバイス（Ｒ６〜Ｒ９、２２、Ｖ２、Ｑ３）に接続されることと
をさらに備えることを特徴とする請求項１３の電源保護装置（３０）。
前記測定デバイス（Ｒ６〜Ｒ９、２２、Ｖ２、Ｑ３）が、前記電流に対応する電圧を生成することを特徴とする請求項１３の電源保護装置（３０）。
前記第１および第２の不作動期間の１つの間前記電流が不作動状態にされた後に、前記処理装置（２８）が、前記負荷への前記電流を作動状態にすることを特徴とする請求項１３の電源保護装置（３０）。