JP2014021634A - Rush current suppression circuit - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rush current suppression circuit that suppresses a rush current in an ON state by using a small number of components.SOLUTION: In a circuit that is inserted between a DC power supply BT1 and a load and that controls on/off of power supply from the DC power supply BT1 to the load by a gate potential of a semiconductor switching element Q1, a potential difference detection circuit is provided, which is a negative feedback circuit that connects a rise voltage of an output voltage to an anode of a reverse-flow blocking diode D1 via a capacitor C1 and feeds back a cathode of the diode D1 to a gate of the semiconductor switching element Q1 and in which if the semiconductor switching element Q1 is off, an emitter of a PNP transistor Q2 connected to a source and a base of the PNP transistor Q2 connected to a drain detect a potential difference and a collector of the PNP transistor Q2 is connected so as to make a potential of the anode of the reverse-flow blocking diode D1 the same potential as that of the source of the semiconductor switching element Q1.

Description

本発明は、半導体スイッチング素子よる直流電源から負荷への電源供給のオン/オフ制御に伴い、負荷への直流電圧印加直後の突入電流に起因する問題に対応する突入電流抑制回路に関するものである。   The present invention relates to an inrush current suppression circuit that copes with a problem caused by an inrush current immediately after application of a DC voltage to a load in accordance with ON / OFF control of power supply from a DC power supply to a load by a semiconductor switching element.

近年、電子機器の直流電源としてスイッチングレギュレータや蓄電池が様々な電子機器、照明器具、動力機器に活用されている。   In recent years, switching regulators and storage batteries have been used in various electronic devices, lighting fixtures, and power devices as DC power sources for electronic devices.

直流電源から負荷への電源供給のオン/オフ制御には(図1)に示すように構成された半導体スイッチング素子が多用され、(図1)で示す回路例においては、PchパワーMOSFETのゲート電圧を直流電源より所定の電圧であるVth(threshold voltage :閾値電圧)だけ引き下げることにより高速かつ低抵抗のスイッチング特性で直流を負荷へ供給可能である。   A semiconductor switching element configured as shown in FIG. 1 is frequently used for on / off control of power supply from a DC power source to a load. In the circuit example shown in FIG. 1, the gate voltage of a Pch power MOSFET is used. Is reduced from the DC power source by a predetermined voltage Vth (threshold voltage), so that DC can be supplied to the load with high speed and low resistance switching characteristics.

特に直流電源がスイッチングレギュレータの場合、負荷接続による突入電流により出力電圧が一旦下降し、その後はスイッチングレギュレータの出力電圧安定化回路の応答によってオーバーシュートとリンギングが生じ、回路の動作や素子の信頼性に影響を及ぼすおそれがある。   In particular, when the DC power supply is a switching regulator, the output voltage once drops due to the inrush current due to load connection, and then overshoot and ringing occur due to the response of the output voltage stabilization circuit of the switching regulator, and the circuit operation and element reliability May be affected.

直流電源が蓄電池の場合、負荷接続時の突入電流による過剰な放電は、出力電圧の異常な低下のほか、蓄電池の劣化を早める。   When the DC power source is a storage battery, excessive discharge due to an inrush current when a load is connected accelerates deterioration of the storage battery in addition to an abnormal decrease in output voltage.

前記問題への対応、また主に負荷側の用途、仕様として突入電流抑制が要求される場合、半導体スイッチング素子に対しPWM等で生成される制御電圧を印加する事で負荷への供給電圧を緩やかに上昇させ、突入電流抑制を行っている。   When it is required to cope with the above-mentioned problems and to suppress inrush current mainly as a load-side application and specification, the supply voltage to the load is moderated by applying a control voltage generated by PWM etc. to the semiconductor switching element. To suppress the inrush current.

P3772318(特開平9-233806)P3772318 (Japanese Patent Laid-Open No. 9-233806) P3155342(特開平5-336737)P3155342 (Japanese Patent Laid-open No. 5-336737)

しかしながら、このような構成の突入電流抑制回路では、半導体スイッチング素子に対する突入電流抑制信号生成回路を別途設ける必要があり、突入電流抑制信号生成回路には専用素子のほか基準クロック、あるいは基準電圧等を必要とし、回路部品の増加や、それらに伴うコストアップ、部品点数の増加により基板面積の小型化が困難であるなど様々な課題があった。   However, in the inrush current suppression circuit having such a configuration, it is necessary to separately provide an inrush current suppression signal generation circuit for the semiconductor switching element. In addition to the dedicated element, the inrush current suppression signal generation circuit has a reference clock or a reference voltage. There are various problems such as the increase in circuit components, the associated cost increase, and the difficulty in reducing the board area due to the increase in the number of components.

また、例えば直流電源にシステムの制御回路としてのCPUやロジックICを接続し、その同一直流電源に先述の制御回路からの信号に基づきオン/オフ動作を行う半導体スイッチング素子等を介し、負荷として突入電流の大きな容量性負荷のオン/オフ制御を行った場合、制御回路の指令によるオン信号に基づき半導体スイッチング素子等がオンし、前記負荷を急峻に接続すると過大な突入電流により直流電源の電圧が極短時間ではあるがCPUやロジックICの動作電圧を下回り、これらシステム回路がリセットされ、システムが永遠に起動できないループに陥るといった問題が発生する課題もあった。   In addition, for example, a CPU or logic IC as a system control circuit is connected to a DC power supply, and the same DC power supply enters a load via a semiconductor switching element that performs on / off operation based on a signal from the control circuit described above. When on / off control of a capacitive load with a large current is performed, a semiconductor switching element or the like is turned on based on an on signal according to a command from the control circuit. When the load is connected steeply, the voltage of the DC power supply is increased due to an excessive inrush current. There is also a problem that a problem arises that the operating voltage of the CPU or logic IC falls below the operating voltage of the CPU or logic IC for a very short time, and the system circuit is reset, resulting in a loop in which the system cannot be activated forever.

例えば特許文献1では、専用のソフトスタート用PWM生成回路を設け課題の解決を図っている。このためソフトスター用PWM生成回路部品のコストや、ソフトスタート用PWM生成回路のプリント基板実装面積が大きくなり装置を小型化できない問題があった。   For example, in Patent Document 1, a dedicated soft start PWM generation circuit is provided to solve the problem. For this reason, there has been a problem that the cost of the soft star PWM generation circuit components and the printed circuit board mounting area of the soft start PWM generation circuit are large, and the apparatus cannot be downsized.

また、特許文献2では電源のオン/オフを行うパワーMOSFETのゲートに、RCで構成した簡易的な動作遅延用回路を設けて突入電流抑制を図っているが、遅延時間用コンデンサとシリーズに逆バイアス用ダイオードが接続されているため、逆バイアス用ダイオードのVf以上の電圧が動作遅延用回路に印加されなければ突入電流抑制効果を得られず、パワーMOSFETのVthの低い品種などでは突入電流抑制効果を得ることが出来ない問題があった。   In Patent Document 2, a simple operation delay circuit configured by RC is provided at the gate of the power MOSFET for turning on / off the power source to suppress the inrush current. Since a bias diode is connected, an inrush current suppression effect cannot be obtained unless a voltage higher than Vf of the reverse bias diode is applied to the operation delay circuit. There was a problem that the effect could not be obtained.

本発明は、前記従来技術の課題を解決することを目指すものであり、半導体スイッチング素子に例えばオン信号を入力すれば、わずかの能動部品により突入電流抑制が可能であり、外部の突入電流抑制信号生成回路を必要とせず、負荷接続の突入電流を抑えることにより、直流電源がスイッチング電源であれば負荷接続による電源電圧の過渡応答現象を抑え、回路動作の安定と回路素子の劣化を防ぐことができる。   The present invention aims to solve the above-mentioned problems of the prior art. For example, if an ON signal is input to a semiconductor switching element, an inrush current can be suppressed by a few active components, and an external inrush current suppression signal can be obtained. If the DC power supply is a switching power supply, the transient response phenomenon of the power supply voltage due to the load connection can be suppressed, and the stability of the circuit operation and the deterioration of the circuit elements can be prevented. it can.

直流電源が蓄電池であれば負荷への過大な突入電流を制限することにより蓄電池の劣化を保護できる。   If the DC power supply is a storage battery, the deterioration of the storage battery can be protected by limiting an excessive inrush current to the load.

この目的を達成するために、本発明に係る突入電流抑制回路は、直流電源と負荷の間に挿入し、直流電源から負荷への電力供給のオン/オフを半導体スイッチング素子のゲート電位により制御する回路において。
半導体スイッチング素子のドレインから負荷への出力電圧の立ち上がり電圧を、コンデンサを介し逆流阻止ダイオードのアノードに接続し、該ダイオードのカソードを半導体スイッチング素子のゲートにフィードバックさせる負帰還回路であって、半導体スイッチング素子がオフであれば、ソースに接続されたPNPトランジスタのエミッタと、ドレインに接続された前記PNPトランジスタのベースが電位差を検出し、前記PNPトランジスタのコレクタは前記逆流阻止ダイオードのアノードの電位を半導体スイッチング素子のソースと同電位にするように接続された電位差検出回路を設けて構成することを特徴としている突入電流抑制回路。
In order to achieve this object, an inrush current suppression circuit according to the present invention is inserted between a DC power supply and a load, and on / off of power supply from the DC power supply to the load is controlled by a gate potential of the semiconductor switching element. In the circuit.
A negative feedback circuit for connecting a rising voltage of an output voltage from a drain of a semiconductor switching element to a load via a capacitor to an anode of a reverse current blocking diode and feeding back the cathode of the diode to a gate of the semiconductor switching element. If the element is off, the emitter of the PNP transistor connected to the source and the base of the PNP transistor connected to the drain detect a potential difference, and the collector of the PNP transistor detects the potential of the anode of the reverse current blocking diode as a semiconductor. An inrush current suppression circuit comprising a potential difference detection circuit connected to have the same potential as the source of a switching element.

負荷と直列に接続された過電流検出用抵抗素子を備え、負荷に流れる電流が過電流であれば、過電流検出用抵抗素子の端子間の電位差に基づき、前記制御用トランジスタのベース電位をオフの電位に降下させる過電流検出回路を備えたことを特徴している突入電流抑制回路。   If the overcurrent detection resistor element is connected in series with the load and the current flowing through the load is an overcurrent, the base potential of the control transistor is turned off based on the potential difference between the terminals of the overcurrent detection resistor element. An inrush current suppression circuit comprising an overcurrent detection circuit that drops the potential to a negative current.

以上説明したとおり、本発明によれば、直流電源に負荷を接続する時、突入電流抑制機能を有するオン/オフ制御を半導体スイッチング素子で構成し小型化と低コスト化を達成できる。   As described above, according to the present invention, when a load is connected to a DC power supply, the on / off control having an inrush current suppressing function is configured by the semiconductor switching element, thereby achieving downsizing and cost reduction.

本発明の突入電流抑制機能を有する、半導体スイッチング素子による直流電源オン/オフ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the DC power supply on / off circuit by a semiconductor switching element which has the inrush current suppression function of this invention. 突入電流抑制機能を有しない半導体スイッチング素子による負荷接続(オフからオン)時の出力電圧の波形である。It is a waveform of the output voltage at the time of load connection (off to on) by a semiconductor switching element having no inrush current suppression function. 本発明の突入電流抑制回路による、半導体スイッチング素子による負荷接続(オフからオン)時の出力電圧の波形である。It is a waveform of the output voltage at the time of load connection (OFF to ON) by a semiconductor switching element by the inrush current suppression circuit of the present invention. 本発明の突入電流抑制機能の遷移を示す図である。It is a figure which shows the transition of the inrush current suppression function of this invention. 突入電流抑制回路に逆流阻止ダイオードを付加しない回路に、直流電源BT1を後から接続した時の誤った出力電源立ち上がりを示す波形である。It is a waveform showing an erroneous output power supply rise when the DC power supply BT1 is connected later to a circuit that does not add a backflow prevention diode to the inrush current suppression circuit. 電位差検出回路を付加せず、帰還用コンデンサの放電用ダイオードをGND電位から接続した回路例である。This is a circuit example in which a discharging diode of a feedback capacitor is connected from a GND potential without adding a potential difference detection circuit. 図6の回路例による電源投入時の出力電圧の立ち上がり波形と直流電源BT1の電圧波形である。FIG. 7 is a rising waveform of an output voltage when the power is turned on and a voltage waveform of the DC power supply BT1 according to the circuit example of FIG. 図1の回路図に過電流検出用抵抗素子を付加した回路例の構成を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a circuit example in which an overcurrent detection resistance element is added to the circuit diagram of FIG. 1.

以下、本発明の突入電流抑制回路について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも本発明の本質的なものであるとは限らない。   The inrush current suppression circuit of the present invention will be described below with reference to the drawings. The same or equivalent components shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated description is appropriately omitted. Further, the embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the present invention.

この突入電流抑制回路は、図1に示すように、
・直流電圧を供給する電源としてのBT1と、
・TTLの信号に基づき電源のオン/オフの制御を行う制御用素子のトランジスタQ3と、
・制御用素子Q3の出力によってゲートが電位降下することでオンされ、負荷への電源供給のオン/オフを行う半導体スイッチング素子のPchパワーMOSFETQ1と、
・半導体スイッチング素子Q1のソースに接続されたPNPトランジスタQ2のエミッタと、同じくQ1のドレインに接続されたQ2のベースと、
・半導体スイッチング素子Q1のドレインには負荷として負荷抵抗のRLと容量性負荷のCLが接続されている。
・また、半導体スイッチング素子Q1のドレインにはコンデンサC1が接続され、C1の残る一方の端子は逆流阻止ダイオードD1のアノードに接続され、D1のカソードはQ1のゲートに接続され負帰還回路を形成している。
・そして、コンデンサC1と逆流阻止ダイオードD1のアノードの接続点には、上記トランジスタQ2のコレクタが接続され、半導体スイッチング素子Q1がオフであれば、Q2のエミッタとベースに電位差が生じQ2はオンとなるので、コンデンサC1と逆流阻止ダイオードD1のアノードの接続点には半導体スイッチング素子Q1のソースと同電位のバイアス電圧がトランジスタQ2のコレクタから印加されている。
This inrush current suppression circuit, as shown in FIG.
-BT1 as a power source for supplying DC voltage;
A control element transistor Q3 for controlling on / off of the power supply based on the TTL signal;
A Pch power MOSFET Q1 of a semiconductor switching element that is turned on when the gate drops due to the output of the control element Q3 and turns on / off the power supply to the load;
An emitter of a PNP transistor Q2 connected to the source of the semiconductor switching element Q1, a base of Q2 also connected to the drain of Q1,
A load resistance RL and a capacitive load CL are connected to the drain of the semiconductor switching element Q1 as a load.
The capacitor C1 is connected to the drain of the semiconductor switching element Q1, the other terminal of C1 is connected to the anode of the reverse current blocking diode D1, and the cathode of D1 is connected to the gate of Q1 to form a negative feedback circuit. ing.
The collector of the transistor Q2 is connected to the connection point between the capacitor C1 and the anode of the reverse current blocking diode D1, and if the semiconductor switching element Q1 is off, a potential difference occurs between the emitter and base of Q2 and Q2 is on. Therefore, a bias voltage having the same potential as the source of the semiconductor switching element Q1 is applied from the collector of the transistor Q2 to the connection point between the capacitor C1 and the anode of the reverse current blocking diode D1.

なお、突入電流抑制を行わない事例として(図2)に波形を示す。
突入電流抑制を行わない事例の条件は、(図1)の回路図を基に説明すると。
・直流電源BT1に商用電源AC100V入力で、定格出力はDC12V 0.9A の汎用スイッチングレギュレータ(ユニット)を使用。
・負荷抵抗RLは27Ω、よって上記スイッチングレギュレータ(ユニット)の定格電流の約50%の電流、0.44Aが流れる負荷抵抗である。
・容量性負荷CLは1000uF
・突入電流抑制を機能させないために、(図1)の回路図から突入電流抑制回路部品を削除(Q2,D1,C1等)
である。
In addition, a waveform is shown in FIG. 2 as an example in which inrush current suppression is not performed.
The condition of the case where inrush current suppression is not performed will be described based on the circuit diagram of FIG.
・ Commercial power supply AC100V input to DC power supply BT1 and rated output DC12V 0.9A general-purpose switching regulator (unit) is used.
The load resistance RL is 27Ω, and therefore, a load resistance through which 0.44 A, a current that is approximately 50% of the rated current of the switching regulator (unit), flows.
・ Capacitive load CL is 1000uF
-In order to prevent inrush current suppression from functioning, delete inrush current suppression circuit components from the circuit diagram of (Fig. 1) (Q2, D1, C1, etc.)
It is.

そして、突入電流抑制を行わない事例(図2)の波形は、波形中央付記でオンと(負荷接続)した結果、波形下側のch2の直流電源BT1の電圧が、一旦、定格電圧の約半分の6.2Vまで下降し、約15mse後に電圧が復帰している。波形上側のch1は負荷RLとCLへの供給電圧の波形であり、負荷RLとCLへの供給電圧は直流電源BT1の電圧復帰にあわせ上昇し、約15mse後に安定している。   The waveform of the case where the inrush current is not suppressed (FIG. 2) is turned on (load connection) in the waveform center, and as a result, the voltage of the DC power source BT1 of ch2 on the lower side of the waveform is once about half of the rated voltage. The voltage dropped to 6.2V, and the voltage returned after about 15mse. The upper ch1 of the waveform is the waveform of the supply voltage to the loads RL and CL, and the supply voltage to the loads RL and CL rises with the voltage recovery of the DC power supply BT1 and stabilizes after about 15 ms.

以下、本発明の実施例について述べる。   Examples of the present invention will be described below.

(実施例1)
例として、(図1)の回路図の突入電流抑圧回路は、本発明の基本機能を示す回路図である。
Example 1
As an example, the inrush current suppression circuit in the circuit diagram of FIG. 1 is a circuit diagram showing the basic function of the present invention.

(図1)の回路図において、例えば直流電源BT1が+12V(以下、+を略し12Vと記す)であって負荷への電源供給がオフ時の状態では、各半導体素子の電圧は次の通りである。
・制御用トランジスタ Q3 (ベース0V、コレクタ12V、エミッタ0V)
・スイッチング素子PchパワーMOSFET Q1 (ソース12V、ゲート12V、ドレイン0V)
・電位差検出用トランジスタ Q2 (ベース11.4V、コレクタ12V、エミッタ12V)
・逆流阻止ダイオード D4 (アノード12V、カソード12V)
In the circuit diagram of FIG. 1, for example, when the DC power supply BT1 is + 12V (hereinafter abbreviated as 12V) and the power supply to the load is off, the voltage of each semiconductor element is as follows. is there.
・ Control transistor Q3 (base 0V, collector 12V, emitter 0V)
Switching element Pch power MOSFET Q1 (source 12V, gate 12V, drain 0V)
-Potential difference detection transistor Q2 (base 11.4V, collector 12V, emitter 12V)
・ Backflow prevention diode D4 (Anode 12V, Cathode 12V)

同じく(図1)の回路図において、直流電源BT1が12Vであって負荷への電源供給がオン時の状態では、各半導体素子の電圧は次の通りである。
・制御用トランジスタ Q3 (ベース0.6V、コレクタ0V、エミッタ0V)
・スイッチング素子PchパワーMOSFET Q1 (ソース12V、ゲート約0V、ドレイン12V)
・電位差検出用トランジスタ Q2 (ベース12V、コレクタ約0V、エミッタ12V)
・逆流阻止ダイオード D4 (アノード約0V、カソード約0V)
Similarly, in the circuit diagram of FIG. 1, when the DC power supply BT1 is 12V and the power supply to the load is on, the voltages of the respective semiconductor elements are as follows.
・ Control transistor Q3 (base 0.6V, collector 0V, emitter 0V)
Switching element Pch power MOSFET Q1 (source 12V, gate approximately 0V, drain 12V)
-Potential difference detection transistor Q2 (base 12V, collector about 0V, emitter 12V)
・ Backflow prevention diode D4 (Anode approximately 0V, cathode approximately 0V)

そして、本発明の特徴である電源供給オフからオンへの遷移期間において、逆流阻止ダイオードD1のアノードとカソード間に、各々逆方向の電位変化の電圧を印加し、負荷への電源供給オフからオンへの遷移初期において、高速で逆流阻止ダイオードD1にVfを超える電圧を印加し、突入電流抑制の負帰還回路の機能を有効にしている。   Then, during the transition period from the power supply OFF to ON, which is a feature of the present invention, a reverse potential change voltage is applied between the anode and the cathode of the reverse current blocking diode D1 to turn on the load from the power supply OFF. In the early stage of transition to, a voltage exceeding Vf is applied to the reverse current blocking diode D1 at high speed, thereby enabling the function of the negative feedback circuit for suppressing the inrush current.

詳しくは、(図4)に基づき説明すると、オフからオンへ移行する過程において突入電流抑制が行われるのは遷移期間である。特にスイッチング素子のPchパワーMOSFETQ1はオフの状態では高抵抗の半導体素子であり、オンの状態では飽和領域であって低抵抗の半導体として機能する。   In detail, based on (FIG. 4), inrush current suppression is performed during the transition period in the process of shifting from OFF to ON. In particular, the Pch power MOSFET Q1 of the switching element is a high resistance semiconductor element in the off state, and functions as a low resistance semiconductor in the saturation region in the on state.

そして、突入電流抑制は上記PchパワーMOSFETQ1を非飽和領域で動作させ、オフからオンへ移行する過程でQ1を高抵抗から低抵抗の半導体素子として動作を行わせることで突入電流抑制を達成している。   Inrush current suppression is achieved by operating the Pch power MOSFET Q1 in the non-saturation region and operating Q1 as a semiconductor element having a high resistance to a low resistance in the process of switching from off to on. Yes.

具体的にはTTLの制御信号に基づき、オフ(0V)からオン(5V)によって制御用トランジスタQ3がオンし、Q3のコレクタが0Vになると、PchパワーMOSFETQ1のゲートと逆流阻止ダイオードD1のカソードの接続点は電源電圧とほぼ同電位の12Vから(デルタ)Vthで徐々に0Vに電位を引き下げられ始める、従ってQ1はオフからオン状態へ移行を開始し、Q1のドレイン電位は0Vから12Vへ上昇を始める。そして、負帰還用コンデンサC1の片方の端子はQ1のドレインに接続されているので電位の上昇を得て、C1の残る端子は予め12Vの電位が印加された逆流素子ダイオードD1のアノードへQ1のドレイン電位の上昇を伝えようとするが、D1のカソードはQ1のゲートに接続されていて、ダイオードD1のアノード電位は(デルタ)Vth+(D1のVf)の電位を保ちながら機能する負帰還回路であるから、Q1のゲートの電位に引き下げられながら下降し、先述のQ3のコレクタが0VなのでR4とC1の時定数等で最終的にQ1のゲートとD1のカソードの接続点は0V付近の電位となり、併せてダイオードD1のアノード電位も0V付近まで下降し、そしてスイッチング用パワーMOSFETQ1はVthの印加電圧を超え、完全オンの飽和領域で低抵抗で負荷に電力を供給する半導体素子となる。   Specifically, based on the TTL control signal, the control transistor Q3 is turned on by turning off (0V) to on (5V), and when the collector of Q3 becomes 0V, the gate of the Pch power MOSFET Q1 and the cathode of the reverse current blocking diode D1 are connected. The connection point begins to gradually decrease from 12V, which is the same potential as the power supply voltage, to 0V at (delta) Vth. Therefore, Q1 starts to shift from OFF to ON, and the drain potential of Q1 increases from 0V to 12V. Begin. Since one terminal of the negative feedback capacitor C1 is connected to the drain of Q1, an increase in potential is obtained, and the remaining terminal of C1 is connected to the anode of the reverse current element diode D1 to which a potential of 12 V has been applied in advance. An attempt is made to convey the rise in drain potential, but the cathode of D1 is connected to the gate of Q1, and the anode potential of diode D1 is a negative feedback circuit that functions while maintaining the potential of (delta) Vth + (Vf of D1). Therefore, it falls while being pulled down to the potential of the gate of Q1, and since the collector of Q3 is 0V, the connection point between the gate of Q1 and the cathode of D1 finally becomes a potential around 0V by the time constant of R4 and C1. At the same time, the anode potential of the diode D1 also drops to near 0V, and the switching power MOSFET Q1 exceeds the applied voltage of Vth, A semiconductor element for supplying electric power to a load of low resistance in the saturation region of the all-on.

従って、遷移期間のQ1のゲートにはVthに満たない電圧が印加され、Vthを超えるまでの期間、Q1のソースとゲート間の抵抗値をオフからオンに向って徐々に減少させ、最終的にオン(低抵抗として動作)する半導体として機能する。この時、遷移期間中のQ1のオン抵抗の変化によって負荷への突入電流抑圧を行うのが本発明の実施例である。   Therefore, a voltage less than Vth is applied to the gate of Q1 in the transition period, and during the period until Vth is exceeded, the resistance value between the source and gate of Q1 is gradually decreased from OFF to ON, and finally It functions as a semiconductor that turns on (operates as a low resistance). At this time, in the embodiment of the present invention, the inrush current to the load is suppressed by the change of the on-resistance of Q1 during the transition period.

なお、本発明の突入電流抑圧回路における、出力オフから完全オンへ遷移する所要時間は帰還用コンデンサC2の容量値及び抵抗素子R4で決定可能であるが、直流電源BT1の電源インピーダンスと負荷抵抗RLと負荷容量CLにも依存するため、出力オフから完全オンへ遷移する所要時間は、帰還用コンデンサC2の容量値及び抵抗素子R4の抵抗値で適宜調整すればよい。   In the inrush current suppressing circuit of the present invention, the time required for transition from output OFF to complete ON can be determined by the capacitance value of the feedback capacitor C2 and the resistance element R4, but the power supply impedance and load resistance RL of the DC power supply BT1. Therefore, the time required for transition from the output off state to the complete on state may be appropriately adjusted by the capacitance value of the feedback capacitor C2 and the resistance value of the resistance element R4.

また、(図1)の回路図に記載の逆流阻止ダイオードD1の作用について説明すると、D1が挿入されて無い短絡状態で(図1)の回路に直流電源BT1を接続(後で接続)すると、TTLの制御信号がオフにも関わらす、スイッチング素子のPchパワーMOSFETQ1のゲート電圧がC1とRL,CLによる充電回路を形成し、Q1のゲート電位がソース電位より低くなるため、Q1がオン状態となり、C1充電期間の時間において負荷への給電が行われる不具合が生じる。   Further, the operation of the reverse current blocking diode D1 described in the circuit diagram of FIG. 1 will be described. When the DC power supply BT1 is connected (later connected) to the circuit of FIG. 1 in a short circuit state in which D1 is not inserted, Although the TTL control signal is turned off, the gate voltage of the Pch power MOSFET Q1 of the switching element forms a charging circuit by C1, RL, and CL, and the gate potential of Q1 becomes lower than the source potential, so that Q1 is turned on. , There occurs a problem that power is supplied to the load during the time of the C1 charging period.

そして、本発明の特徴である負帰還用コンデンサC1と逆流阻止ダイオードD1のアノードの接続点の電位をスイッチング用パワーMOSFETQ1のソースと同電位とせず、(図6)のようにC1の放電をGNDからD2を介して行い、C1とD1のアノードの電位をGND近くに設定した場合、突入電流抑制回路は機能せず、BT1の電源電圧も負荷接続と同時に著しく低下する。なお、電源オフからオン時の電圧波形は(図7)のようになり、波形下側ch2はBT1の電圧波形であり、波形上側のch1は負荷への供給電圧波形である。   Then, the potential of the connection point between the negative feedback capacitor C1 and the anode of the reverse current blocking diode D1, which is a feature of the present invention, is not set to the same potential as the source of the switching power MOSFET Q1, and the discharge of C1 is made GND as shown in FIG. When the potentials of the anodes of C1 and D1 are set close to GND, the inrush current suppression circuit does not function, and the power supply voltage of BT1 decreases significantly simultaneously with the load connection. Note that the voltage waveform when the power supply is turned off is as shown in FIG. 7. The lower ch2 of the waveform is the voltage waveform of BT1, and the upper ch1 of the waveform is the supply voltage waveform to the load.

なお、本発明でオンからオフへの動作においては、TTLの制御信号に基づき、オン(5V)からオフ(0V)によって制御用トランジスタQ3がオフし、Q3のコレクタが0Vから12Vに電位上昇すると、PchパワーMOSFETQ1のゲートと逆流阻止ダイオードD1のカソードの接続点も0Vから12Vへ電位上昇するので、Q1はオンからオフ状態へ移行を開始し、Q1のドレイン電位は12Vから0Vへ下降を始める。そして、Q1のドレインに接続されたQ2のベース電位が下降し、エミッタとベースの電位差が0.6Vを超えるとQ2がオンする。これにより、Q2のコレクタに12Vが出力され、R2を介してC1へ12Vを充電すると共に、D1のアノードからカソードに12Vを印加するのでQ1のゲート電位の上昇を更に助ける。従って、Q1がオン状態からオフへの立ち下がり移行時間を早め、電源供給を高速に遮断できる。   In the operation from on to off in the present invention, when the potential of the collector of Q3 rises from 0V to 12V based on the control signal of TTL, the control transistor Q3 is turned off by on (5V) to off (0V). Since the potential at the connection point between the gate of the Pch power MOSFET Q1 and the cathode of the reverse current blocking diode D1 also rises from 0V to 12V, Q1 starts to shift from the on state to the off state, and the drain potential of Q1 begins to fall from 12V to 0V. . Then, the base potential of Q2 connected to the drain of Q1 falls, and when the potential difference between the emitter and the base exceeds 0.6V, Q2 is turned on. As a result, 12V is output to the collector of Q2, 12V is charged to C1 via R2, and 12V is applied from the anode of D1 to the cathode, thereby further assisting in raising the gate potential of Q1. Accordingly, it is possible to shorten the transition time from the ON state to the OFF state of Q1 and cut off the power supply at high speed.

(実施例2)
本発明の(実施例1)では直流電源BT1のプラス側出力をオン/オフ制御する事例を述べたが、マイナス電源出力の直流電源についても同様の機能を有する突入電流抑制回路を構成することは容易である。例えば、スイッチング制御素子のPchパワーMOSFETQ1をNchの素子に置き換え、電位検出トランジスタQ2をNPNへ置き換え、逆流阻素子ダイオードD1の接続方向の入れ替え等である。
(Example 2)
In (Embodiment 1) of the present invention, an example in which the positive output of the direct current power supply BT1 is turned on / off has been described. Easy. For example, the Pch power MOSFET Q1 of the switching control element is replaced with an Nch element, the potential detection transistor Q2 is replaced with NPN, and the connection direction of the backflow blocking element diode D1 is switched.

(実施例3)
本発明の(実施例1)に(図5)の回路図を基に過電流保護機能などを付加するのは容易なことである。
(Example 3)
It is easy to add an overcurrent protection function or the like to (Embodiment 1) of the present invention based on the circuit diagram of (FIG. 5).

(実施例4)
本発明において、負荷抵抗RLが脱着可能である場合、そして負荷抵抗RLが未接続状態では、電位差検出用トランジスタQ2のバイアス電流の経路が失われるため、図1に示すようにRLと並列に、抵抗素子RLDを常時接続することで電位差検出用トランジスタQ2のバイアス電流の経路を確保してもよい。
Example 4
In the present invention, when the load resistor RL is detachable and when the load resistor RL is not connected, the path of the bias current of the potential difference detection transistor Q2 is lost. Therefore, as shown in FIG. The path of the bias current of the potential difference detection transistor Q2 may be secured by always connecting the resistance element RLD.

(実施例5)
本発明の突入電流抑圧回路において、負荷の仕様に合わせ、オフからオンへの立ち上がり時間を随時変更したい場合、あるいは傾きを組み合わせたい場合には、R4の抵抗素子部分に複数の異なる抵抗値を設け、アナログスイッチ等でR4の抵抗値を切り替えることにより、立ち上がり時間、あるいは立ち上がりの途中から傾きを変化させるなどの操作が可能である。
(Example 5)
In the inrush current suppression circuit of the present invention, when it is desired to change the rise time from OFF to ON at any time according to the load specification or to combine the slopes, a plurality of different resistance values are provided in the resistance element portion of R4. By switching the resistance value of R4 with an analog switch or the like, it is possible to perform operations such as rising time or changing the slope from the middle of rising.

また、負荷接続による直流電源BT1の電圧変化をコンパレーター等で監視し、新たな負荷接続により直流電源BT1の電圧が大きく変動し、事前に接続された他の負荷への電圧変動の影響が考えられる場合、直流電源BT1の電圧を監視しながら、前記BT1の電圧監視を行うコンパレータの出力を、前記アナログスイッチに接続し、R4の抵抗値を切り替えることにより、立ち上がり時間の制御を行い、負荷への供給電圧の立ち上がりを制御し、直流電源BT1の電圧変動を抑えることも可能である。   Also, the voltage change of the DC power supply BT1 due to the load connection is monitored by a comparator or the like, and the voltage of the DC power supply BT1 greatly fluctuates due to the new load connection, and the influence of the voltage fluctuation on other loads connected in advance is considered. When the voltage of the DC power supply BT1 is monitored, the output of the comparator that monitors the voltage of the BT1 is connected to the analog switch, and the resistance value of R4 is switched to control the rise time and to the load. It is also possible to control the rise of the supply voltage of the power supply and suppress the voltage fluctuation of the DC power supply BT1.

本発明に係る突入電流抑制回路は、直流電圧を負荷へ供給するオフからオンへの移行時に、半導体スイッチング素子による突入電流抑制を行わせ、無負荷もしくは軽負荷状態でのスイッチングレギュレータ等の直流電源から過剰な電流の流出を抑え、蓄電池においては長寿命化し、様々な電子機器、照明器具、動力機器では使用部品の劣化、破損から保護することができ、直流電圧の負荷への供給手段として有用である。   The inrush current suppression circuit according to the present invention suppresses an inrush current by a semiconductor switching element at the time of transition from off to on to supply a DC voltage to a load, and a DC power source such as a switching regulator in a no load or light load state. It can be used as a means to supply DC voltage load by suppressing excessive current flow from the battery, extending the life of storage batteries, and protecting various electronic devices, lighting fixtures, and power equipment from deterioration and damage. It is.

BT1 直流電源
Q1 半導体スイッチング素子、PchパワーMOSFET
Q2 電位差検出用トランジスタ
Q3 制御用トランジスタ
D1 逆流阻止ダイオード
D2 放電用ダイオード
C1 帰還用コンデンサ
RL 負荷抵抗
CL 容量性負荷
RLD 電位差検出用トランジスタQ2のバイアス電流用抵抗
R7 過電流検出用抵抗
Q4 過電流検出増幅用トランジスタ
BT1 DC power supply Q1 Semiconductor switching element, Pch power MOSFET
Q2 Potential difference detection transistor Q3 Control transistor D1 Backflow blocking diode D2 Discharge diode C1 Feedback capacitor RL Load resistance CL Capacitive load RLD Bias current resistance R7 of potential difference detection transistor Q2 Overcurrent detection resistance Q4 Overcurrent detection amplification Transistor

Claims (2)

直流電源と負荷の間に挿入し、直流電源から負荷への電力供給のオン/オフを半導体スイッチング素子のゲート電位により制御する回路において。
半導体スイッチング素子のドレインから負荷への出力電圧の立ち上がり電圧を、コンデンサを介し逆流阻止ダイオードのアノードに接続し、該ダイオードのカソードを半導体スイッチング素子のゲートにフィードバックさせる負帰還回路であって、半導体スイッチング素子がオフであれば、ソースに接続されたPNPトランジスタのエミッタと、ドレインに接続された前記PNPトランジスタのベースが電位差を検出し、前記PNPトランジスタのコレクタは前記逆流阻止ダイオードのアノードの電位を半導体スイッチング素子のソースと同電位にするように接続された電位差検出回路を設けて構成する突入電流抑制回路。
In a circuit that is inserted between a DC power supply and a load, and on / off of power supply from the DC power supply to the load is controlled by the gate potential of the semiconductor switching element.
A negative feedback circuit for connecting a rising voltage of an output voltage from a drain of a semiconductor switching element to a load via a capacitor to an anode of a reverse current blocking diode and feeding back the cathode of the diode to a gate of the semiconductor switching element. If the element is off, the emitter of the PNP transistor connected to the source and the base of the PNP transistor connected to the drain detect a potential difference, and the collector of the PNP transistor detects the potential of the anode of the reverse current blocking diode as a semiconductor. An inrush current suppression circuit comprising a potential difference detection circuit connected to have the same potential as the source of the switching element.
負荷と直列に接続された過電流検出用抵抗素子を備え、負荷に流れる電流が過電流であれば、過電流検出用抵抗素子の端子間の電位差に基づき、前記制御用トランジスタのベース電位をオフの電位に降下させる過電流回路を備えたことを特徴とする、請求項1に記載の突入電流抑制回路。 If the overcurrent detection resistor element is connected in series with the load and the current flowing through the load is an overcurrent, the base potential of the control transistor is turned off based on the potential difference between the terminals of the overcurrent detection resistor element. The inrush current suppression circuit according to claim 1, further comprising an overcurrent circuit that drops the current to
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