JP2012075262A

JP2012075262A - 電源保護回路

Info

Publication number: JP2012075262A
Application number: JP2010218867A
Authority: JP
Inventors: Yoki Tomita; 陽紀富田
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】確実に電源回路および電源回路に接続された負荷回路を保護することができるとともに、異常状態から正常状態に復帰した場合に遅滞なく電力供給を行う。
【解決手段】過電流時の電源保護回路１４は、過電流を検出する検出回路と、電力供給時に過電流を検出したとき、電源を遮断すると共に、過電流から正常電流に復帰するまで、瞬間的に、かつ所定の時間間隔をあけて断続的に電流を流す制御回路とを備え、過電流から正常電流に復帰した際には、電力供給を再開可能としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源保護回路に係り、特に負荷回路に配線を介して電力供給を行う電源回路において、負荷回路の結線異常などに起因する過電流から電源回路を保護する電源保護回路に関する。

従来、車両には、オーディオ装置やナビゲーション装置が搭載された場合には、各装置は、車載バッテリから電源が供給されて動作することとなっていた。
ところで、これらの装置を車両に取り付ける取付作業を行っている場合に、誤って別の取付部位に配線をつないでしまったり、車両のドアなどに配線コードが挟まれて絶縁不良状態で取り付けてしまったりした場合のように、電力供給を受ける負荷回路および負荷回路への配線に異常が発生した場合には、電源投入を行うと電源回路に過電流が流れて、電源回路が破損し、結線異常箇所等の不良箇所を直して再び電源を投入したとしても、正常に電源を供給することができなくなってしまう可能性があった。
これを解決するために、過電流検出回路を設け、過電流が流れた場合には電源回路を遮断することにより、これを保護することが行われていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２３３１５４号公報

しかしながら、上記従来の装置によっては、遮断状態が確定してしまうと、遮断状態を解除するための操作を取付作業者が行わなければ、負荷回路である車載装置に再度電源が供給されることはなく、特に結線作業の間違いなどによる一時的に発生した異常についてもいちいち遮断状態を解除するための操作を行う必要があり、手間が煩わしいという問題点があった。
そこで、本発明の目的は、負荷回路の結線異常などに起因する過電流から確実に電源回路を保護することができるとともに、結線異常など異常が除去され、過電流から正常電流に復帰した場合に遅滞なく電力供給を行うことができる電源回路の保護回路を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１態様は、過電流時の電源保護回路において、過電流を検出する検出回路と、電力供給時に過電流を検出したとき、電源を遮断すると共に、過電流から正常電流に復帰するまで、瞬間的に、かつ所定の時間間隔をあけて断続的に電流を流す制御回路とを備え、過電流から正常電流に復帰した際には、電力供給を再開可能としたことを特徴とする。
上記構成によれば、電力供給時に検出回路が過電流を検出したとき、制御回路は、電源を遮断すると共に、過電流から正常電流に復帰するまで、瞬間的に、かつ所定の時間間隔をあけて断続的に電流を流す。
そして、断続的に電流を流しているときに過電流から正常電流に復帰した際には、電力供給を再開する。
したがって、一時的に過電流が流れ、一旦電源が遮断されてしまった場合でも、遮断中に過電流から正常電流に復帰した場合には、遅滞なく電力供給を再開することができる。

本発明の第２態様は、負荷回路に配線を介して接続される電源回路に設けられた、過電流時の電源保護回路において、過電流を検出する検出回路と、電力供給時に配線の結線異常等に起因する過電流を検出したとき、電源を遮断すると共に、配線の結線異常等の解消により過電流から正常電流に復帰するまで、瞬間的に、かつ所定の時間間隔をあけて断続的に電流を流す制御回路とを備え、過電流から正常電流に復帰した際には、負荷回路に配線を介して電力供給を再開可能としたことを特徴とする。
上記構成によれば、電力供給時に検出回路が配線の結線異常等に起因する過電流を検出したとき、制御回路は、電源を遮断し、その後に、過電流から正常電流に復帰するまで、電源の破損を防止して瞬間的に、かつ時間間隔をあけて断続的に電流を流す。
そして、断続的に電流を流しているときに過電流から正常電流に復帰した際には、負荷回路に配線を介して電力供給を再開する。
配線の結線異常等に起因して一時的に過電流が流れ、一旦電源が遮断されてしまった場合でも、遮断中に過電流から正常電流に復帰した場合には、遅滞なく電力供給を再開することができる。

本発明の第３態様は、第１態様または第２態様において、前記制御回路は、過電流から正常電流に復帰するまで、前記時間間隔をあけて電源の遮断を解除し、過電流を検出すると電源を遮断する、という一連の動作を繰り返すことを特徴とする。
上記構成によれば、過電流により一旦電源が遮断されてしまった場合でも、遮断中に過電流から正常電流に復帰した場合には、遅滞なく電力供給を再開することができる。
本発明の第４態様は、第１態様ないし第３態様のいずれかにおいて、前記制御回路は、１パルス当たりの電力量を前記電源回路の耐電力に比較して十分に小さくされていることを特徴とする。
したがって、断続的に電流を流しても、確実に電源の破損を防止できる。

本発明の第５態様は、第１態様ないし第４態様において、前記制御回路は、単位時間当たりの発熱量が電源の破損を防止して設定されていることを特徴とする。
上記構成によれば、電流を流すことによる発熱で電源が破損されることがない。

本発明によれば、過電流から確実に電源回路を保護することができるとともに、過電流から正常電流に復帰した場合には、遅滞なく電力供給を行えるという効果を奏する。

実施形態の車載システムの概要構成ブロック図である。電源回路の機能ブロック図である。保護回路の具体例の説明図である。正常状態から過電流が流れる状況に移行し、再び正常状態に復帰した場合の電圧Ｖ_in、電圧Ｖ_out及び電流Ｉ_outの波形図である。図４における電圧Ｖ_in及び電流Ｉ_outを抽出した波形図である。図４における電圧Ｖ_in及び電圧Ｖ_outを抽出した波形図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態の車載システムの概要構成ブロック図である。
車載システム１０は、車載バッテリ１１から入力端子Ｔｉｎを介して供給された電力（電圧Ｖ_in）の電圧変換（ＤＣ／ＤＣ変換）を行って、出力電圧Ｖ_outとして出力端子Ｔ_outおよび配線Ｌを介して負荷回路（負荷装置）１２に供給する電源回路１３を備えている。

この場合において、負荷回路１２は、実際には、車載用オーディオ機器、車載用ナビゲーション装置などの車載用機器として構成されている。
また、電源回路１３は、負荷回路１２に配線Ｌを介して接続され、電力供給時に配線の結線異常等に起因する過電流を検出したとき、過電流を遮断して電源回路１３の保護、ひいては、後段の負荷回路１２の保護を図る電源保護回路１４を備えている。

上記構成において、車載バッテリ１１は、電圧Ｖ_in（入力電圧：例えば、１２Ｖあるいは２４Ｖ）の電力を電源回路１３に供給する。
電源回路１３は、電圧Ｖｉｎの電圧変換を行って電圧Ｖ_out（出力電圧：例えば１０Ｖ）として負荷回路１２に対して電力供給を行う。
これにより、負荷回路１２は、電源回路１３から正常に電力が供給されている状態では、オーディオ再生、ナビゲーション等の車載用機器としての通常動作を行うこととなる。

図２は、電源回路の機能ブロック図である。
電源回路１３は、大別すると、上述した電源保護回路１４と、電圧Ｖ_inを電圧Ｖ_outに変換して負荷回路１２に供給する電圧回路１５と、を備えている。
電源保護回路１４は、電圧回路１５から負荷回路１２に流れる電流Ｉ_outの電流値に相当する電圧を検出する電圧検出回路１６と、電圧検出回路１６により検出された電流Ｉｏｕｔに相当する電圧Ｖ_DETを過電流検出用の基準電圧Ｖ_REFと比較して過電流の有無に相当する過電流判別信号Ｓ_CPを出力する比較回路１７と、比較回路１７から過電流と判別された過電流判別信号Ｓ_CPが入力された場合に電力供給を遮断する遮断回路１８と、を備えている。
上記構成において、電圧回路１５は、入力電力の電力変換を行う電力変換回路１５Ａと、電力変換回路１５Ａから供給された電力の出力／遮断を行うリレー回路１５Ｂと、を備えている。
電圧検出回路１６は、電圧回路１５を流れる電流Ｉ_outの電流値に相当する電圧Ｖ_DETを検出して、比較回路１７に出力する。

比較回路１７は、電圧検出回路１６により検出された電流Ｉ_outに相当する電圧Ｖ_DETを基準電圧Ｖ_REFと比較して過電流の有無に相当する過電流判別信号Ｓ_CPを遮断回路１８に出力する。
これらの結果、遮断回路１８は、比較回路１７において過電流と判別された場合に電力供給を遮断する。
図３は、保護回路の具体例の説明図である。
電圧検出回路１６は、電流変換抵抗Ｒ１を備えており、この電流変換抵抗Ｒ１の両端の差電圧、すなわち、電流Ｉ_outに比例する電圧（電流相当電圧）をオペアンプ２１により増幅して、電圧Ｖ_DETとして比較回路１７を構成するコンパレータ２２の非反転入力端子（＋）に印加する。

一方、コンパレータ２２の反転入力端子（−）には、過電流を検出するための過電流検出用の基準電圧Ｖ_REFが印加される。
この結果、電圧Ｖ_DETが過電流検出の基準電圧Ｖ_REF未満である場合には、コンパレータ２２から出力される過電流判別信号Ｓ_CPは、“Ｌ”レベルとなり、トランジスタＱ１がオフし、ラッチ回路２３はオン状態となる。
この結果、ラッチ回路２３に連動する電圧回路１５内のリレー回路１５Ｂがオン状態となり、電力変換回路１５Ａから供給された出力電圧Ｖ_outを有する電力の端子Ｔ_outを介した負荷回路１２への出力が行われることとなる。
一方、電圧Ｖ_DETが過電流検出のための基準電圧Ｖ_REF以上となった場合には、コンパレータ２２から出力される過電流判別信号Ｓ_CPは、“Ｈ”レベルとなり、過電流が検出された状態であるので、トランジスタＱ１がオンし、ラッチ回路２３はオフ状態となる。

この結果、ラッチ回路２３に連動する電圧回路１５内のリレー回路１５Ｂがオフ状態となり、電力変換回路１５Ａから供給された出力電圧Ｖ_outを有する電力の端子Ｔ_outを介した負荷回路１２への出力が停止することとなる。
このとき、抵抗Ｒ４の一端には、負荷回路１２に電力を供給しようとする際に電源電圧の高電位側電圧（オン電圧）が印加されており、コンデンサＣ１および抵抗Ｒ４で定まる時定数に相当する一定時間Ｔ_CONSTが経過後、コンデンサＣ１の両端電圧が満充電状態に相当する電圧まで上がると、ラッチ回路２３は再びオン状態となり、リレー回路１５Ｂがオン状態となり、車載バッテリ１１から再び電力が供給され、抵抗Ｒ１および電圧回路１５のリレー回路１５Ｂを介して負荷回路１２に電流が流れ、電力が供給されることとなる。

この場合において、電源回路１３を流れる電流Ｉ_outは、過電流となるおそれが高いため、電流を流す時間は、電源回路１３を流れる電流Ｉ_outの電力が、電源回路１３および負荷回路１２の耐電力を大きく下回るような時間（所定の時間）に設定されている。したがって、ラッチ回路２３は再びオン状態となり、リレー回路１５Ｂがオン状態となって、仮に電源回路１３内および負荷回路１２内を過電流が流れても、電源回路１３および負荷回路１２が影響を受けることがないようになっている。

そして、再び過電流が流れた場合には、電圧Ｖ_DETが過電流検出のための基準電圧Ｖ_REFを越え、ラッチ回路２３はオフ状態となって電圧回路１５内のリレー回路１５Ｂがオフ状態となり、再び、出力端子Ｔ_outから電圧Ｖ_outを有する電力の負荷回路１２への出力が停止することとなる。
このように、配線の誤接続、配線の車両ボディーへの短絡などによる電流流路の異常状態が継続する場合には、所定時間毎にラッチ回路２３がオン状態となることにより、再び電源回路１３内を過電流としての電流Ｉ_outが流れるので、電源保護回路１４により、過電流が検出されて、再び負荷回路１２への電力供給が遮断されるという状態が繰り返されることとなる。

この状態においては、負荷回路１２は、基本的に動作しないこととなるため、作業者は、配線の結線異常（配線の誤接続、配線の車両ボディーへの短絡など）による過電流が発生している異常状態を疑うこととなる。
したがって、作業者により、配線の結線異常などが修復されると、過電流の原因が解消して過電流から正常電流に復帰することとなるので、車載バッテリ１１から供給された電力により抵抗Ｒ１および電圧回路１５を介して負荷回路１２に電流が流れた時点で、電圧回路１５により正常電流が負荷回路１２に供給されることとなる。
すなわち、作業者は、配線の結線異常（誤接続、短絡状態など）を正常状態（正常結線）に回復させ、過電流から正常電流に復帰させるだけで、電源回路１３の復帰処理などを別途行うことなく、遅滞なく正常に負荷回路１２への電力供給を再開させることができる。

一方、配線の結線異常などの状態が維持され、過電流が繰り返し検出されている状態では、過電流の検出、電力供給の遮断、電力供給の再開を繰り返すこととなるが、この時に正常状態に復帰したか否かをチェックするために流れる電流の電力値は、電源回路１３あるいは負荷回路１２の耐電力より充分に小さな値となるように設定され、遮断に要する時間および電力再供給までの時間は、過電流検出、電流遮断、電力供給再開再開の動作を繰り返し継続した場合の単位時間当たりの発熱量が電源回路１３および負荷回路１２の正常動作に影響を与えない時間として設定されているので、確実に電源回路１３、ひいては、負荷回路１２を保護しつつ、正常電流への復帰に備えることが可能となる。

以上の説明のように、本実施形態の構成によれば、配線の結線異常等に基づく過電流により電源回路１３（ひいては、負荷回路１２）が破損したりすることがないとともに、過電流が流れた時の発熱を抑制することが可能となり、耐過電流特性の高いオーバースペックな電源回路１３を構成する必要が無くなり、装置の小型化および装置製造コストの抑制が行える。

次により具体的な動作説明を行う。
図４は、正常電流が流れている状態から過電流が流れる状況に移行し、再び正常電流が流れる状態に復帰した場合の電圧Ｖ_in、電圧Ｖ_out及び電流Ｉ_outの波形図である。
また、図５は、図４における電圧Ｖ_in及び電流Ｉ_outを抽出した波形図である。
また、図６は、図４における電圧Ｖ_in及び電圧Ｖ_outを抽出した波形図である。
時刻ｔ０において、電源が投入されると、時刻ｔ１において、電圧Ｖ_inが所定の電圧Ｖ_innまで上昇する。

これに伴い、電圧回路１５が動作し、時刻ｔ１から所定時間遅れた時刻ｔ２おいて、所定の電圧Ｖ_outnまで電圧Ｖ_outが上昇することとなる。
そして、正常状態においては、電源回路１３内において負荷回路１２への電力供給ライン上を流れる電流Ｉ_outは、時刻ｔ３において所定の電流値Ｉ_outnを有する一定電流となり、負荷回路が正常に動作することとなる。
ここで、図１に破線で示すように、作業者が電源回路１３の出力端子Ｔ_outに新たな負荷装置１２Ａを接続したものとし、時刻ｔ_onにおいて当該新たな負荷装置１２Ａの電源を投入した場合に、電源回路１３の出力端子から新たな負荷装置１２Ａに渡る電流流路の異常（配線ミス、短絡など）により入力端子Ｔｉｎを介して電源回路１３内部に過電流が流れたとする。

これにより、電流変換抵抗Ｒ１を流れる電流Ｉ_outは、過電流と判断される基準電流Ｉ_REFを（＝Ｖ_REFに相当）を越え、過電流となった電流Ｉ_outが電流変換抵抗Ｒ１を流れることに起因する電流変換抵抗Ｒ１の両端電圧が増加することとなる。
この結果、オペアンプ２１の出力する電圧Ｖ_DETも増加し、基準電圧Ｖ_REFを上回ることとなり、トランジスタＱ１がオン状態となって、時刻ｔ４において、ラッチ回路２３がオフし、電圧回路１５を構成するリレー回路１５Ｂが遮断されて、過電流が遮断されることとなる。
この状態で抵抗Ｒ４およびコンデンサＣ１で構成されるディレイ回路の時定数に対応する所定の一定時間Ｔ_CONST（＝時刻ｔ５−ｔ４）が経過した時刻ｔ５に至ると、トランジスタＱ１は再びオフ状態となりラッチ回路２３は再びオン状態となって、電圧回路１５は、電力供給を再開する。
この場合において、所定の一定時間Ｔ_CONSTは、過電流検出、電力遮断および電力供給再開の動作を繰り返し継続した場合の単位時間当たりの発熱量が電源回路１３の正常動作に影響を与えない時間として設定されているため、車載バッテリ１１からの電力供給がなされている限り、いつまででも継続することが可能となっている。

この場合に、過電流の有無を検出するための電力供給は図４および図５に示すように、パルス的に行われるため、図６に示すように、過電流が流れている間の電圧Ｖ_outは、電源回路１３および負荷回路１２の耐電力を考慮して、最大でもＶ_outp以下となるようにされているので、パルス的な電力供給時の電力量は、当該電源回路１３の耐電力および負荷回路の耐電力と比較して小さくなっており、電源回路に過電流が流れることによる、電源回路自身あるいは負荷回路へ影響を与えることがない。この場合において、電圧Ｖ_outpの値は、過電流を検出してからの遮断時間あるいは基準電圧Ｖ_REFの設定により適宜設定される。
電力供給が再開された時点で未だ結線異常などの異常状態が解消されていない場合には、電流変換抵抗Ｒ１を流れる電流Ｉ_outは、過電流と判断される基準電流Ｉ_REFを越えることとなるので、再び過電流が遮断されることとなる。

以下、同様にして、過電流の有無を検出し、過電流が検出された場合に電力供給を遮断し、遮断から所定の一定時間Ｔ_CONST経過後に電力供給を再開する動作を繰り返し継続し、例えば、時刻ｔ７において、過電流を検出し、事項ｔ８において電流を遮断した後、時刻ｔ９において、電力供給を再開した時点で、取付作業を行っている作業者が電流流路の異常状態（誤接続、短絡状態など）を正常状態に回復させてあった場合には、時刻ｔ９の電力供給再開時には、電流Ｉｏｕｔは正常動作時の一定電流値Ｉ_outnで安定し、正常状態に復帰し、電力供給が再開されることとなる。

上述したように、本実施形態によれば、過電流を検出した場合でも、一旦電流を遮断し、遮断から所定の一定時間Ｔ_CONST経過後に電力供給を再開し、再び過電流の有無を検出する動作を繰り返し続けるので、負荷回路（車載装置）の取付作業者は、配線の結線異常（誤接続、短絡状態など）などを正常状態に回復させるだけで、別途、電源供給復帰操作を行うことなく正常に電力供給を再開することが可能となる。

また、過電流検出、供給遮断および電力再供給を繰り返す周期は、これら一連の動作を繰り返し継続した場合の単位時間当たりの発熱量が前記電源回路の正常動作に影響を与えない時間として設定されているので、電力供給時の発熱が十分に抑制されて、発熱による電力装置への影響が抑制されて、電流流路が正常に復帰した場合に、確実に電源回路を正常動作させることができる。

以上の説明においては、一旦、過電流を検出して遮断し、その後に、過電流から正常電流に復帰するまで、電源の破損を防止して瞬間的に、かつ時間間隔をあけて断続的に電流を流し、過電流が検出されなくなって正常電流に復帰した際には、電力供給を再開する構成を採っていたが、電源の破損を防止して瞬間的に、かつ時間間隔をあけて断続的に電流を流す際に、過電流検出まで行うことなく、より低い電流値、かつ、正常電流よりも高い電流値となるように断続的に電流を流すように構成することも可能である。この構成によれば、断続的に電流を流す際のトータルの消費電力をより低減することができる。
以上の説明は、車載用バッテリから電力が供給される車載用機器の取付時に誤接続してしまった場合のものであったが、車載用機器に限ることなく、直流電源（ＡＣ／ＤＣ変換後も含む）に接続された電力の電力変換を行って負荷回路に供給する電源回路（電源装置）であれば、同様に適用が可能である。

１０車載システム
１１車載バッテリ
１２負荷回路
１２Ａ負荷装置
１３電源回路
１３電圧回路
１４保護回路
１５電圧回路
１５Ａリレー回路
１６電圧検出回路（検出回路）
１７比較回路（制御回路）
１８遮断回路
２１オペアンプ（検出回路）
２２コンパレータ（制御回路）
２３ラッチ回路

Claims

過電流時の電源保護回路において、
過電流を検出する検出回路と、
電力供給時に過電流を検出したとき、電源を遮断すると共に、過電流から正常電流に復帰するまで、瞬間的に、かつ所定の時間間隔をあけて断続的に電流を流す制御回路とを備え、過電流から正常電流に復帰した際には、電力供給を再開可能としたことを特徴とする電源保護回路。
負荷回路に配線を介して接続される電源回路に設けられた、過電流時の電源保護回路において、
過電流を検出する検出回路と、
電力供給時に配線の結線異常等に起因する過電流を検出したとき、電源を遮断すると共に、配線の結線異常等の解消により過電流から正常電流に復帰するまで、瞬間的に、かつ所定の時間間隔をあけて断続的に電流を流す制御回路とを備え、過電流から正常電流に復帰した際には、負荷回路に配線を介して電力供給を再開可能としたことを特徴とする電源保護回路。
請求項１または請求項２記載の電源保護回路において、
前記制御回路は、過電流から正常電流に復帰するまで、前記時間間隔をあけて電源の遮断を解除し、過電流を検出すると電源を遮断する、という一連の動作を繰り返すことを特徴とする電源回路。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電源保護回路において、
前記制御回路は、１パルス当たりの電力量を前記電源回路の耐電力に比較して十分に小さくされていることを特徴とする電源保護回路。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電源保護回路において、
前記制御回路は、単位時間当たりの発熱量が電源の破損を防止して設定されていることを特徴とする電源保護回路。