JP2015192522A - 過電流保護機能変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動復帰型専用のコントロールＩＣに対してラッチ停止の機能を追加するもので、リセット・再起動の繰り返しによる無駄な電力消費を未然に回避できるようにする。【解決手段】ラッチ動作部２２は、起動用のスイッチング素子Ｑ１１およびコントロールＩＣ １０の電源入力端子に接続され、起動時および通常動作時にはオフ状態に保持され、過電流時にはターンオンされてグランドレベルに引き込むラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のオフ／オン切り替えによって非導通ラッチ状態と導通ラッチ状態とに切り替えられる。遅延トリガ部２１は、補助電源部と電源入力端子との間に接続されるもので、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２の動作状態について、起動時および通常動作時にはオフ状態を与え、過電流時には過電流発生時より規定の遅延時間をおいてラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２をターンオンさせる。【選択図】図１

Description

本発明はスイッチング電源装置における自動復帰型の過電流保護機能をもつコントロールＩＣに組み合わせるもので、コントロールＩＣの過電流保護機能を自動復帰型からラッチ停止型に切り替えるための過電流保護機能変換装置に関する。

スイッチング電源装置におけるコントロールＩＣに搭載される過電流保護機能には自動復帰型とラッチ停止型とがある。自動復帰型は過電流検出時にコントロールＩＣを一旦リセットした上で、再度起動をかけ、過電流状態が解消されていれば通常動作状態に移行するが、過電流状態が継続していればリセット・再起動を繰り返すというものである。一方、ラッチ停止型は上記の自動復帰型のようなリセット・再起動の繰り返しはせずに、過電流検出時に出力を遮断し、コントロールＩＣが出力遮断状態を保持するというもので、一旦その遮断状態に入ってしまえばＡＣ入力のオン／オフをしない限り、過電流状態が継続していなくても再起動できない。

自動復帰型のコントロールＩＣとしては特許文献１や非特許文献１に記載されたものがある。また、ラッチ停止型と自動復帰型を兼備するコントロールＩＣとして特許文献２、３、４に記載されたものがある。

図５は非特許文献１に掲載された自動復帰型のコントロールＩＣを備えたスイッチング電源装置の従来例を示す回路図、図６はその動作を示すタイミングチャートである。

（１）起動期間Ｔ１
スイッチング電源装置の起動時において、ダイオードブリッジＤＢの出力側のバルクコンデンサＣ１１に現れる１次側整流後のバルク電圧から起動用のスイッチング素子Ｑ１１を通してコントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣに対して充電が開始される。起動用のスイッチング素子Ｑ１１にはデプリーション型のＭＯＳ‐ＦＥＴが用いられる。この起動用のスイッチング素子Ｑ１１はゲート電圧が０ボルトのときでもドレイン電流が流れるノーマリオン型である。コントロールＩＣ １０の電源電圧ＶＣＣがコントロールＩＣ １０の起動電圧Ｖ_ACT に達すると、メインのスイッチング素子Ｑ１２のスイッチング動作が始まり、トランスＴ１の補助巻線Ｎ１３から逆流防止ダイオードＤ１７を通してコントロールＩＣ １０の電源入力端子（ＶＣＣ）へ電力が供給される。このとき、電源電圧ＶＣＣが起動電圧Ｖ_ACT に達すると、それと同時にＡＳＵ（active start-up）端子が負電位となり、起動用のスイッチング素子Ｑ１１はターンオフする。

タイミングチャートで説明すると、起動期間Ｔ１において、コントロールＩＣ １０の電源電圧ＶＣＣがゼロレベルから立ち上がり、次第に上昇する。そして、タイミングｔ１でコントロールＩＣ １０の起動電圧Ｖ_ACT に達する。

（２）立ち上がり期間Ｔ２
電源電圧ＶＣＣが起動電圧Ｖ_ACT に達すると、二次側の出力電圧Ｖ_OUT が急速に上昇し、やがて規定出力電圧レベルに到達する（タイミングｔ２）。なお、電源電圧ＶＣＣが起動電圧Ｖ_ACT に達した直後の起動用のスイッチング素子Ｑ１１のターンオフに伴って、電源電圧ＶＣＣが一瞬低下した後、補助巻線Ｎ１３経由の給電で電源電圧ＶＣＣは再び上昇に転じ、やがて規定電源電圧レベルに達する。

（３）通常動作期間Ｔ３
スイッチング電源装置が通常動作にある期間では、コントロールＩＣ １０の動作電圧は上述の補助巻線Ｎ１３〜逆流防止ダイオードＤ１７の経路で供給され続ける。一次側から二次側への出力電圧Ｖ_OUT を補助巻線Ｎ１３に接続の抵抗分圧器１３で検出し、出力電圧検出端子（Ｖ_SENSE）よりコントロールＩＣ １０に入力する。コントロールＩＣ １０はこの出力電圧が規定範囲内に収まるようにメインのスイッチング素子Ｑ１２をスイッチング制御する。この通常動作期間Ｔ３では、電源電圧ＶＣＣも出力電圧Ｖ_OUT も一定レベルに安定する（タイミングｔ３〜ｔ４）。

（４）過電流状態期間Ｔ４
電流検出端子（Ｉ_SENSE）によってコントロールＩＣ １０に入力した出力電流が過電流を示すとき、コントロールＩＣ １０は過電流保護状態に移行する（タイミングｔ４）。出力電圧が低下し、それに比例して補助巻線Ｎ１３から逆流防止ダイオードＤ１７を経由するコントロールＩＣ １０の電源電圧ＶＣＣも低下し、やがてリセット電圧Ｖ_RST より低下する（タイミングｔ６）。すると、このコントロールＩＣ １０は自動復帰型であるため、起動前の状態に戻る。その後、上述した起動の動作に移るが、過電流状態が継続されていると、起動電圧Ｖ_ACT に達しても出力電圧が立ち上がらず、そのために補助巻線Ｎ１３からの電力供給もできず、メインのスイッチング素子Ｑ１２に対するスイッチング動作を維持できない。つまり、起動しようとして起動できないという状態が継続される。

タイムチャートでは、タイミングｔ４において、過電流検出に伴ってコントロールＩＣ １０の動作が停止され、電源電圧ＶＣＣも出力電圧Ｖ_OUT も比較的急速に低下する。タイミングｔ６で電源電圧ＶＣＣがコントロールＩＣ １０のリセット電圧Ｖ_RST を下回り、コントロールＩＣ １０がリセットされ、ＡＳＵ端子がゼロ電圧とされ、タイミングｔ７で電源電圧ＶＣＣおよび出力電圧Ｖ_OUT がゼロレベルになり、起動用のスイッチング素子Ｑ１１の再度のターンオンによって再起動が行われ、電源電圧ＶＣＣが次第に上昇する。しかし、いまだ過電流状態であるため、出力電圧Ｖ_OUT の方はゼロレベルを保ったままとなる。タイミングｔ８で電源電圧ＶＣＣがコントロールＩＣ １０の起動電圧Ｖ_ACT に達する。出力電圧Ｖ_OUT は上昇しようとするが、いまだ過電流状態であるため、コントロールＩＣ １０は再び動作が停止され、電源電圧ＶＣＣが低下し、出力電圧Ｖ_OUT も低下する。これ以降、過電流状態が続く限り、リセット・再起動が繰り返される。

特開平１０−２４８２５７号公報 特開２００３−１６９４７１号公報 特開２０１１−１４７３１５号公報 特開２０１２−１３９１０１号公報 「iW1699 Product Brief Off-Line Digital Green-Mode Quasi-Resonant PWM Controller」［ｏｎｌｉｎｅ］http://iwatt.com/files/iw1699-product-brief/

上記で説明した図５、図６の従来例のスイッチング電源装置にあっては、そのコントロールＩＣが自動復帰型に構成されている。自動復帰型のコントロールＩＣは高い効率を発揮するものである。しかし、それは過電流状態が比較的早期のうちに回復した場合に該当するが、過電流状態が長時間にわたって継続するときには、リセット・再起動の繰り返しが止まらなくなって電力損失が増大化し、効率的に問題となる。

過電流保護に関して高効率を発揮する自動復帰型のコントロールＩＣを備えたスイッチング電源装置について、過電流状態が長時間にわたって継続すると想定される条件下では、そのスイッチング電源装置にラッチ停止の機能を追加することは非常に重要なことであると言える。しかるに、従来にあっては、ラッチ停止型のコントロールＩＣを備えたスイッチング電源装置において自動復帰の機能を追加するものはあるものの、ここで問題としているところの、自動復帰型のコントロールＩＣを備えたスイッチング電源装置においてラッチ停止の機能を追加するものは知られていない。

本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、スイッチング電源装置に装備される自動復帰型専用のコントロールＩＣに対してラッチ停止の機能を追加するもので、自動復帰の機能だけであれば生じることとなるリセット・再起動の繰り返しによる無駄な電力消費を未然に回避することができる過電流保護機能変換装置を提供することを目的としている。

本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。

本発明による過電流保護機能変換装置は、スイッチング電源装置における自動復帰型の過電流保護機能をもつコントロールＩＣに対して組み合わせることにより、過電流保護機能を自動復帰型からラッチ停止型に切り替える過電流保護機能変換装置である。この過電流保護機能変換装置は、スイッチング電源装置の起動用のスイッチング素子を介してコントロールＩＣの電源入力端子に給電してコントロールＩＣを起動した後に、スイッチング電源装置のメインのスイッチング素子を駆動してスイッチング電源装置の補助電源部から電源入力端子に給電するようになっている。さらに、この過電流保護機能変換装置は、それぞれ次のような機能・構成を有するラッチ動作部と遅延トリガ部とを備えたものとして構成されている。

前記のラッチ動作部は、前記スイッチング電源装置の起動用のスイッチング素子および前記電源入力端子に接続されるもので、起動時および通常動作時にはオフ状態に保持され、過電流時にはターンオンされるラッチ停止用のスイッチング素子のオフ／オン切り替えによって前記電源入力端子をグランドレベルから引き離す非導通ラッチ状態と前記電源入力端子をグランドレベルに引き込む導通ラッチ状態とに切り替え可能に構成されている。

また、前記の遅延トリガ部は、前記スイッチング電源装置における補助電源部と前記電源入力端子との間に接続されるもので、前記ラッチ停止用のスイッチング素子の動作状態について、起動時および通常動作時にはオフ状態を与え、過電流時には過電流発生時より規定の遅延時間をおいて前記ラッチ停止用のスイッチング素子をターンオンさせるように構成されている。

ここでは上記の本発明の過電流保護機能変換装置の構成を図１を用いて説明する。図１は本発明の過電流保護機能変換装置の基本的な構成を示す概念図である。図１において、Ｑ１１は起動用のスイッチング素子、Ｑ１２はメインのスイッチング素子、１０は自動復帰型の過電流保護機能をもつコントロールＩＣ、２０は過電流保護機能変換装置、２１は遅延トリガ部、２２はラッチ動作部、３０は補助電源部である。

ラッチ動作部２２は、スイッチング電源装置の起動用のスイッチング素子Ｑ１１およびコントロールＩＣ １０の電源入力端子（ＶＣＣ）に接続されるもので、起動時および通常動作時にはオフ状態に保持され、過電流時にはターンオンされるラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のオフ／オン切り替えによってコントロールＩＣ １０の電源入力端子（ＶＣＣ）をグランドレベルから引き離す非導通ラッチ状態と電源入力端子（ＶＣＣ）をグランドレベルに引き込む導通ラッチ状態とに切り替え可能に構成されている。また、遅延トリガ部２１は、スイッチング電源装置における補助電源部３０とコントロールＩＣ １０の電源入力端子（ＶＣＣ）との間に接続されるもので、ラッチ動作部２２におけるラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２の動作状態について、起動時および通常動作時にはオフ状態を与え、過電流時には過電流発生時より規定の遅延時間をおいてラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２をターンオンさせるように構成されている。

このように構成された本発明の過電流保護機能変換装置においては、次のような作用が発揮される。

起動用のスイッチング素子Ｑ１１はノーマリオン型でコントロールＩＣ １０の停止状態でオン状態となっている。スイッチング電源装置の主電源が投入されるとオン状態にある起動用のスイッチング素子Ｑ１１を介してコントロールＩＣ １０の電源入力端子（ＶＣＣ）に主電源が供給され、コントロールＩＣ １０が起動される。その結果、コントロールＩＣ １０がメインのスイッチング素子Ｑ１２を駆動し、スイッチング電源装置の一次側から二次側への電力伝達が行われるとともに、補助電源部３０が活性化される。並行してコントロールＩＣ １０は起動用のスイッチング素子Ｑ１１をターンオフさせるが、その前にコントロールＩＣ １０の電源入力端子（ＶＣＣ）には活性化された補助電源部３０からの給電が行われ、コントロールＩＣ １０の立ち上がりは継続される。

ここで、もし、ラッチ動作部２２におけるラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２が導通状態にあってコントロールＩＣ １０の電源入力端子（ＶＣＣ）がグランドレベルに引き込まれると仮定すると、コントロールＩＣ １０の電源電圧ＶＣＣは立ち上がらないことになるが、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２は起動時および通常動作時に非導通ラッチ状態となっているため、電源入力端子（ＶＣＣ）はグランドレベルから切り離され、コントロールＩＣ １０の電源電圧ＶＣＣは立ち上がることになる。このことの補償があれば、上記したメインのスイッチング素子Ｑ１２の駆動、補助電源部３０の活性化への動作推移も補償される。

次に、スイッチング電源装置の一次側主回路に過電流状態が発生したとする。すると、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２がそれまでの非導通ラッチ状態から導通ラッチ状態へと切り替わり、コントロールＩＣ １０の電源入力端子（ＶＣＣ）が導通ラッチ状態にあるラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２を介してグランドレベルとつながる。この場合に、ラッチ動作部２２による電圧降下分の電圧があるのでコントロールＩＣ １０の電源電圧ＶＣＣはグランドレベルよりは高いレベルに持ち上げられる。しかし、そのレベルはコントロールＩＣ １０の起動電圧Ｖ_ACT よりも低いレベルである。したがって、コントロールＩＣ １０が起動されることはない。コントロールＩＣ １０が起動されないので、メインのスイッチング素子Ｑ１２は駆動されないし、補助電源部３０も活性化されない。コントロールＩＣ １０が起動されないので起動用のスイッチング素子Ｑ１１はオン状態を保持する。

以上のようにして、コントロールＩＣ １０の電源電圧ＶＣＣはグランドレベルよりは高く、起動電圧Ｖ_ACT よりは低い電圧に保持される。これは、従来例のような電源電圧ＶＣＣが上昇してコントロールＩＣ １０のリセット電圧Ｖ_RST にまで達する結果、コントロールＩＣ １０の動作としてリセット・再起動の繰り返しが起きるという状態を生じさせないことを意味している。つまり、リセット・再起動の繰り返しは生じないということであり、無駄な電力消費を防止することができる。

ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２にターンオンを起こすには、それなりの制御端子（ゲート）印加電圧が必要である。この電圧は遅延トリガ部２１において補助電源部３０から確保されるようになっている。補助電源部３０は過電流発生によって直ちに非活性化されるから、遅延トリガ部２１の遅延機能がなく単なるトリガ機能だけであれば、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２の制御端子に対する印加電圧が確保できない状況となり、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のターンオンが起こらないままとなる。そうなると、リセット・再起動においてコントロールＩＣ １０の電源電圧ＶＣＣが上昇していく過程でラッチ動作部２２による電圧降下分に基づく上昇規制の機能が働かなくなってしまう。つまり、電源電圧ＶＣＣは自動復帰型のコントロールＩＣの場合と同様に起動電圧Ｖ_ACT まで達してしまう。そうなると、前述のリセット・再起動の繰り返しが始まってしまう。

このことを避けるには、ラッチ動作部２２を駆動する前段の制御部としては単なるトリガ機能だけのものであってはならず、遅延機能をもった遅延トリガ部２１でなければならないことになる。本発明にあっては、ラッチ動作部２２を駆動する前段の制御部として、補助電源部３０から電源を受ける遅延トリガ部２１がある。遅延トリガ部２１は、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２の動作状態について、起動時および通常動作時にはオフ状態を与え、過電流時には過電流発生時より規定の遅延時間をおいてラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２をターンオンさせる。その結果として、過電流発生時に電源電圧ＶＣＣが降下してリセット電圧Ｖ_RST を下回った結果の初回の再起動で電源電圧ＶＣＣが再度上昇していく過程において、その電圧をグランドレベルよりは高く、起動電圧Ｖ_ACT よりは低い電圧に保持し、起動電圧Ｖ_ACT までは上昇させないことにより、コントロールＩＣ １０の再度の起動を回避し、リセット・再起動の繰り返しをなくすことで無駄な電力消費を防止することができるのである。

本発明によれば、スイッチング電源装置に装備される自動復帰型専用のコントロールＩＣに対してラッチ停止の機能を追加するもので、自動復帰の機能だけであれば生じることとなるリセット・再起動の繰り返しによる無駄な電力消費を未然に回避することができる。

本発明の過電流保護機能変換装置の基本的な構成を示す概念図 本発明の実施例における過電流保護機能変換装置の構成を示す回路図 自動復帰型の過電流保護機能をもつコントロールＩＣに本発明実施例の過電流保護機能変換装置を組み合わせたスイッチング電源装置の回路図 本発明の実施例における過電流保護機能変換装置を組み合わせたコントロールＩＣの動作を示すタイミングチャート 従来例（非特許文献１）の自動復帰型のコントロールＩＣを備えたスイッチング電源装置の回路図 従来例（非特許文献１）の自動復帰型のコントロールＩＣの動作を示すタイミングチャート

上記構成の本発明の過電流保護機能変換装置には、次のような好ましい態様がある。

前記のラッチ動作部については、次のように構成することが好ましい。すなわち、前記コントロールＩＣの電源入力端子にツェナーダイオードを介してグランドとの間に接続されたラッチ停止用のスイッチング素子を有している。また、前記ツェナーダイオードと前記電源入力端子との接続点と前記ラッチ停止用のスイッチング素子の制御端子との間に挿入されたラッチ補助用のスイッチング素子および整流ダイオードの直列回路を有している。さらに、前記ラッチ停止用のスイッチング素子の制御端子とグランドとの間に挿入された平滑コンデンサを有している。そして、前記ラッチ停止用のスイッチング素子と前記ツェナーダイオードとの接続点が前記ラッチ補助用のスイッチング素子の制御端子に接続されている、という態様である。

また、前記の遅延トリガ部については、次のように構成することが好ましい。すなわち、前記補助電源部とグランドとの間に挿入された整流ダイオードと平滑コンデンサからなる第１の直列回路を有している。また、前記補助電源部とグランドとの間に挿入された整流ダイオードと平滑コンデンサからなる第２の直列回路を有している。さらに、前記コントロールＩＣの電源入力端子に接続された逆流防止ダイオードとグランドとの間に挿入された抵抗素子と遅延制御用のスイッチング素子からなる第３の直列回路を有している。そして、前記遅延制御用のスイッチング素子の制御端子は前記第１の直列回路における前記平滑コンデンサに接続されている。さらに、前記遅延制御用のスイッチング素子のハイサイド端子は前記ラッチ動作部における前記ラッチ停止用のスイッチング素子の制御端子に接続されている、という態様である。

以下、本発明にかかわる過電流保護機能変換装置の実施例を図面を用いて説明する。

図２は本発明の実施例における過電流保護機能変換装置２０の構成を示す回路図、図３はコントロールＩＣとして自動復帰型の過電流保護機能をもつコントロールＩＣ １０に図１の実施例の過電流保護機能変換装置２０を組み合わせたスイッチング電源装置の回路図、図４は過電流保護機能変換装置２０を組み合わせたコントロールＩＣ １０の動作を示すタイミングチャートである。

まず、スイッチング電源装置の構成について説明する。図３に示すスイッチング電源装置はＡＣ／ＤＣフライバック式のスイッチング電源装置である。ＡＣ電圧源（図示せず）の一方の出力端子に接続されるノードＮにはインダクタＬ１１と抵抗素子Ｒ１１の並列回路が接続され、もう一方の出力端子に接続されるノードＬには抵抗素子Ｒ１２が接続されている。さらに、ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４からなるダイオードブリッジＤＢとバルクコンデンサＣ１１とでブリッジ整流器１１が構成されている。バルクコンデンサＣ１１の正極端子とグランド（ＧＮＤ）との間に抵抗素子Ｒ１３，Ｒ１４と起動用のスイッチング素子Ｑ１１と高周波除去用のコンデンサＣ１２の直列回路が接続されている。起動用のスイッチング素子Ｑ１１とコンデンサＣ１２との接続点がコントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣに接続されている。コンデンサＣ１２とグランドとの接続点がコントロールＩＣ １０のグランド端子ＧＮＤに接続されている。起動用のスイッチング素子Ｑ１１はノーマリオン型であり、スイッチング電源装置のメイン電源のオフ時において導通状態にセットされる。このため起動用のスイッチング素子Ｑ１１はデプリーション型でＮＭＯＳタイプのＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）で構成され、ゲート電圧を０Ｖにしてもドレイン電流が流れるようになっている。起動用のスイッチング素子Ｑ１１のゲートはコントロールＩＣ １０のＡＳＵ（アクティブスタートアップ）端子に接続されている。起動用のスイッチング素子Ｑ１１の導通によりコントロールＩＣ １０が起動すると、コントロールＩＣ １０のＡＳＵ端子の電圧がマイナスレベルにされ、起動用のスイッチング素子Ｑ１１がターンオフするようになっている。

バルクコンデンサＣ１１の正極端子とグランド（ＧＮＤ）との間にトランスＴ１１の一次巻線Ｎ１１とメインのスイッチング素子Ｑ１２と電流検出用の抵抗素子Ｒ１５の直列回路が接続されている。メインのスイッチング素子Ｑ１２もＮＭＯＳ型のＦＥＴで構成されている。このメインのスイッチング素子Ｑ１２はエンハンスメント型のＦＥＴでノーマリオフ型に構成されている。メインのスイッチング素子Ｑ１２と電流検出用の抵抗素子Ｒ１５との接続点がコントロールＩＣ １０の電流検出端子（ＩＳ）Ｉ_SENSEに接続されている。メインのスイッチング素子Ｑ１２のゲート端子はコントロールＩＣ １０のスイッチング信号出力端子ＯＵＴＰＵＴに接続されている。

トランスＴ１１の一次巻線Ｎ１１とメインのスイッチング素子Ｑ１２との接続点はスナバ回路１２を介してバルクコンデンサＣ１１の正極端子に接続されている。スナバ回路１２は整流ダイオードＤ１５と抵抗素子Ｒ１６および抵抗素子Ｒ１７とコンデンサＣ１３の並列回路で構成されている。スナバ回路１２はメインのスイッチング素子Ｑ１２の遮断時に生じる過渡的な高電圧を吸収する保護回路である。

トランスＴ１１の二次巻線Ｎ１２の両端間に整流ダイオード（ツェナーダイオード）Ｄ１６と平滑コンデンサＣ１４の直列回路が接続され、平滑コンデンサＣ１４の両端間にプレ負荷用の抵抗素子Ｒ１８が接続され、プレ負荷用の抵抗素子Ｒ１８の両端に負荷（図示せず）の接続用の出力端子が接続されている。抵抗素子Ｒ１８の正極端子に現れるのがスイッチング電源装置の出力電圧Ｖ_OUT である。一次巻線Ｎ１１と二次巻線Ｎ１２および補助巻線Ｎ１３とは逆極性の関係となっている。

トランスＴ１１の補助巻線Ｎ１３に抵抗分圧器１３を構成する抵抗素子Ｒ１９，Ｒ２０の直列回路が接続され、抵抗素子Ｒ１９，Ｒ２０の接続点がコントロールＩＣ １０の電圧検出端子（ＶＳ）V_SENSEに接続されている。

以上のように構成されたスイッチング電源装置において、図３に示す３つのノードＡ，Ｂ，Ｃに本発明実施例の過電流保護機能変換装置２０を接続するようになっている。

図５の従来例にあっては、補助巻線Ｎ１３と抵抗素子Ｒ１９との接続点が給電ラインＬｎを介してコントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣに接続されているが、本発明実施例では×印で示すように、給電ラインＬｎの途中箇所を分断し、その一方の分断点を過電流保護機能変換装置２０のノードＢに接続し、他方の分断点をノードＣに接続し、起動用のスイッチング素子Ｑ１１とコントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣとの接続点を過電流保護機能変換装置２０のノードＡに接続している。

図２は本発明の実施例の過電流保護機能変換装置２０を具体的に示した回路構成図である。補助巻線Ｎ１３のハイサイド側に形成されたノードＢに整流ダイオードＤ１のアノードが接続され、整流ダイオードＤ１のカソードが平滑コンデンサＣ１の正極端子に接続され、コンデンサＣ１の負極端子がグランド（ＧＮＤ）に接続されている（第１の直列回路）。平滑コンデンサＣ１の両端間に抵抗素子Ｒ１が接続されている。ノードＢと整流ダイオードＤ１との接続点にダイオードＤ２のアノードが接続され、ダイオードＤ２のカソードとグランド（ＧＮＤ）の間に平滑コンデンサＣ２が接続されている（第２の直列回路）。平滑コンデンサＣ２の容量は平滑コンデンサＣ１の容量に比べて充分に大きくされている。

コントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣにカソードが接続された逆流防止ダイオードＤ１７のアノードにノードＣが接続されているが、このノードＣとグランド（ＧＮＤ）との間に抵抗素子Ｒ２、遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１の直列回路が接続されている（第３の直列回路）。遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１はＮＭＯＳ‐ＦＥＴで構成されている。抵抗素子Ｒ２とノードＣとの接続点が平滑コンデンサＣ２の正極端子に接続され、遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１のゲートが平滑コンデンサＣ１の正極端子と抵抗素子Ｒ１の接続点に接続されている。以上で説明したダイオードＤ１，Ｄ２、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２、遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１で遅延トリガ部２１が構成されている。

抵抗素子Ｒ２と遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１との接続点とグランド（ＧＮＤ）の間に抵抗素子Ｒ３が接続されている。抵抗素子Ｒ３に対して平滑コンデンサＣ３が並列に接続されている。平滑コンデンサＣ３の正極端子にラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のゲートが接続されている。このラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２はＮＭＯＳ‐ＦＥＴで構成されている。ノードＡはコントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣに接続されているが、このノードＡとグランド（ＧＮＤ）との間にツェナーダイオード（定電圧ダイオード）ＺＤ１とラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２の直列回路が接続されている。ツェナーダイオードＺＤ１のカソードがノードＡに接続され、そのアノードがラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のドレインに接続されている。ツェナーダイオードＺＤ１とノードＡとの接続点とラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のゲートとの間にラッチ補助用のスイッチング素子Ｑ３と整流ダイオードＤ３の直列回路が接続されている。ラッチ補助用のスイッチング素子Ｑ３はＰＭＯＳ‐ＦＥＴで構成され、そのソースがツェナーダイオードＺＤ１のカソードに接続され、そのドレインが整流ダイオードＤ３のアノードに接続されている。整流ダイオードＤ３のカソードはラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のゲートに接続されている。以上で説明したラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２、ラッチ補助用のスイッチング素子Ｑ３、ツェナーダイオードＺＤ１、整流ダイオードＤ３、平滑コンデンサＣ３および抵抗素子Ｒ３でラッチ動作部２２が構成されている。

次に、上記のように構成された過電流保護機能変換装置を組み合わせたコントロールＩＣの動作を図４のタイミングチャートを用いて説明する。

図４において、Ｔ１はコントロールＩＣ １０の起動期間、Ｔ２は立ち上がり期間、Ｔ３は通常動作期間、Ｔ４は過電流状態期間である。

（１）起動期間Ｔ１
タイミングｔ０において、スイッチング電源装置の電源が投入される。すると、ダイオードブリッジＤＢの出力側のバルクコンデンサＣ１１に現れる１次側整流後のバルク電圧によってノーマリオン型の起動用のスイッチング素子Ｑ１１を通してコントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣに対して充電が開始される。電源電圧ＶＣＣがゼロレベルから立ち上がり、次第に上昇する。そして、タイミングｔ１でコントロールＩＣ １０の起動電圧Ｖ_ACT に達し、メインのスイッチング素子Ｑ１２のスイッチング動作が始まる。そして、トランスＴ１の補助巻線Ｎ１３から逆流防止ダイオードＤ１７を通してコントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣへ電力が供給される。電源電圧ＶＣＣが起動電圧Ｖ_ACT に達すると、それと同時にＡＳＵ（active start-up）端子が負電位となり、起動用のスイッチング素子Ｑ１１はターンオフする。

（２）立ち上がり期間Ｔ２
タイミングｔ１で電源電圧ＶＣＣが起動電圧Ｖ_ACT に達すると、コントロールＩＣ １０はＡＳＵ端子の電圧をマイナスレベルにする。これにより、起動用のスイッチング素子Ｑ１１はターンオフする。その後、補助巻線Ｎ１３経由の給電でコントロールＩＣ １０は動作を継続し、出力電圧Ｖ_OUT が立ち上がって規定電圧に到達する。このとき、電源電圧ＶＣＣも出力電圧Ｖ_OUT の上昇に合わせて上昇する。補助巻線Ｎ１３で発生した電圧によりノードＢから過電流保護機能変換装置２０の遅延トリガ部２１に電流が流れ込む。コントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣに対する電源供給がタイミングｔ１からタイミングｔ２にかけてごく短時間のうちに起動用のスイッチング素子Ｑ１１を通る経路から補助巻線Ｎ１３→整流ダイオードＤ２→ノードＣ→逆流防止ダイオードＤ１７を通る経路に切り替えられる。

補助巻線Ｎ１３で発生した電圧により整流ダイオードＤ１を通って平滑コンデンサＣ１に対し急速に充電が行われる。平滑コンデンサＣ１の充電電圧は「Ｄ」で表されているが、タイミングｔ１からタイミングｔ２までのごく短時間のうちに急峻に立ち上がっている。

一方、平滑コンデンサＣ２に対しても充電が行われるが、平滑コンデンサＣ２の静電容量は平滑コンデンサＣ１の静電容量より充分に大きいので、平滑コンデンサＣ２の充電電圧はゆっくりと上昇する。平滑コンデンサＣ２の充電電圧は「Ｃ」で表されている。

タイミングｔ２で平滑コンデンサＣ１が満充電になり、遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧がしきい値電圧を超え、遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１はターンオンする。このとき、平滑コンデンサＣ２の充電電圧が低いため、遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１がターンオンする前に、平滑コンデンサＣ２から抵抗素子Ｒ２を経由してラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２がターンオンすることはない。遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１がターンオンしてグランドレベルに引かれると、ラッチ動作部２２におけるラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のゲート電圧が“Ｌ”レベルに保持されたままとなる。換言すれば、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のゲートが“Ｈ”レベルになる前に遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１のゲートが“Ｈ”レベルとなって遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１がターンオンする。そのため、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のゲートは“Ｌ”レベルのままであり、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２は非導通状態に保持される。

（３）通常動作期間Ｔ３
スイッチング電源装置が通常動作状態にある期間Ｔ３では、コントロールＩＣ １０の動作電圧は上述の補助巻線Ｎ１３→整流ダイオードＤ２→ノードＣ→逆流防止ダイオードＤ１７を通る経路で供給され続ける。補助巻線Ｎ１３の電圧を抵抗素子Ｒ１９，Ｒ２０による抵抗分圧器１３で検出し、出力電圧検出端子（Ｖ_SENSE）よりコントロールＩＣ １０に入力する。コントロールＩＣ １０はこの検出電圧が規定範囲内に収まるようにメインのスイッチング素子Ｑ１２をスイッチング制御する。この通常動作期間Ｔ３では、電源電圧ＶＣＣも出力電圧Ｖ_OUT も一定レベルに安定する。

（４）過電流状態期間Ｔ４
タイミングｔ４において過電流が発生したとする。電流検出用の抵抗素子Ｒ１５に接続の電流検出端子（Ｉ_SENSE）によってコントロールＩＣ １０に入力された検出電流が過電流を示すとき、コントロールＩＣ １０は過電流保護状態に移行する。従来例の図６の場合、電源電圧ＶＣＣも出力電圧Ｖ_OUT も低下し、それに比例し補助巻線Ｎ１３から逆流防止ダイオードＤ１７を経由するコントロールＩＣ １０の電源電圧ＶＣＣも低下し、やがてタイミングｔ６でリセット電圧Ｖ_RST より低下する。すると、このコントロールＩＣ １０は自動復帰型であるため、起動前の状態に戻る。その後、上述した起動の動作に移るが、過電流状態が継続されていると、電源電圧ＶＣＣが起動電圧Ｖ_ACT に達しても出力電圧Ｖ_OUT は立ち上がらない。そのために補助巻線Ｎ１３からの電力供給もできず、メインのスイッチング素子Ｑ１２に対するスイッチング動作を維持できない。つまり、起動しようとして起動できないという状態が継続される。

本発明の実施例においては、タイミングｔ４からタイミングｔ５までのごく短時間に平滑コンデンサＣ１は放電され、平滑コンデンサＣ２の充電電圧が高い状態のうちに遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１のゲートが“Ｌ”レベルとなって遅延制御用のスイッチング素子Ｑ１がターンオフし、グランド（ＧＮＤ）から切り離される。すると、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のゲートに対して平滑コンデンサＣ２からある時定数をもって充電が行われる。タイミングｔ６において電源電圧ＶＣＣがリセット電圧Ｖ_RST を下回った後に、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のゲート電圧がしきい値電圧に達し、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２がターンオンする。

電源電圧ＶＣＣがリセット電圧Ｖ_RST より低下すると起動時と同じようにまた起動用のスイッチング素子Ｑ１１から充電を始めるが、今度はラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２がターンオンしているため、起動用のスイッチング素子Ｑ１１→ノードＡ→ツェナーダイオードＺＤ１→ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２の経路で電流が流れ、コントロールＩＣ １０の電源入力端子ＶＣＣはツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧Ｖ_ZDまで充電される。すると、ラッチ補助用のスイッチング素子Ｑ３のゲート・ソース間もツェナー電圧Ｖ_ZDが印加され、ラッチ補助用のスイッチング素子Ｑ３はターンオンする。ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２のゲートにも整流ダイオードＤ３を介してツェナー電圧Ｖ_ZDが印加され、ラッチ停止用のスイッチング素子Ｑ２およびラッチ補助用のスイッチング素子Ｑ３の導通状態が保持される。ここで、ツェナー電圧Ｖ_ZDはコントロールＩＣ １０の起動電圧Ｖ_ACT より低く設定しているためにコントロールＩＣ １０は動作開始せず、この停止状態が保持される。つまりラッチ停止状態となる。

以上説明したように、元は自動復帰型の過電流保護機能をもつコントロールＩＣ １０をベースとして用いながら、本発明実施例の過電流保護機能変換装置２０を組み合わせることにより、ラッチ停止型の過電流保護機能の下でスイッチング電源装置を制御することができるようになった。つまり、図６の過電流状態期間Ｔ４に見られるリセット・再起動の繰り返しの無駄な動作を抑え込み、消費電力の無意味な増大を防止することができるようになった。

なお、本発明実施例の過電流保護機能変換装置２０を組み合わせたスイッチング電源装置においては、出力が過電流状態または短絡状態で、装置のメイン電源を投入した場合においてもラッチ停止状態を保持することになる。

本発明の過電流保護機能変換装置は、スイッチング電源装置に装備される自動復帰型専用のコントロールＩＣに対してラッチ停止の機能を追加するもので、自動復帰の機能だけであれば生じることとなるリセット・再起動の繰り返しによる無駄な電力消費を未然に回避する技術として有用である。

１０ コントロールＩＣ
２０ 過電流保護機能変換装置
２１ 遅延トリガ部
２２ ラッチ動作部
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ 平滑コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 整流ダイオード
Ｑ１ 遅延制御用のスイッチング素子
Ｑ２ ラッチ停止用のスイッチング素子
Ｑ３ ラッチ補助用のスイッチング素子
Ｑ１１ 起動用のスイッチング素子
Ｑ１２ メインのスイッチング素子
ＺＤ１ ツェナーダイオード

Claims (4)

1. スイッチング電源装置における自動復帰型の過電流保護機能をもつコントロールＩＣに対して組み合わせることにより、過電流保護機能を自動復帰型からラッチ停止型に切り替える過電流保護機能変換装置であって、
   前記スイッチング電源装置の起動用のスイッチング素子を介して前記コントロールＩＣの電源入力端子に給電して前記コントロールＩＣを起動した後に、前記スイッチング電源装置のメインのスイッチング素子を駆動して前記スイッチング電源装置の補助電源部から前記電源入力端子に給電し、
   前記スイッチング電源装置の起動用のスイッチング素子および前記電源入力端子に接続されるもので、起動時および通常動作時にはオフ状態に保持され、過電流時にはターンオンされるラッチ停止用のスイッチング素子のオフ／オン切り替えによって前記電源入力端子をグランドレベルから引き離す非導通ラッチ状態と前記電源入力端子をグランドレベルに引き込む導通ラッチ状態とに切り替え可能なラッチ動作部と、
   前記スイッチング電源装置における補助電源部と前記電源入力端子との間に接続されるもので、前記ラッチ停止用のスイッチング素子の動作状態について、起動時および通常動作時にはオフ状態を与え、過電流時には過電流発生時より規定の遅延時間をおいて前記ラッチ停止用のスイッチング素子をターンオンさせる遅延トリガ部とを備えた過電流保護機能変換装置。
2. 前記ラッチ動作部と遅延トリガ部は、過電流時に前記電源入力端子の電圧をグランドレベルより高く前記コントロールＩＣの起動電圧よりも低い状態に保持するように構成されている請求項１に記載の過電流保護機能変換装置。
3. 前記ラッチ動作部は、前記コントロールＩＣの電源入力端子にツェナーダイオードを介してグランドとの間に接続されたラッチ停止用のスイッチング素子と、前記ツェナーダイオードと前記電源入力端子との接続点と前記ラッチ停止用のスイッチング素子の制御端子との間に挿入されたラッチ補助用のスイッチング素子および整流ダイオードの直列回路と、前記ラッチ停止用のスイッチング素子の制御端子とグランドとの間に挿入された平滑コンデンサとを備え、前記ラッチ停止用のスイッチング素子と前記ツェナーダイオードとの接続点が前記ラッチ補助用のスイッチング素子の制御端子に接続されている請求項１または請求項２に記載の過電流保護機能変換装置。
4. 前記遅延トリガ部は、前記補助電源部とグランドとの間に挿入された整流ダイオードと平滑コンデンサからなる第１の直列回路と、前記補助電源部とグランドとの間に挿入された整流ダイオードと平滑コンデンサからなる第２の直列回路と、前記コントロールＩＣの電源入力端子に接続された逆流防止ダイオードとグランドとの間に挿入された抵抗素子と遅延制御用のスイッチング素子からなる第３の直列回路とを備え、前記遅延制御用のスイッチング素子の制御端子は前記第１の直列回路における前記平滑コンデンサに接続され、前記遅延制御用のスイッチング素子のハイサイド端子は前記ラッチ動作部における前記ラッチ停止用のスイッチング素子の制御端子に接続されている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の過電流保護機能変換装置。

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