JP2010016940A - 過電流制限回路および過電流制限方法 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流だけでなく、それ以外の過電流からも電源回路を保護することを可能にした過電流制限回路を提供する。
【解決手段】交流電源とそこから供給される交流を直流に変換して出力する電源回路とを接続する電流経路に設けられ、電源回路への過電流の流入を制限する保護回路と、電流経路に保護回路と並列に設けられたバイパス回路と、バイパス回路を非導通状態に予め設定し、交流電源による交流供給開始から所定の時間経過後にバイパス回路を導通状態に切り替え、交流電源から出力される電流を監視し、過電流を検出すると、バイパス回路を非導通状態に切り替える検出回路と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、供給される交流を直流に変換して出力する電源回路への過電流の流入を制限するための過電流制限回路、および過電流制限方法に関する。

電源装置における電源回路の過電流保護に、簡易、かつ、小型という利点を有するヒューズが一般的に用いられている。交流電源より供給される交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換して出力する電源回路に対する過電流保護の方法の一例を説明する。

図３は関連する電源装置の一構成例を示すブロック図である。ここでは、入力過電流保護用ヒューズを用いている。

図３に示すように、電源装置は、交流電源ＡＣＰから供給される電力を直流電圧に変換するスイッチング電源回路５０と、交流電圧を直流電圧にするために整流するダイオードブリッジ１２とを有する。交流電源ＡＣＰは電流経路となる配線６１および配線６２を介してダイオードブリッジ１２と接続され、ダイオードブリッジ１２はスイッチング電源回路５０と接続されている。

配線６１には、交流電源ＡＣＰに近い側から、ヒューズ１と、電源装置の起動時に発生する突入電流を温度変化で検出する保護回路２とが順に接続されている。ヒューズ１は、入力過電流保護回路として機能するため、保護回路２よりも交流電源ＡＣＰに近い側に設けられている。また、保護回路２と並列にリレー３が設けられている。

保護回路２は、温度ヒューズ２１および抵抗２２を有する。抵抗２２に突入電流が一定時間以上流れると、抵抗２２の温度が上昇し、温度ヒューズ２１が抵抗２２の温度で溶断する。

リレー３は、スイッチ３１と、磁力によりスイッチ３１を動作させるコイル３２とを有する。コイル３２の両端に定電圧Ｖｃｃが印加されると、コイル３２に電流が流れ、コイル３２に発生する磁場によりスイッチ３１が閉じる。なお、定電圧Ｖｃｃは、スイッチング電源回路５０から供給されるものであってもよく、図に示さない電源回路から供給されるものであってもよい。

スイッチング電源回路５０は、ダイオードブリッジ１２から出力される電圧を平滑する平滑コンデンサ１３、トランス１４、電源制御ＩＣ１５、電流検出抵抗１６、スイッチング素子１７、ダイオード１８、および平滑コンデンサ１９を有する。ＤＣ電圧出力の短絡による過電流に対して、次のようにして、電源制御ＩＣ１５による過電流保護制御で電源回路が保護される。電源制御ＩＣ１５は、ＤＣ電圧出力の電流上昇を電流検出抵抗１６の両端で電圧上昇として検出し、電流検出抵抗１６の両端の電圧が予め設定された基準電圧を超えていると、ＤＣ電圧出力が過電流状態であることを認識し、スイッチング素子１７をオフにする。

次に、図３に示した電源装置における、ＤＣ電圧出力以外の過電流に対する保護方法を説明する。

図３に示す電源装置の起動時には、交流電源ＡＣＰから配線６１を通る電流はヒューズ１および保護回路２を経由してダイオードブリッジ１２に到達する。所定の時間経過後、リレー３に定電圧Ｖｃｃが印加されるとスイッチ３１がオンになり、配線６１を通る電流はヒューズ１およびリレー３を経由してダイオードブリッジ１２に流れるようになる。

このようにして、電源装置の起動時に発生しやすい突入電流に対して、スイッチング電源回路５０はヒューズ１および保護回路２により保護される。電源装置が立ち上がり、ＤＣ電圧の出力が安定すると、交流電流はバイパス回路となるリレー３を経由してダイオードブリッジ１２に流れ込み、ＤＣ電圧出力以外の過電流に対して、スイッチング電源回路５０はヒューズ１を用いた入力過電流保護回路により保護される。

なお、突入電流を電源装置の二次側で制限するための別の方法が特許文献１に開示されている。
特開２０００−２５３６５０号公報

上記ヒューズ１は、通常、電源内部の平滑コンデンサ１３に流入する突入電流に対しての溶断特性で決められるため、実際に使用する定常電流値に対して数倍の電流容量のヒューズが選定される。そのため、ヒューズ自体の溶断特性よりその定格電流の２倍程度の電流を流しても長時間溶断しない特性となっている。

電源装置が安定動作し、リレー３がバイパス回路として機能している状態で、ＤＣ出力以外の箇所による過電流があることも考えられる。この場合、保護回路２も電源制御ＩＣ１５による制御も機能しないので、保護素子であるヒューズ１がその過電流により溶断されなければならないが、上述の特性によりヒューズ１はすぐには溶断せず、溶断するまでに電源回路内の基板パターンや部品に過電流がダメージを与えてしまうおそれがある。

本発明は上述したような技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、突入電流だけでなく、それ以外の過電流からも電源回路を保護することを可能にした過電流制限回路および過電流保護方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の過電流制限回路は、
交流電源と該交流電源から供給される交流を直流に変換して出力する電源回路とを接続する電流経路に設けられ、前記電源回路への過電流の流入を制限する保護回路と、
前記電流経路に前記保護回路と並列に設けられたバイパス回路と、
前記バイパス回路を非導通状態に予め設定し、前記交流電源による交流供給開始から所定の時間経過後に前記バイパス回路を導通状態に切り替え、前記交流電源から出力される電流を監視し、過電流を検出すると、前記バイパス回路を非導通状態に切り替える検出回路と、
を有する構成である。

また、本発明の過電流制限方法は、交流電源と該交流電源から供給される交流を直流に変換して出力する電源回路との間に設けられ、前記電源回路への過電流の流入を制限する保護回路を用いた、前記電源回路に対する過電流制限方法であって、
前記保護回路に並列に配置されたバイパス回路を非導通状態に予め設定し、
前記交流電源による前記交流供給開始から所定の時間経過後に前記バイパス回路を導通状態に切り替え、
前記交流電源から出力される電流を監視し、過電流を検出すると、前記バイパス回路を非導通状態に切り替えるものである。

本発明によれば、電源回路の起動時に発生する突入電流以外の過電流が発生しても、保護回路で電源回路への過電流を遮断することができる。

本発明の過電流制限回路の実施形態を説明する。

本実施形態の過電流制限回路を用いた電源装置の構成を説明する。以下では、図３に示した構成と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１は本実施形態の電源装置の一構成例を示すブロック図である。図１に示す電源装置は、過電流を検出してリレー３を制御する検出回路７０が図３に示した構成に追加されている。本実施形態の過電流制限回路は、保護回路２、リレー３および検出回路７０を有する構成である。

検出回路７０は、過電流を検出するためのコイル７と、検出された電流を整流するダイオード８，９と、平滑コンデンサ１０と、コイル７が過電流を検出するとオンするトランジスタ１１と、リレー３のスイッチ３１の開閉を制御するトランジスタ４と、トランジスタ４のベース電極に印加する電圧を設定するための抵抗５，６とを有する構成である。

コイル７の一方の端子が配線６３を介してトランジスタ１１のベース電極に接続され、コイル７の他方の端子が配線６４を介してトランジスタ１１のエミッタ電極に接続されている。ダイオード８は、配線６３の途中に設けられ、アノード端子がコイル７に接続され、カソード端子がトランジスタ１１のベース電極に接続されている。ダイオード９は、アノード端子が配線６４に接続され、カソード端子がトランジスタ１１のベース電極に接続されている。平滑コンデンサ１０は、一方の端子がトランジスタ１１のベース電極に接続され、他方の端子が接地されている。

コイル７が配線６１に流れる交流電流を検出すると、誘導起電力によって交流電圧が発生し、その交流電圧がダイオード８，９および平滑コンデンサ１０により平滑され、平滑された電圧がトランジスタ１１のベース電極に印加される。コイル７に生じる起電力は、コイル７が正常な交流電流を検出したときよりも過電流を検出したときの方が大きい。

トランジスタ１１は、コレクタ電極が抵抗５と抵抗６の間に接続され、エミッタ電極が接地されている。トランジスタ１１は、正常な交流電流による起電力による電圧がベース電極に印加されても、オフのままであるが、コイル７が過電流を検出して生じる起電力による電圧がベース電極に印加されるとオンになる。

トランジスタ４は、ベース電極が抵抗５と抵抗６の間に接続され、コレクタ電極がリレー３のコイル３２の一方の端子と接続され、エミッタ電極が接地されている。トランジスタ４は、定電圧Ｖｃｃが抵抗５，６により分圧された電圧がベース電極に印加されることで、オン状態を維持する。また、トランジスタ１１がオンすることでトランジスタ４のベース電極に印加される電圧が閾値電圧より低くなると、トランジスタ４はオフする。トランジスタ４がオフすると、リレー３のコイル３２に電流が流れなくなる。

ここで、電源装置の起動時に発生する突入電流を保護回路２で制限するための時間を考える。その時間は、本来、発生した突入電流が減衰してスイッチング電源回路５０への影響が無視できるほど小さくなるまでの時間に設定されるのが理想的である。しかし、全ての突入電流の減衰時間を把握するのは困難である。そこで、スイッチング電源回路５０が直流電圧を出力可能になれば、突入電流による影響はなくなっているものと仮定する。この仮定により本実施形態では、上記時間を、交流電源ＡＣＰによる交流供給開始からトランジスタ４に直流電圧が印加されるまでの時間とするが、この場合に限らない。また、スイッチング電源回路５０以外の直流電圧出力回路（不図示）から直流電圧が抵抗５，６に供給されてもよい。

なお、トランジスタ４の閾値電圧、トランジスタ１１の閾値電圧、および抵抗５，６のそれぞれの抵抗値は、正常な交流電流が配線６１に流れるときにコイル７に生じる起電力による電圧と、過電流が配線６１に流れたときにコイル７に生じる起電力の電圧とに基づいて設定される。

保護回路２は、図３で説明したように、突入電流により抵抗２２が発熱し、温度ヒューズ２１が溶断してスイッチング電源回路５０への突入電流の流れ込みを制限する突入電流制限回路として機能する。本実施形態では、上記突入電流の場合に限らず、過電流が入力されると、突入電流の場合と同様にスイッチング電源回路５０への過電流の流れ込みを制限する。このことから、保護回路２は、過電流保護回路として機能する。

図２は交流電流検出用のコイルの一構成例を示す外観模式図である。図２に示す回路基板６５に検出回路７０を設けているが、この図ではコイル７以外の構成を図に示すことを省略している。

検出回路７０のコイル７は、図２に示すように、回路基板６５に２次元の配線パターンで形成されている。配線６１は回路基板６５の表側からコイル７の中心を通って回路基板６５の裏側に抜けるように設けられている。この構成により、図２の左側の交流電源（不図示）から配線６１を介して流れ出た交流電流は、コイル７の中心を通って回路基板６５の表側から裏側に抜ける。なお、回路基板６５には、検出回路７０の他に、スイッチング電源回路５０など他の構成が設けられていてもよい。

次に、図１に示した電源装置の動作を説明する。ここでは、電源装置の立ち上げ後に過電流が発生した場合とする。

電源装置を起動した後、スイッチング電源回路５０が直流電圧の出力を開始すると、トランジスタ４のベース電極に閾値電圧以上の電圧が印加され、トランジスタ４がオンになる。トランジスタ４がオンすることで、リレー３のスイッチ３１がオンして、リレー３が導通状態になる。

コイル７が配線６１に流れる交流電流を検出し、コイル７に生じる誘導起電力による交流電圧がダイオード８，９および平滑コンデンサ１０により平滑され、平滑された電圧がトランジスタ１１のベース電極に印加される。印加される電圧はトランジスタ１１の閾値電圧に達していないため、トランジスタ１１はオンしない。そのため、トランジスタ４はオン状態を維持し、リレー３は導通状態のままである。

ここで、配線６１に過電流が流れると、コイル７が過電流を検出し、コイル７に生じる起電力が正常な交流電流のときよりも大きくなる。トランジスタ１１のベース電極に、過電流によってコイル７に生じる起電力による電圧が印加されると、その電圧が閾値電圧以上であるため、トランジスタ１１はオンする。

トランジスタ１１がオンすると、トランジスタ４のベース電極に印加される電圧が閾値電圧より低くなり、トランジスタ４はオフする。トランジスタ４がオフすると、リレー３のコイル３２に電流が流れなくなり、スイッチ３１がオフする。スイッチ３１がオフすると、リレー３が非導通状態になり、配線６１の電流経路が保護回路２のみを経由する経路に切り替わる。

上記電流経路の切り替えにより、過電流が保護回路２の抵抗２２を流れるようになると、抵抗２２が発熱し、温度ヒューズ２１がその熱により溶断し、交流電源ＡＣＰからスイッチング電源回路５０への電力供給が遮断される。

本実施形態によれば、スイッチング電源回路のＤＣ電圧出力以外での異常による過電流が発生すると、バイパス回路が非導通状態になり、電流経路が保護回路のみを経由する経路に切り替わる。そのため、保護回路に内蔵された温度ヒューズが抵抗の温度上昇を検知し、設定された温度で温度ヒューズが溶断する。その結果、交流電流のスイッチング電源回路への入力が遮断され、過電流がスイッチング電源回路に流れ込むことが制限される。これにより、スイッチング電源回路の基板パターンや部品に過電流がダメージを与えることを防止できる。

また、交流電源からの交流電流の入力直近に簡易的なパターンで交流電流検出用のコイル７を設けることにより、スイッチング電源回路の広範囲に異常を発生させる前に、電流供給源に近いところで過電流が検出される。そして、突入電流制限回路を過電流保護回路として兼用することで、簡素、かつ、低価格で過電流制限回路を作製することができる。

本発明によれば、起動時に発生する突入電流以外の過電流が発生しても、保護回路で電源回路への過電流を遮断することができる。

なお、上述した実施形態において、バイポーラトランジスタの代わりにＭＯＳトランジスタを用いてもよい。

本実施形態の電源装置の一構成例を示すブロック図である。 交流電流検出用のコイルの一構成例を示す外観模式図である。 関連する電源装置の一構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ ヒューズ
２ 保護回路
３ リレー
４，１１ トランジスタ
５，６ 抵抗
７ コイル
８，９ ダイオード
１０，１３，１９ 平滑コンデンサ
１２ ダイオードブリッジ
１４ トランス
１５ 電源制御ＩＣ
１６ 電流検出抵抗
１７ スイッチング素子
１８ ダイオード

Claims (6)

1. 交流電源と該交流電源から供給される交流を直流に変換して出力する電源回路とを接続する電流経路に設けられ、前記電源回路への過電流の流入を制限する保護回路と、
   前記電流経路に前記保護回路と並列に設けられたバイパス回路と、
   前記バイパス回路を非導通状態に予め設定し、前記交流電源による交流供給開始から所定の時間経過後に前記バイパス回路を導通状態に切り替え、前記交流電源から出力される電流を監視し、過電流を検出すると、前記バイパス回路を非導通状態に切り替える検出回路と、
   を有する過電流制限回路。
2. 前記検出回路は、
   前記電流を検出するコイルと、該コイルが前記過電流を検出しない場合、前記バイパス回路を導通状態に維持し、前記コイルが前記過電流を検出する場合、前記バイパス回路を非導通状態にするトランジスタと、を有する請求項１記載の過電流制限回路。
3. 前記コイルは回路基板に２次元の配線パターンで形成され、該コイルの中心を前記電流経路が貫通している、請求項２記載の過電流制限回路。
4. 前記所定の時間は、前記交流供給開始から、前記直流の電圧が前記トランジスタに印加され、該トランジスタが動作可能になるまでの時間である、請求項２または３記載の過電流制限回路。
5. 前記保護回路は、
   前記過電流の入力により発熱する抵抗と、該抵抗の発熱により所定の温度以上になると溶断する温度ヒューズと、を有する請求項１から４のいずれか１項記載の過電流制限回路。
6. 交流電源と該交流電源から供給される交流を直流に変換して出力する電源回路との間に設けられ、前記電源回路への過電流の流入を制限する保護回路を用いた、前記電源回路に対する過電流制限方法であって、
   前記保護回路に並列に配置されたバイパス回路を非導通状態に予め設定し、
   前記交流電源による前記交流供給開始から所定の時間経過後に前記バイパス回路を導通状態に切り替え、
   前記交流電源から出力される電流を監視し、過電流を検出すると、前記バイパス回路を非導通状態に切り替える、過電流制限方法。

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