JP2010279188A - 過電流保護回路 - Google Patents

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
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    • H02H3/093Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means

Abstract

【課題】外付け部品を増やさずに、過電流状態を精度良く検出するとともに、発熱の除去を十分に担保することを可能とする過電流保護回路を提供する。
【解決手段】過電流保護回路は、電源回路が起動すると端子電圧が第1電圧に到達するまでコンデンサを充電する第1動作モードと、電源回路の出力トランジスタに流れる電流が所定値を越えている期間に応じて、端子電圧が第1電圧から第2電圧にむかって上昇するようにコンデンサを充電し、端子電圧が第2電位に到達すると電源回路をシャットダウンさせる第2動作モードと、電源回路をシャットダウンさせると、端子電圧が第3電圧に到達するまでコンデンサを放電し、端子電圧が第3電圧に到達すると電源回路をシャットダウンから解除させる第3動作モードと、を含んで動作すること、を特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、過電流保護回路に関する。
現在、種々の電気機器に電源回路が用いられている。一般に、電源回路には、過電流による電源回路の破壊を防止するために、様々な保護機能が備えられている。
このような保護機能として、短絡などにより出力トランジスタに過電流が流れていることを検出すると出力トランジスタをオフさせるという、過電流検出機能が一般的である。
また、電源回路の起動時に出力電圧が所望の電圧値まで急激に近づくと、出力は大容量コンデンサで仮想接地されているために過電流が発生してしまう。これを回避すべく、電源回路の起動時においては出力電圧を徐々に上昇させるという、ソフトスタート機能も一般的になってきた。
図4は、このような過電流検出機能及びソフトスタート機能を備えた電源回路の構成例を示す。電源回路100は、電源制御回路110と、それに外付けされたダイオード120、コイル121、コンデンサ122及び抵抗123,124と、を含んで構成されている。このうち、電源制御回路110は、出力トランジスタ141、エラーアンプ142、内部電源143、電流源144、発振回路145、コンパレータ146、出力制御回路147及び過電流検出回路148を含んで構成される。
はじめに、電源回路100の一般的な挙動について説明すると、出力トランジスタ141は、ドレインに入力電圧が印加され、ゲートに出力制御回路147からの制御電圧が印加され、ソースに出力端子が接続される。制御電圧に応じて出力トランジスタ141がオンすると、コイル121に電流が流れてコンデンサ122が充電され、負荷に対する出力電圧が上昇する。一方、制御電圧に応じて出力トランジスタ141がオフすると、負荷に対する出力電圧が下降する。エラーアンプ142は、出力電圧を抵抗123,124により抵抗分割して得られる帰還電圧と、内部電源143による基準電圧との誤差を増幅して出力する。コンパレータ146は、エラーアンプ142からの出力と、発振回路145から出力される三角波などの発振信号とを比較してPWM信号を出力する。出力制御回路147は、PWM信号に基づいて、出力トランジスタ141をPWM制御する。このように、電源回路100は、帰還電圧と基準電圧との誤差に応じて、出力トランジスタ141をオンオフ制御することにより、帰還電圧と基準電圧との誤差を小さくして、出力電圧を所望の電圧に近づけるように挙動する。
つづいて、電源回路100の過電流検出機能について説明すると、過電流検出回路148は、短絡などにより出力トランジスタ141に過電流が流れていることを検出すると、出力トランジスタ141をオフするための信号を出力制御回路147に出力して、過電流による出力トランジスタ141の破壊を防ぐ。
また、電源回路100のソフトスタート機能について説明すると、電源回路100の起動時においては帰還電圧と基準電圧との誤差が大きいため、この誤差に応じてPWM制御を行うと出力トランジスタ141がオンとなる時間が非常に長くなり、出力は大容量のコンデンサ122に仮想接地されているため過電流が生じる可能性が大きい。これを回避すべく、エラーアンプ142には、端子を介してコンデンサ130が接続される。そして、エラーアンプ142は、基準電圧又はコンデンサ130の電位のいずれか低い電圧と、帰還電圧とを比較する。このような構成により、電源回路100の起動時においては、コンデンサ130の電位が電流源144から供給される電流によって徐々に上昇するから、エラーアンプ142はコンデンサ130の電位と帰還電圧との誤差とを増幅することになるから、過電流の発生が回避される。
特開2004−15881号公報
ところで、出力トランジスタ141は、瞬間的に多く電流を流す場合がある。これは、短絡等を原因とした過電流とは異なるものであるが、その都度、過電流検出回路148が過電流状態と認定してしまい出力トランジスタ141をオフさせてしまうと、電源回路100の動作に支障が生じてしまう。
また、電源回路100は、過電流が発生すると出力トランジスタ141をオフするのであるが、この状態からすぐに出力トランジスタ141がオンする状態に復帰してしまうと、電源回路100が搭載されたシステムに発生している熱の除去が不十分である場合がある。
本発明の目的は、外付け部品を増やさずに、過電流状態を精度良く検出するとともに、発熱の除去を十分に担保することを可能とする過電流保護回路を提供することである。
本発明に係る過電流保護回路は、コンデンサに接続される端子の端子電圧に応じて起動時にソフトスタートを行う電源回路に備えられる過電流保護回路であって、前記電源回路が起動すると、前記端子電圧が第1電圧に到達するまで前記コンデンサを充電する第1動作モードと、前記電源回路の出力トランジスタに流れる電流が所定値を越えている期間に応じて、前記端子電圧が前記第1電圧から第2電圧にむかって上昇するように前記コンデンサを充電し、前記端子電圧が前記第2電位に到達すると前記電源回路をシャットダウンさせる第2動作モードと、前記電源回路をシャットダウンさせると、前記端子電圧が前記第3電圧に到達するまで前記コンデンサを放電し、前記端子電圧が前記第3電圧に到達すると前記電源回路をシャットダウンから解除させる第3動作モードと、を含んで動作すること、を特徴とする。
上記構成により、同一のコンデンサを利用して、ソフトスタート機能、過電流の誤検出防止機能、シャットダウン期間の調整機能を電源回路に供給する過電流保護回路を提供できる。
本発明に係る実施の形態において、過電流保護回路を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、コンデンサに充電された電圧に対する過電流保護回路の動作の変化を説明するための図である。 本発明に係る実施の形態において、過電流検出信号の信号処理を説明するための図である。 一般的な電源回路を示す図である。
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、過電流保護回路が搭載される電源回路の全体構成については説明を省略するが、過電流保護回路は、例えば図4に示されるようなソフトスタート機能を有する電源回路100に搭載される。
はじめに、本実施形態に係る過電流保護回路の構成について詳述する。
図1は、過電流保護回路1を示す図である。過電流保護回路1は、電流源2〜3、スイッチ4〜5、トランジスタ6、フリップフロップ7〜8、NORゲート9〜11、ORゲート12、ヒステリシスアンプ13、コンパレータ14、NOTゲート15〜19及び端子SSを含んで構成される。そして、端子SSは、外付けのコンデンサ21が接続される。
端子SSは、コンデンサ21と接続されている。コンデンサ21は、電源回路においてはソフトスタート機能のために設けられており、例えば、図4で説明した電源回路100においては、コンデンサに相当する。
電流源2はスイッチ4を介して端子SSと接続され、コンデンサ21を充電する電流Icを流す。電流源3は端子SSと接続され、コンデンサ20を放電する電流Idを流す。電流Icは、電流Idよりも電流値が大きくなるように構成される。本実施形態では、電流Icは6μA、電流Idは0.6μAとなるように構成されるものとする。このような構成により、電流源2〜3は、スイッチ4がオンするとコンデンサ21を充電し、スイッチ4がオフするとコンデンサ21を放電するように機能する。そして、コンデンサ21の充放電に応じて、端子SSに生じる端子電圧Vcが変化する。
トランジスタ6は、ベースにスイッチ5を介して電圧源51が接続され、エミッタに端子SSが接続される。このような構成により、スイッチ5がオンすると、端子電圧Vsは電圧源51に応じた電圧に応じた電圧に維持される。本実施形態では、スイッチ5がオンすると、端子電圧Vsは、1.1Vに維持されるものとする。
ヒステリシスアンプ13は、入力段に端子SSが接続され、出力段にNOTゲート16を介して、NORゲート11の入力端子及びフリップフロップ7のリセット端子が接続される。本実施形態では、ヒステリシスアンプ13は、端子電圧Vsが上昇していき1.1Vを超えるとHレベルを出力し、端子電圧Vsが下降してきき0.2Vを下回るとLレベルを出力するものとする。
コンパレータ14は、非反転入力端子に端子SSが接続され、反転入力端子に電圧源52が接続され、出力端子にNOT15ゲートを介してNORゲート11の入力端子が接続される。本実施形態では、電圧源51の電圧は1.3Vであるものとする。このような構成により、コンパレータ14は、端子電圧Vsが1.3VをこえるとHレベルを出力する。
NORゲート11は、コンパレータ14の出力がNOTゲート15を介して入力されるとともに、ヒステリシスアンプ13の出力がNOTゲート16を介して入力され、出力端子にフリップフロップ7のスタート端子が接続される。このような構成により、NORゲート11は、端子電圧Vsが1.3VをこえるとHレベルをフリップフロップ7のスタート端子に出力する。
フリップフロップ7は、スタート端子にNORゲート11の出力が入力され、リセット端子にヒステリシスアンプ13の出力がNOTゲート16を介して入力される。このような構成により、フリップフロップ7は、端子電圧Vsが1.3Vまで上昇するとHレベルを出力端子から出力するとともに、その後、端子電圧Vsが0.2Vを下回るまで下降するとリセットされてLレベルを出力端子から出力する。そして、フリップフロップ7がHレベルの信号を出力端子から出力している期間において、電源回路はシャットダウンするように制御される。なお、ここでいうシャットダウンとは、例えば、図4に示す電源回路100においては出力制御回路147が一定期間において出力トランジスタにPWM信号を出力しないようにする等によって、電源回路100が出力電圧を出力しなくなる状態になる。
フリップフロップ8は、スタート端子にNOTゲート19を介してPWM信号が入力され、リセット端子に過電流電出信号が入力される。ここで、PWM信号とは、出力トランジスタ(例えば、図4で示す電源回路100においては、出力トランジスタ141に相当する。)のゲートに入力される信号に相当する。詳細は後述するが、このような構成により、フリップフロップ8は、過電流が生じている期間に応じてLレベルの信号を出力端子から出力する。なお、ここでは、過電流とは、出力トランジスタに流れる電流であって、所定量を越えた電流をいう。
NORゲート10は、一方の入力端子にNOTゲート16の出力が入力され、他方の入力端子にNOTゲート18の出力が入力される。このような構成により、NORゲート10は、端子電圧Vsが1.1Vを越えた後であって0.2Vを下回るまでの期間において、過電流が発生していない期間にのみHレベルを出力端子から出力する。
ORゲート12は、一方の入力端子にフリップフロップ7の出力が入力され、他方の入力端子にNORゲート10の出力が入力される。このような構成により、ORゲート12は、端子電圧Vsが1.1Vを越えた後であって0.2Vを下回るまでの期間、又は、過電流が発生している期間、においてLレベルを出力端子から出力する。そうすると、当該Lレベルの信号はNOTゲート17により反転されてスイッチ4に入力され、スイッチ4がオンして、コンデンサ21が電流源2から供給される電流により充電される。
NORゲート9は、一方の入力端子にNOTゲート16の出力が入力され、他方の入力端子にフリップフロップ7の出力が入力される。このような構成により、NORゲート9は、端子電圧Vsが1.1Vを越えた後であって0.2Vを下回るまでの期間であって、端子電圧Vsが1.3Vに到達していない期間において、Hレベルを出力する。そうすると、当該Hレベルの信号によってスイッチ5がオンして、トランジスタ6のベースは電圧源51と接続される。
続いて、図2を参照しつつ、図1に示された過電流保護回路1の動作について具体的に説明する。
期間Aは、例えば、過電流保護回路1が搭載された電源回路が起動した直後に相当する期間である。電源回路が起動した直後においては、コンデンサ21は実質的には充電されていない状態であるから、ヒステリシスアンプ13及びコンパレータ14はLレベルを出力する。そうすると、NORゲート11は、Hレベルの信号のみが入力されるから、Lレベルを出力する。このとき、フリップフロップ7は、スタート端子にLレベルが入力され、リセット端子にHレベルが入力されるから、Lレベルを出力する。つまり、期間Aでは、過電流保護回路1は、電源回路に対してシャットダウンを指示しない。
NORゲート10は、NOTゲート16からHレベルが入力される。このため、NORゲート10は、フリップフロップ8の出力に関わらずLレベルを出力する。ORゲート12は、フリップフロップ7及びNORゲート10からLレベルが入力される。このため、ORゲート12は、Lレベルを出力する。
以上により、過電流保護回路1は、電源回路が起動すると、スイッチ4がオンしてコンデンサ21を充電する。つまり、図2を参照すると、電源回路を起動した直後の期間Aにおいては、端子電圧Vsが上昇する。なお、期間Aにおいて、電源回路は、端子電圧Vsに基づいてソフトスタートを行う。
期間Bは、電源回路がソフトスタートを終えた後であって、電源回路が通常の動作を行っている期間である。期間Aにおいてコンデンサ21が充電されて端子電圧Vsが上昇するのであるが、端子電圧Vsが1.1Vを越えると、ヒステリシスアンプ13はHレベルを出力する。期間Bにおいても、端子電圧Vsは1.3Vを下回っているから、コンパレータ14はLレベルを出力するから、フリップフロップ7はLレベルを出力する。つまり、期間Bにおいても、過電流保護回路1は電源回路に対してシャットダウンを指示しない。
NORゲート9は、NOTゲート16及びフリップフロップ7からLレベルが入力されるため、スイッチ5をオンする。そうすると、スイッチ4がオフしている期間においては、端子電圧Vsは1.1Vに維持される。NORゲート10は、NOTゲート16からLレベルが入力され、フリップフロップ8から出力トランジスタに過電流が流れている期間に応じたLレベルが入力される。そうすると、NORゲート10は、出力トランジスタに過電流が流れていなければHレベルを継続して出力するが、出力トランジスタに過電流が流れると、その期間に応じてLレベルを出力することになる。
ORゲート12は、フリップフロップ7からLレベルが入力される。また、ORゲート12は、NORゲート10から、Hレベル又はLレベルが入力される。つまり、ORゲート12は、出力トランジスタに過電流が流れていなければHレベルを出力し、出力トランジスタに過電流が流れると、その期間に応じてLレベルを出力することになる。これにより、スイッチ4は、出力トランジスタに過電流が流れていなければオフする。そうすると、端子電圧Vsは1.1Vに維持される。また、スイッチ4は、出力トランジスタに過電流が流れると、その期間に応じてオンする。そうすると、端子電圧Vsは1.1Vから上昇する。このとき、過電流が突発的に生じたにすぎない場合などにおいては、スイッチ4は一度オンするものの、その後オフするため、コンデンサ21は電流源3から放電され、端子電圧Vsは1.1Vに維持されることになる。一方、過電流が継続的に生じている場合には、スイッチ4が頻繁にオンすることになり、端子電圧Vsは上昇し続けることになる。
以上より、期間Bにおいては、過電流が継続的に生じた場合のみ端子電圧Vsが1.3Vまで上昇する。これにより、コンデンサ21を活用して、過電流保護回路1が過電流を誤検出した場合などに電源回路をシャットダウンすることを回避できる。
期間Cは、期間Bにおいて、過電流が継続的に生じた後の期間に相当する。期間Bにおいて過電流が継続的に生じて端子電圧Vsが1.3Vまで上昇すると、NOTゲート15は、Lレベルを出力することとなる。そうすると、NORゲート11は、Lレベルのみが入力されるから、Hレベルを出力する。これにより、フリップフロップ7はHレベルを出力する。つまり、過電流保護回路1は、電源回路にシャットダウンを指示する。
NORゲート9は、フリップフロップ7からHレベルが入力されるから、Lレベルを出力する。このため、期間Cにおいては、スイッチ5はオフするから、端子電圧Vsは1.1Vを下回ることができるようになる。
ORゲート12は、フリップフロップ7からHレベルを入力されるから、フリップフロップ8の出力に関わらず、Hレベルを出力することとなる。つまり、端子電圧Vsが0.2Vを下回るまではヒステリシスアンプ13はHレベルを継続して出力するから、フリップフロップ7はリセットされずHレベルを継続して出力する。このため、ORゲート12は、期間Cにおいては、継続してスイッチ4をオフする。
以上より、期間Cにおいては、コンデンサ21は電流源2によっては充電されないから、電流源3によって放電を継続する。このため、端子電圧Vsは下降していくことになる。そして、端子電圧Vsが0.2Vを下回るまでは、過電流保護回路1は、電源回路にシャットダウンを指示し続けることになる。つまり、コンデンサ21を活用して、シャットダウンを継続する期間を調整することができる。
そして、端子電圧Vsが0.2Vを下回ると、ヒステリシスアンプ13はLレベルを出力するから、フリップフロップはリセットされる。これにより、過電流保護回路1は、シャットダウンの指示を解除し、ソフトスタートを再度指示することになる。
ここで、図3を参照して、フリップフロップ8の入出力信号について具体的に説明する。
図3(a)は、電源回路をスイッチング制御するためのPWM信号を示す。例えば、図4に示す電源回路100においては、PWM信号は出力トランジスタ141のゲートに入力される信号に相当する。
図3(b)は、PWM信号がNOTゲート19により反転された反転PWM信号を示し、フリップフロップ8のスタート端子に入力される信号である。
図3(c)は、出力トランジスタに流れる電流に相当するセンス電流の波形図である。センス電流が、過電流設定値を越えると、出力トランジスタに過電流が流れているものとする。ここで、PWM信号は一定周期で継続してHレベルのパルスは生じるものであるが、過電流が検出されると、PWM信号はその1パルスにおいてはLレベルになる。つまり、出力トランジスタは、一定周期でスイッチング制御されるのであるが、過電流が検出されると直ちにオフされ、次のHレベルのパルスが入力されて再度オンする。このため、可電流が検出されると、センス電流は、次に出力トランジスタがオンするまで減少する。
図3(d)は、センス電流から生成されるパルスであり、フリップフロップ8のリセット端子に入力される過電流検出信号である。過電流検出信号は、センス電流が過電流設定値を越えると立ち上がる。そして、PWM信号の立ち下がる周期に応じて、過電流検出信号も立ち下がる。これにより、過電流が検出されない期間は、過電流検出信号はLレベルを継続するが、過電流を検出するとHレベルのパルスとなる。そして、過電流が継続すると、過電流検出信号はHレベルのパルスをPWM信号の周期毎に出力することになる。
このような構成によって、図2の期間Bにおける作用を検討すると、過電流が継続して検出されない期間においては、スイッチ4は当然にオフしており、端子電圧Vsは1.1Vに維持される。
そして、一時的に過電流が流れた場合や、過電流を誤検出した場合においては、スイッチ4がオンするため、端子電圧Vsは1.1Vから上昇する。しかし、これらの場合は継続して続くものではないため、端子電圧Vsが1.3Vまで上昇する前にスイッチ4がオフする比率が多くを占めるようになり、コンデンサ21は電流源3によって放電されて、端子電圧Vsは1.1Vまで下降する。
一方、短絡など、過電流が継続的に流れるようになると、スイッチ4がオンする比率が多くなる。そうすると、電流源2は、電流源3よりも大きな電流を流していることから、端子電圧Vsは上昇を続けることになる。そして、端子電圧Vsが1.3Vまで上昇すると、過電流保護回路1は電源回路をシャットダウンさせることになる。
以上、本実施形態に係る過電流保護回路1は、電源回路のソフトスタートに用いられるコンデンサ21を活用して、過電流の誤検出を防止できるとともに、電源回路をシャットダウンさせてから再起動させるまでの期間を調整することができる。
なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
例えば、本実施形態では、過電流保護回路は図4に示す電源回路1に搭載されるものであることを例示した。しかし、本発明はこれに限定されず、例えば、出力トランジスタが電源側のみならずグランド側にも設けられ、これらが相補的にスイッチング制御される電源回路であっても、過電流保護回路1は同様に搭載できる。この場合、図3(c)に示したセンス電流は、電源側の出力トランジスタに流れる電流若しくはグランド側の出力トランジスタに流れる電流又はこれらの双方に応じるように構成できる。
1 過電流保護回路、2 電流源、3 電流源、4 スイッチ、5 スイッチ、6 トランジスタ、7 フリップフロップ、8 フリップフロップ、9 NORゲート、10 NORゲート、11 NORゲート、12 ORゲート、13 ヒステリシスアンプ、114 コンパレータ、15 NOTゲート、16 NOTゲート、17 NOTゲート、18 NOTゲート、19 NOTゲート、20 コンデンサ、51 電圧源、52 電圧源、100 電源回路、145 発振回路、147 出力制御回路、148 過電流検出回路、141 出力トランジスタ。

Claims (3)

  1. コンデンサに接続される端子の端子電圧に応じて起動時にソフトスタートを行う電源回路に備えられる過電流保護回路であって、
    前記電源回路が起動すると、前記端子電圧が第1電圧に到達するまで前記コンデンサを充電する第1動作モードと、

    前記電源回路の出力トランジスタに流れる電流が所定値を越えている期間に応じて、前記端子電圧が前記第1電圧から第2電圧にむかって上昇するように前記コンデンサを充電し、前記端子電圧が前記第2電位に到達すると前記電源回路をシャットダウンさせる第2動作モードと、
    前記電源回路をシャットダウンさせると、前記端子電圧が前記第3電圧に到達するまで前記コンデンサを放電し、前記端子電圧が前記第3電圧に到達すると前記電源回路をシャットダウンから解除させる第3動作モードと、を含んで動作すること、を特徴とする過電流保護回路。
  2. 請求項1に記載の過電流保護回路であって、
    前記第2動作モードでは、前記出力トランジスタの制御端子に入力されるPWM信号の周期に合わせて、前記出力トランジスタに流れる電流が所定値を越えているか否かが検出されていること、を特徴とする過電流保護回路。
  3. 請求項1〜2のいずれかに記載の過電流保護回路であって、
    前記電源回路がシャットダウンすると、前記出力トランジスタはスイッチング制御を停止すること、を特徴とする過電流保護回路。
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