JP2016048995A

JP2016048995A - 保護回路

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Publication number: JP2016048995A
Application number: JP2014173467A
Authority: JP
Inventors: 拓也岡; Takuya Oka
Original assignee: Onkyo and Pioneer Technology Corp
Current assignee: Onkyo and Pioneer Technology Corp
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: JP6048462B2; US9866009B2; US20160064919A1

Abstract

【課題】ＡＣアダプタと負荷回路の間に設けられる保護回路において、ＡＣアダプタから供給される電力で動作し、ソフトスタート機能を有し過電圧等の保護も行えるようにすることである。
【解決手段】オーディオ機器１０は、音響回路本体である負荷回路１２とスピーカー等と共に、ＡＣアダプタ８側に保護回路２０を含んで構成される。保護回路２０は、ＡＣアダプタ８に接続される入力端子２２と、負荷回路１２に接続される出力端子２４と、入力端子２２から出力端子２４に向かって延びる給電ライン２５と、給電ライン２５に沿ってスイッチ部２６とＤＣ／ＤＣコンバータ２８と、給電ライン２５における電圧状態、電流状態を検出して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８と負荷回路１２を保護する保護回路部３０が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、保護回路に係り、特にＡＣアダプタから供給される電力で動作する負荷回路を保護するソフトスタート機能を有する保護回路に関する。

直流電源で動作する民生機器等は、商用電源からＡＣアダプタを介して直流電力の供給を受けることが多い。その際に、指定のＡＣアダプタ以外のＡＣアダプタが接続されると、所定の直流電力が供給されず、過電圧、過電流、低電圧等となって正常に動作できず、場合によっては損傷が生じる。

例えば、特許文献１には、ＡＣアダプタを用いて電源が供給される電子機器において、ＡＣアダプタの仕様違い等で過電圧が供給されるのを防止するために、ツェナーダイオードと抵抗とトランジスタを用いた過電圧検出回路が述べられている。

民生機器等によっては、過電圧保護回路と共に、ソフトスタート（またはソフトスイッチ）機能を有する保護回路がある。ソフトスタート機能によれば、ＡＣアダプタが挿入された時点から所定の遅延時間をおいて電力の供給を受けることができるので、ＡＣアダプタの挿入時の急激な電圧変化等を緩和できる。

例えば、特許文献２には、異常電圧保護回路として、ＡＣアダプタが接続される入力端子から１５Ｖ以上の供給電圧の電力が供給されるときにオンするツェナーダイオードを含む給電検知回路と、１８Ｖ以上の供給電圧の電力が供給されるときにオンするツェナーダイオードを含む過電圧検知回路と、この２つの検知回路の検知結果に基づいて出力端子に接続される電子回路への給電を制御するマイクロコンピュータを備える構成が開示される。

ここでは、マイクロコンピュータはボタン電池等の内蔵電源で作動し、給電検知回路が１５Ｖ未満を検知するときは出力端子に給電せず、給電検知回路が１５Ｖ以上のときはソフトスタートのためのカウンタ作動を開始し、カウンタが所定時間経過を示すと出力端子に給電を開始するが、途中で過電圧検知回路が１８Ｖ以上を検知するときはカウンタをリセットする。すなわち、入力端子から１５Ｖから１８Ｖの範囲の供給電圧の電力供給が行われたときに、給電検出から所定時間経過した後に出力端子に給電することが述べられている。

また、民生機器等によっては、ＡＣアダプタから供給された直流電力の電圧値をさらに最適な電圧値に調整するためのＤＣ／ＤＣコンバータを内蔵するものがある。ＤＣ／ＤＣコンバータはＡＣコンバータから供給される電力を一度受け止めて最適な電圧値にして負荷回路に供給するので、過電圧等の供給を防止できる。

特許文献３は、ＡＣアダプタと負荷回路との間に設けられるＤＣ−ＤＣコンバータは負荷回路に対する過電圧保護回路の機能を有しているが、ＤＣ−ＤＣコンバータが故障すると、過電圧保護回路としての機能が失われ、負荷回路に過電圧が供給される恐れがあることを指摘している。そこで、ＡＣアダプタの後にヒューズが設けられ、ヒューズとＤＣ−ＤＣコンバータとの間に直列にＦＥＴを接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷側端子の電圧がＦＥＴのゲートに印加される構成とし、ＤＣ−ＤＣコンバータが故障して負荷側端子の電圧が過電圧のときにＦＥＴを遮断することで、負荷に過電圧が供給されないようにしている。

特開平１１−１８２８０号公報特開２０１０−２２０２７７号公報特開平９−２８４９９４号公報

ソフトスタート機能を有する民生機器等では、ＡＣアダプタが接続されるまで内部回路が動作しないので、ソフトスタート機能と過電圧検出機能等をどのタイミングで行うかが課題の１つである。特許文献２ではボタン電池を有するマイクロプロセッサでこの課題の解決を図っているが、ボタン電池等を内蔵していない民生機器等の場合には適用できない。

本発明は、ＡＣアダプタから供給される電力で動作し、ソフトスタート機能を有し過電圧等の保護も行える保護回路を提供することである。

本発明に係る保護回路は、ＡＣアダプタから供給される電力で動作する負荷回路を保護する保護回路であって、ＡＣアダプタに接続される入力端子からＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷回路に接続される出力端子に向かって延びる給電ラインと、入力端子とＤＣ／ＤＣコンバータとの間に設けられるスイッチ部と、過電圧または過電流が検出されるときにＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止して負荷回路を保護する保護回路部と、を備え、保護回路部は、入力端子における供給電圧が予め定めた過電圧閾値を超すときにオンする過電圧検出素子と、給電ラインに流れる電流が予め定めた過電流閾値を超すときにオンする過電流検出素子と、過電圧検出素子と過電流検出素子を互いに並列接続した接続点と接地電位との間に直列に接続される異常検出抵抗素子、及び異常検出抵抗素子の端子電圧でオンオフする異常検出トランジスタを有し、異常検出トランジスタがオフのときにＤＣ／ＤＣコンバータを動作可能としオンのときにＤＣ／ＤＣコンバータを動作停止させる制御信号を出力する制御信号出力部と、を含む。

また、本発明に係る保護回路において、スイッチ部は、入力端子とＤＣ／ＤＣコンバータの間に直列接続されて配置されるスイッチング素子と、スイッチング素子に並列に接続され、スイッチング素子のオン抵抗よりも大きな抵抗値を有する電流制限抵抗素子と、電流制限抵抗素子に電流が流れるときにスイッチング素子をオンさせるスイッチ制御素子と、を含み、スイッチング素子は、電流制限抵抗素子とスイッチ制御素子を流れる電流の遅延時間に応じて、オンするタイミングがＡＣアダプタから電力が供給開始した時点よりも遅延することが好ましい。

また、本発明に係る保護回路において、保護回路部は、異常検出トランジスタの出力端子と接地電位との間に設けられるレベル変換素子によって制御信号の電圧レベルを所定の分圧比で低下させたイネーブル信号を生成し、入力端子からの供給電圧が所定の低電圧閾値未満のときにイネーブル信号の電圧レベルをＤＣ／ＤＣコンバータの動作閾値電圧未満として、異常検出トランジスタがオフであってもＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる低電圧保護部を有することが好ましい。

また、本発明に係る保護回路において、保護回路部は、電流制限抵抗素子の出力側端子と接地電位の間に設けられ、電流制限抵抗素子の出力側端子の電圧が予め定めた最大定格電圧を超すときにオンして、最大定格電圧を超える電圧がＤＣ／ＤＣコンバータに供給されることを防止する定格電圧保護部を有することが好ましい。

上記構成によれば、保護回路は、スイッチ部と、過電圧または過電流が検出されるときにＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止して負荷回路を保護する保護回路部とを備える。保護回路部は、過電圧検出素子と過電流検出素子を互いに並列接続した接続点と接地電位との間に直列に接続される異常検出抵抗素子の端子電圧でオンオフする異常検出トランジスタによって、ＤＣ／ＤＣコンバータを動作停止させる制御信号を出力する。このように、保護回路によれば、ＡＣアダプタから供給される電力で動作し、ソフトスタート機能を有し過電圧等の保護を行うことができる。

保護回路部において、過電圧検出素子と過電流検出素子を互いに並列接続するので、過電圧の場合も過電流の場合も１つの異常検出トランジスタによってＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止して負荷回路を保護することができる。

また、保護回路のスイッチ部は、給電ラインに直列接続されて配置されるソフトスタート用のスイッチング素子がオンするタイミングを決める遅延時間を、電流制限抵抗素子とスイッチ制御素子を流れる電流の遅延時間で決める。上記特許文献２のようにボタン電池で動作するマイクロプロセッサ等を用いることなく、ＡＣアダプタから供給される電力でスイッチ部を動作させることができる。

また、保護回路において、制御信号の電圧レベルを所定の分圧比で低下させたイネーブル信号を生成するので、異常検出トランジスタがオフであってスイッチ部を介して電力が供給されても電圧が所定の電圧範囲を下回る低電圧のときにＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる。これによって、供給電圧が低過ぎることによる負荷回路の誤動作等を防止できる。

また、保護回路において、過電圧検出素子が過電圧を検出してＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させて負荷回路を保護しても、過電圧は電流制限抵抗を介してＤＣ／ＤＣコンバータに入力されてしまうので、ＤＣ／ＤＣコンバータには過電圧が印加されこれによってＤＣ／ＤＣコンバータが損傷することがある。そこで、上記構成では、供給電圧が予め定めた最大定格電圧を超すときにオンする定格電圧保護部が電流制限抵抗素子の出力側端子と接地電位の間に設けられる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータが損傷することを防止することができる。

本発明に係る実施の形態のソフトスタート機能を有する保護回路を含むオーディオ機器の構成を示す図である。図１における保護回路の詳細回路図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、保護回路を含む民生機器等としてオーディオ機器を述べるが、これは説明のための例示であって、ＡＣアダプタから供給される電力で動作する民生機器等の電子機器であればよい。以下で述べる回路定数、電圧値、電流値、電力値、数量等は説明のための例示であって、保護回路の仕様に応じ適宜変更が可能である。以下では、スイッチング素子やトランジスタ等として、バイポーラトランジスタとＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使い分けて述べるが、バイポーラトランジスタを同等のＭＯＳＦＥＴに置き替え、あるいはＭＯＳＦＥＴを同等のバイポーラトランジスタに置き替えてもよい。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、保護回路を含むオーディオ機器１０の構成を示す図である。図１には、オーディオ機器１０の構成要素ではないが、オーディオ機器１０に接続されるＡＣアダプタ８が図示されている。オーディオ機器１０は、内部に二次電池や乾電池等の直流電源を有せず、ＡＣアダプタ８から供給される直流電力で動作する音響機器である。

ＡＣアダプタ８は、ＡＣ１００Ｖ等の商用電源の交流電力を所定の電圧値を有する直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器である。ＡＣアダプタ８は、オーディオ機器１０の製品仕様で定められる入力電圧範囲を出力電圧範囲とし、オーディオ機器１０の入力電流範囲を出力電流範囲とした仕様で製造され、一般的にはオーディオ機器１０の付属品として販売される。ＡＣアダプタ８の仕様の一例を挙げると、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数のＡＣ１００Ｖから２４０Ｖの範囲の商用交流電源を入力電源として、公称出力電圧値が２５Ｖ、公称出力電流値が２００ｍＡの直流電力を出力する。

オーディオ機器１０は、音響回路本体である負荷回路１２とスピーカー等と共に、ＡＣアダプタ８側に保護回路２０を含んで構成される。保護回路２０は、例えば、オーディオ機器１０に付属品として指定されたＡＣアダプタ８とは異なる仕様のＡＣアダプタから電力が供給されたときに、オーディオ機器１０の仕様を外れる過電圧、過電流、低電圧、過電力が負荷回路１２に供給されないように保護する回路である。

保護回路２０は、ＡＣアダプタに接続される入力端子２２と、負荷回路１２に接続される出力端子２４と、入力端子２２から出力端子２４に向かって延びる給電ライン２５と、給電ライン２５に沿って入力端子２２側から出力端子２４側に向かって、スイッチ部２６とＤＣ／ＤＣコンバータ２８が接続配置される。また、給電ライン２５における電圧状態、電流状態を検出して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に供給される電圧値が過電圧や最大定格電圧を超えないように、また給電ライン２５を流れる電流値が過電流とならないようにする保護回路部３０が設けられる。

入力端子２２は、ＡＣアダプタ８の２つの出力端子と接続される２つの端子である。１つの端子は接地電位に接続され、もう１つの端子は給電ライン２５の入力側端子に接続される。給電ライン２５は、保護回路２０の内部で電力を伝達する電力線である。出力端子２４は、２つの端子を有し、１つの端子は接地電位に接続され、もう１つの端子は給電ライン２５の出力側端子に接続される。保護回路２０の入力端子２２は、オーディオ機器１０の筐体において外部に露出して設けられる。保護回路２０と負荷回路１２とはオーディオ機器１０の内部で互いに接続されるので、保護回路２０の出力端子２４はオーディオ機器１０の筐体内部にあり、外部からは視認されない。

入力端子２２と出力端子２４の間に、スイッチ部２６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８と、保護回路部３０が配置される。保護回路部３０は、過電圧検出素子３２と、過電流検出素子３４と、過電圧検出または過電流検出に伴いスイッチ部２６とＤＣ／ＤＣコンバータ２８に制御信号を出力する制御信号出力部３６と、低電圧保護部３８と、定格電圧保護部４０を含んで構成される。図２は、保護回路２０の詳細な回路図である。

図２において、Ｃ１は、給電ライン２５の入力端子２２側と接地電位との間に配置されるコンデンサで、ＡＣアダプタ８から入力端子２２を経由して給電ライン２５に供給される電圧、電流を平滑化する。

スイッチ部２６は、ＡＣアダプタ８から供給される直流電力について、入力端子２２にＡＣアダプタ８が接続されて直流電力の供給が開始した時点から所定の遅延時間をおいてＤＣ／ＤＣコンバータ２８の側に直流電力の供給を行う電力供給遅延回路である。

スイッチ部２６は、給電ライン２５に直列に接続配置されるスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ１に並列に接続される電流制限抵抗素子Ｒ１と、電流制限抵抗素子Ｒ１に電流が流れるときにスイッチング素子Ｑ１をオンさせるスイッチ制御素子Ｑ２と、スイッチ制御素子Ｑ２の制御端子の電圧値を定める３つの抵抗素子Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、スイッチ制御素子Ｑ２の出力端子からスイッチング素子Ｑ１の制御端子へ入力される電圧値を定める２つの抵抗素子Ｒ５、Ｒ６を含む。

なお、以下では、抵抗素子Ｒ_Ｘというのは、抵抗素子の区別をするための呼称と共に、その抵抗素子の抵抗値がＲ_Ｘであることを示すものとする。例えば、抵抗素子Ｒ_２とは、説明の順番で２番目の抵抗素子であって、その抵抗値がＲ_２Ωであることを示す。

スイッチング素子Ｑ１は、オンのときに給電ライン２５を短絡して入力端子２２側から供給された電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２８の側に伝達する電力伝達モードとし、オフのときは給電ライン２５を開放遮断して入力端子２２側から供給された電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２８の側に伝達させない遮断モードとする。このように、スイッチング素子Ｑ１は、給電ライン２５において電力の伝達と遮断を切り替える切替手段である。

スイッチング素子Ｑ１は、ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴで、ソース端子が給電ライン２５の入力端子２２側に接続され、ドレイン端子が給電ライン２５のＤＣ／ＤＣコンバータ２８側に接続され、ゲート端子はＲ５とＲ６の接続点に接続される。図２ではスイッチング素子Ｑ１は３つ並列接続される。Ｑ１の並列数は、給電ライン２５を短絡して電力伝達モードとするときに流れる電流値の大きさを満たすように設定される。オーディオ機器１０の仕様によってＱ１の並列数は１つで足りることもあり、４以上とすることもある。

電流制限抵抗素子Ｒ１は、スイッチング素子Ｑ１に並列に接続される抵抗素子で、入力端子２２に電力の供給が行われたことを検出する電力供給検出手段の機能を有する。すなわち、電流制限抵抗素子Ｒ１のＤＣ／ＤＣコンバータ２８側の端子を出力側端子とすると、出力側端子は、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を介して接地電位に接続されるので、電流制限抵抗素子Ｒ１に電流が流れないときは出力側端子の電圧値Ｖ_１＝接地電位＝０Ｖである。入力端子２２に電力の供給が行われた時点のタイミングでは、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態であるので、入力端子２２に供給された電力は電流制限抵抗素子Ｒ１と、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を介して接地電位に流れる。これにより、電流制限抵抗素子Ｒ１の出力側端子の電圧値Ｖ_１は、入力端子２２に供給された電力の電圧値をＶ_０として、Ｖ_１＝Ｖ_０×｛Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ２）｝に上昇する。電流制限抵抗素子Ｒ１の出力側端子の電圧値Ｖ_１の上昇に基づいて、電力供給が開始したことを検出できる。

電流制限抵抗素子Ｒ１の抵抗値Ｒ１の上限は、電力供給検出手段として必要な最小限の電流を流すことができる抵抗値で定められ、抵抗値Ｒ１の下限は、スイッチング素子Ｑ１がオフのときに給電ライン２５を流れる電力が最大定格値を超さないように定められる。また、電流制限抵抗素子Ｒ１の抵抗値は、スイッチング素子Ｑ１のオン抵抗値よりも十分高い抵抗値である。一例を挙げると、電流制限抵抗素子Ｒ１の抵抗値は、０．３ｋΩとすることができる。図２では電流制限抵抗素子Ｒ１は３つ並列接続される。Ｒ１の並列数は、１つの抵抗素子Ｒ１の定格電力値の仕様によって定まり、場合によってＲ１の並列数は１つで足りることもあり、４以上となることもある。

スイッチ制御素子Ｑ２は、電流制限抵抗素子Ｒ１に電流が流れるときにスイッチング素子Ｑ１をオンさせるトランジスタである。スイッチ制御素子Ｑ２はｎチャネル型バイポーラトランジスタで、エミッタ端子が接地電位に接続され、コレクタ端子が抵抗素子Ｒ６、Ｒ５を介して給電ライン２５の入力端子２２側に接続され、ベース端子はＲ３とＲ４の接続点に接続される。

抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のそれぞれの抵抗値は、電流制限抵抗素子Ｒ１に電流が流れたときの出力側端子の電圧値Ｖ_１をスイッチ制御素子Ｑ２がオンする電圧値Ｖ_２に変換するように設定される。スイッチ制御素子Ｑ２がオンする電圧値Ｖ_２はスイッチ制御素子Ｑ２のベース端子の電圧値Ｖ_２が閾値電圧となるときである。例えば、Ｑ２の閾値電圧を０．６Ｖとすると、Ｖ_２＝Ｖ_１×｛Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）｝＝０．６Ｖとなるように、Ｒ４を適当に定めることができる。なお、Ｒ２とＲ３の接続点の電圧値Ｖ_３は後述する制御信号の電圧値であるので、（Ｒ１＋Ｒ２）と（Ｒ３＋Ｒ４）の分圧比は制御信号の電圧値の設定で定められる。Ｒ１の設定については既に説明した。

抵抗素子Ｒ５、Ｒ６のそれぞれの抵抗値は、スイッチ制御素子Ｑ２がオンしたときの出力電圧値であるコレクタ端子電圧値Ｖ_４をスイッチング素子Ｑ１がオンする電圧値Ｖ_５に変換するように設定される。スイッチング素子Ｑ１がオンする電圧値Ｖ_５は、スイッチング素子Ｑ１のゲート端子の電圧値Ｖ_５が閾値電圧となるときである。Ｑ１の閾値電圧を入力端子２２における電圧値Ｖ_０に対し１．０Ｖ低い電圧とすると、Ｖ_５＝Ｖ_０×｛Ｒ５／（Ｒ５＋Ｒ６＋Ｑ２のオン抵抗）｝＝１．０Ｖとなるように、Ｒ５、Ｒ６の分圧比を適当に定めることができる。あるいは、Ｑ２のオン電流をＩ_４５とすると、Ｖ_５＝Ｉ_４５×Ｒ５＝１．０ＶからＲ５の値を定めることができる。

スイッチ部２６の作用は以下の通りである。オーディオ機器１０にＡＣアダプタ８が接続されていない状態では、電流制限抵抗素子Ｒ１の出力側端子はＲ２、Ｒ３、Ｒ４を介して接地電位に接続され、入力端子２２は、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を介して接地電位に接続されるので、Ｖ_１＝Ｖ_２＝０Ｖである。したがって、Ｑ２はオフ状態であり、Ｑ１もオフ状態である。オーディオ機器１０にＡＣアダプタ８が接続されたタイミングをｔ_０とすると、その時点で入力端子２２の電圧値はＡＣアダプタ８から供給された電力の電圧値Ｖ_０となるが、Ｑ２はまだオフ状態であるのでＶ_１＝０Ｖのままである。そこでＶ_０と０Ｖの電圧差によって電流制限抵抗素子Ｒ１に電流が流れ、これにより、電流制限抵抗素子Ｒ１の出力側端子の電圧値Ｖ_１が０Ｖから上昇する。これに伴い、Ｖ_２がＱ２の閾値電圧に上昇し、Ｑ２がオンする。Ｑ２がオンすると、Ｖ_４が低下し、これに伴い、Ｖ_５がＱ１の閾値電圧に低下してＱ１がオンする。これによって、給電ライン２５は遮断モードから電力伝達モードとなり、入力端子２２に供給された電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２８に向けて給電される。

ここで、Ｑ２がオンするタイミングｔ_１は、入力端子２２から供給された電力が電流制限抵抗素子Ｒ１を流れて電流制限抵抗素子Ｒ１の出力側端子の電圧値がＶ_１に上昇するのに必要な遅延時間、電圧値Ｖ_１と接地電位との間の電圧差によってＲ２、Ｒ３、Ｒ４に電流が流れてＲ３とＲ４の接続点の電圧値Ｖ_２がＱ２の閾値電圧に上昇するのに必要な遅延時間、電圧値Ｖ_２によってＱ２がオンしてＱ２の出力電圧がＶ_４に低下するのに必要な遅延時間、Ｖ_４が低下したことでＲ５とＲ６の接続点の電圧値Ｖ_５がＱ１の閾値電圧に低下するのに必要な遅延時間、電圧値Ｖ_５によってＱ１がオンするまでに必要な遅延時間を合計した全遅延時間だけ、入力端子２２にＡＣアダプタ８から電力が供給されたタイミングｔ_０より遅れる。このようにして、ＡＣアダプタ８によって電力供給が開始したタイミングｔ_０からΔｔ＝ｔ_１−ｔ_０だけ遅延して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に電力が供給される。このように電力供給に遅延時間を設けることで、ＡＣアダプタ８の接続時における電圧値や電流値の急激な変化の衝撃からＤＣ／ＤＣコンバータ２８を安全に保護することができる。

次に、保護回路部３０の内容を説明する。保護回路部３０は、過電圧検出素子３２、過電流検出素子３４、制御信号出力部３６、低電圧保護部３８、定格電圧保護部４０の５つのブロックで構成される。

過電圧検出素子３２は、一方側端子が給電ライン２５の入力端子２２の側に接続され、他方側端子がＲ７、Ｒ８を介して接地電位に接続されるツェナーダイオードＺ１である。過電圧検出素子３２は、その両端子間の電圧差が所定の過電圧閾値を超すとオンする素子である。所定の過電圧閾値の一例を挙げると約２７Ｖである。

過電圧検出素子３２の作用は以下の通りである。オーディオ機器１０にＡＣアダプタ８が接続されていない状態では、過電圧検出素子３２の他方側端子はＲ７、Ｒ８を介して接地電池に接続され、過電圧検出素子３２の一方側端子もＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を介して接地電位に接続されているので、過電圧検出素子３２の両端子間の電圧差＝０Ｖとなって、過電圧検出素子３２はオフ状態である。

オーディオ機器１０にＡＣアダプタ８が接続されたタイミングｔ_０では、過電圧検出素子３２の一方側端子には入力端子２２の電圧値Ｖ_０が印加される。電圧値Ｖ_０が過電圧閾値＝２７Ｖ未満のときは、過電圧検出素子３２はオフのままである。電圧値Ｖ_０が過電圧閾値＝２７Ｖを超すときは、過電圧検出素子３２はオンし、過電圧検出素子３２の他方側端子の電圧値Ｖ_６がＶ_０に近い値に上昇する。オーディオ機器１０にＡＣアダプタ８が接続されたタイミングｔ_０における電圧値Ｖ_６の上昇に基づいて、ＡＣアダプタ８から供給される電力の電圧値が過電圧であることを検出できる。

過電流検出素子３４は、２つの抵抗素子Ｒ９、Ｒ１０と１つのトランジスタＱ３で構成される複合素子である。トランジスタＱ３はｐチャネル型バイポーラトランジスタで、エミッタ端子は過電圧検出素子３２の一方側端子に接続され、コレクタ端子は過電圧検出素子３２の他方側端子に接続点３３で接続され、ベース端子はＲ９を介して電流制限抵抗素子Ｒ１の出力側端子に接続される。ベース端子とエミッタ端子の間はＲ１０を介して接続される。

この接続関係をスイッチング素子Ｑ１について見ると、電流制限抵抗素子Ｒ１の出力側端子はＱ１のドレイン端子であり、過電圧検出素子３２の一方側端子はＱ１のソース端子である。したがって、トランジスタＱ３のベース端子はＲ９を介してＱ１のドレイン端子に接続され、トランジスタＱ３のエミッタ端子はＱ１のソース端子に接続される。したがって、トランジスタＱ３のベースエミッタ間の電圧値は、Ｑ１のドレインソース間の電圧値となる。

過電流検出素子３４の作用は以下の通りである。オーディオ機器１０にＡＣアダプタ８が接続されていない状態では、Ｖ_０＝Ｖ_１＝０Ｖであるので、Ｑ１のドレインソース間の電圧値＝０Ｖである。したがって、Ｑ３はオフ状態である。オーディオ機器１０にＡＣアダプタ８が接続されたとき、スイッチ部２６の機能によりＱ１がオンして、給電ライン２５にＱ１を介して電流が流れる。Ｑ１に流れる電流はドレインソース間電流であるので、その電流値が大きくなるに連れ、Ｑ１のドレインソース間の電圧値が大きくなる。Ｑ１のドレインソース間の電圧値が大きくなるに連れ、過電流検出素子３４を構成するトランジスタＱ３のベースエミッタ間の電圧値が大きくなる。給電ライン２５を流れる電流値をＱ１を流れる電流値として、この電流値が予め定めた閾値電流値となったときに、トランジスタＱ３がオンするようにＲ９、Ｒ１０の値を設定することで、給電ライン２５を流れる電流値が閾値電流値を超えるときにトランジスタＱ３をオンとすることができる。

トランジスタＱ３がオフのときは、トランジスタＱ３のコレクタ端子は過電圧検出素子３２の他方側端子に接続点３３で接続され、接続点３３はＲ７、Ｒ８を介して接地電位に接続されるので、接続点３３の電圧値Ｖ_６は０Ｖである。トランジスタＱ３がオンすると、トランジスタＱ３のコレクタ端子の電圧値Ｖ_６は、トランジスタＱ３のオン電流の大きさに応じて上昇する。したがって、ソフトスタート機能が働くタイミングｔ_１における電圧値Ｖ_６の上昇に基づいて給電ライン２５を流れる電流値が過電流であることを検出できる。

給電ライン２５を流れる電流値が過電流であることを検出したときのトランジスタＱ３のコレクタ端子の電圧値Ｖ_５は、トランジスタＱ３がオンするときのコレクタエミッタ間を流れる電流値で定めることができる。トランジスタＱ３がオンするときのコレクタエミッタ間を流れる電流値は、Ｒ９、Ｒ１０の値によって設定することができる。したがって、Ｒ９、Ｒ１０を適切に設定することで、過電圧検出素子３２が過電圧を検出したときの過電圧検出素子３２の他方側端子の電圧値Ｖ_５と、過電流検出素子３４が過電流を検出したときのトランジスタＱ３のコレクタ端子の電圧値Ｖ_５を同じ値とできる。

制御信号出力部３６は、過電圧検出または過電流検出に伴いスイッチ部２６とＤＣ／ＤＣコンバータ２８に制御信号を出力する。図２では、制御信号の電圧値をＶ_３で示した。

制御信号出力部３６は、２つの抵抗素子Ｒ７、Ｒ８と、１つのトランジスタＱ４と、２つのコンデンサＣ２、Ｃ３を含んで構成される。２つの抵抗素子Ｒ７、Ｒ８は互いに直列に接続され、Ｒ７の一方側端子は、過電圧検出素子３２の他方側端子と過電流検出素子３４を構成するトランジスタＱ３のコレクタ端子の接続点３３に接続され、Ｒ８の他方は接地電位に接続される。Ｒ７の他方側端子とＲ８の一方側端子は互いに接続される。

トランジスタＱ４は、ｎチャネル型バイポーラトランジスタで、エミッタ端子は接地電位に接続され、ベース端子はＲ７の他方側端子とＲ８の一方側端子の接続点に接続される。コレクタ端子は、制御信号を出力する端子で、低電圧保護部３８を構成する抵抗素子Ｒ１１を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２８のイネーブル端子ＥＮに接続されると共に、スイッチ部２６の抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の接続点に接続される。

コンデンサＣ２は、直列に接続された抵抗素子Ｒ７、Ｒ８に並列に接続されるコンデンサで、接続点３３の電圧値Ｖ_６を平滑化する。コンデンサＣ３は、トランジスタＱ４のコレクタ端子とエミッタ端子との間に並列に接続されるコンデンサで、制御電圧値Ｖ_３を平滑化する。

制御信号出力部３６の作用は以下の通りである。ＡＣアダプタ８からの供給電力の電圧値が過電圧閾値以下であり、かつ給電ライン２５を流れる電流値が過電流閾値以下のときは、通常状態であるので、スイッチ部２６のスイッチ制御素子Ｑ２のゲート端子の電圧値Ｖ_２がＱ２の閾値電圧以上となってオンし、スイッチング素子Ｑ１が所定の遅延時間の経過後オンして、給電ライン２５は電力伝達モードとなり、ＡＣアダプタ８から供給された電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２８の入力電圧端子ＶＩＮに給電される。このとき、制御信号出力部３６のトランジスタＱ４はオフ状態で、制御信号の電圧値Ｖ_３は、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の接続点の電圧値となる。抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の接続点の電圧値はスイッチ制御素子Ｑ２のゲート端子の電圧値Ｖ_２よりも高い値で、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８のイネーブル端子ＥＮの動作閾値電圧よりも十分高い値に設定される。

ＡＣアダプタ８からの供給電力の電圧値Ｖ_０が過電圧閾値を超えるとき、あるいはＶ_０が過電圧閾値以下であっても給電ライン２５を流れる電流値が過電流閾値を超えるときは、接続点３３の電圧値Ｖ_６が上昇する。これによって制御信号出力部３６のトランジスタＱ４がオンし、トランジスタＱ４のコレクタ端子の電圧値はほぼ接地電位に近い値に低下する。すなわち、制御信号の電圧値Ｖ_３は、ほぼ接地電位に近い値となり、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の接続点の電圧値をほぼ接地電位まで引き下げる。これにより、スイッチ制御素子Ｑ２は強制的にオフ状態となり、スイッチング素子Ｑ１も強制的にオフ状態となって、給電ライン２５は遮断モードとなり、ＡＣアダプタ８からの電力はＤＣ／ＤＣコンバータ２８の入力電圧端子ＶＩＮに給電されない。これと共に、接地電位に近い電圧値Ｖ_３を有する制御信号はＤＣ／ＤＣコンバータ２８のイネーブル端子ＥＮに伝送され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の動作を停止させる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の出力電圧端子ＶＯＵＴからは電力が出力されず、過電圧から負荷回路１２は安全に保護される。

このように、制御信号出力部３６における抵抗素子Ｒ７、Ｒ８は、ＡＣアダプタ８からの供給電力の電圧値Ｖ_０が過電圧閾値を超えている異常状態であるか、または、給電ライン２５を流れる電流値が過電流閾値を超えている異常状態であるかを検出するための異常検出抵抗素子である。また、トランジスタＱ４は、異常検出抵抗素子の端子電圧でオンオフし、オフのときにＤＣ／ＤＣコンバータ２８を動作可能としオンのときにＤＣ／ＤＣコンバータ２８を動作停止させる制御信号を出力する異常検出トランジスタである。制御信号出力部３６は、２つの抵抗素子Ｒ７、Ｒ８と１つのトランジスタＱ４の最小限の構成要素で、過電圧検出と過電流検出の２つの場合について共通した同じ制御信号を出力するものである。なお、抵抗素子Ｒ７、Ｒ８の抵抗値は、異常検出するには十分であるが、過電圧の電力や過電流の電力を接地電位に流すには不十分な高抵抗値に設定される。

過電圧検出素子３２と過電流検出素子３４と制御信号出力部３６の作用によれば、ＡＣアダプタ８からの供給電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２８の仕様よりも過電圧状態または過電流状態であるときにＤＣ／ＤＣコンバータ２８を保護する。

低電圧保護部３８は、ＡＣアダプタ８から供給される電力の電圧値がオーディオ機器１０の仕様で予め定めた電圧範囲よりも低電圧のときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の動作を停止させて低電圧電力を負荷回路１２に出力させないようにして、負荷回路１２を低電圧による誤動作から安全に保護する。これは、ＡＣアダプタ８からの供給電力がオーディオ機器１０の仕様よりも低電圧状態のときは、過電圧検出素子３２も過電流検出素子３４も無力であり、そのままＤＣ／ＤＣコンバータ２８の入力電圧端子ＶＩＮに入力されてしまうからである。

低電圧保護部３８は、制御信号出力部３６のトランジスタＱ４がオフ状態のときに、トランジスタＱ４の出力端子であるコレクタ端子と接地電位との間に設けられる抵抗素子Ｒ１１、Ｒ１２を電圧レベル変換素子として、制御信号の電圧値Ｖ_３の電圧レベルを所定の分圧比で低下させた電圧値Ｖ_ＥＮを有するイネーブル信号を生成する。

ＡＣアダプタ８からの供給電力の電圧値がオーディオ機器１０の仕様における電圧範囲にあるとき制御信号の電圧値は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８のイネーブル端子ＥＮの閾値電圧よりも十分高い値に設定され、イネーブル信号の電圧値Ｖ_ＥＮもイネーブル端子ＥＮの閾値電圧よりも高い値となるように抵抗素子Ｒ１１、Ｒ１２が設定される。Ｒ１１、Ｒ１２については、もう１つ条件が付き、ＡＣアダプタ８からの供給電力の電圧値がオーディオ機器１０の仕様における電圧範囲の下限値のときイネーブル信号の電圧値Ｖ_ＥＮがイネーブル端子ＥＮの閾値電圧となるように設定される。

一例を挙げると、オーディオ機器１０の仕様における電圧範囲を２７Ｖから１８Ｖとし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８のイネーブル端子ＥＮの閾値電圧を４Ｖとして、ＡＣアダプタ８からの供給電力の電圧値が２７Ｖから１８Ｖの範囲にあれば、制御信号の電圧値Ｖ_３を６Ｖから４Ｖ、イネーブル信号の電圧値Ｖ_ＥＮを５Ｖから４Ｖとする。このときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８はイネーブル状態となって動作を行うことができる。ＡＣアダプタ８からの供給電力の電圧値が仕様範囲外の１８Ｖ未満の低電圧となると、イネーブル信号の電圧値Ｖ_ＥＮは４Ｖ未満となって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は動作を停止する。

このように、低電圧保護部３８は、抵抗素子Ｒ１１、Ｒ１２を適切に設定することによって、負荷回路１２を仕様範囲外の低電圧による誤動作から安全に保護する。

定格電圧保護部４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の入力電圧端子ＶＩＮに定格電圧以上の電圧が供給されないようにするためのものである。これは、制御信号出力部３６によって過電圧または過電流の異常状態が検出されるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の動作は停止するが、このときでも電流制限抵抗素子Ｒ１には電流が流れて給電ライン２５を通りＤＣ／ＤＣコンバータ２８の入力電圧端子ＶＩＮに給電されるためである。制御信号出力部３６で説明したように、Ｒ７、Ｒ８は過電圧の電力や過電流の電力を接地電位に流すには不十分な高抵抗であるために過電圧状態または過電流状態は解消されず、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の入力電圧端子ＶＩＮには過大な電力が供給される可能性がある。

定格電圧保護部４０は、ツェナーダイオードＺ２とコンデンサＣ４で構成される。ツェナーダイオードＺ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の入力電圧端子ＶＩＮ側の給電ライン２５に一方端が接続され、他方端が接地電位に接続される。ツェナーダイオードＺ２がオンする閾値電圧Ｚ２は、電流制限抵抗素子Ｒ１の抵抗値Ｒ１と共に、給電ライン２５を流れる電力値が定格電力値を超さないように設定される。例えば、定格電力値を２５Ｖ×２００ｍＡ＝５Ｗとすると、電流制限抵抗素子Ｒ１の抵抗値Ｒ１＝０．３ｋΩとして、（Ｚ２／０．３ｋΩ）×Ｚ２＝５Ｗであるので、（Ｚ２）^２＝１５００Ｖ^２となり、Ｚ２＝３８．７Ｖとなるので、閾値電圧Ｚ２＝３８ＶのツェナーダイオードＺ２を設ける。このように、定格電圧保護部４０は、電流制限抵抗素子Ｒ１とともに、給電ライン２５のＤＣ／ＤＣコンバータ２８側に定格電力以上の電力が流れないようにする機能を有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、給電ライン２５から入力電圧端子ＶＩＮに給電された直流電力の電圧値を負荷回路１２に適した電圧値を有する直流電力に電圧変換して出力電圧端子ＶＯＵＴから出力する直流電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、イネーブル端子ＥＮを有し、イネーブル端子ＥＮに入力されるイネーブル信号の電圧値Ｖ_ＥＮが閾値電圧以上のときに動作可能で、電圧値Ｖ_ＥＮが閾値電圧未満のときは動作を停止し、入力電圧端子ＶＩＮに電力が供給されても出力電圧端子ＶＯＵＴには電力を出力しない。

上記構成によれば、ＡＣアダプタ８から供給される電力で動作し、ソフトスタート機能を有し、負荷回路１２に対し、過電圧、過電流、低電圧、定格電力等の保護を行うことができる。

８ＡＣアダプタ、１０オーディオ機器、１２負荷回路、２０保護回路、２２入力端子、２４出力端子、２５給電ライン、２６スイッチ部、２８ＤＣ／ＤＣコンバータ、３０保護回路部、３２過電圧検出素子、３３接続点、３４過電流検出素子、３６制御信号出力部、３８低電圧保護部、４０定格電圧保護部。

給電ライン２５を流れる電流値が過電流であることを検出したときのトランジスタＱ３のコレクタ端子の電圧値Ｖ ₆は、トランジスタＱ３がオンするときのコレクタエミッタ間を流れる電流値で定めることができる。トランジスタＱ３がオンするときのコレクタエミッタ間を流れる電流値は、Ｒ９、Ｒ１０の値によって設定することができる。したがって、Ｒ９、Ｒ１０を適切に設定することで、過電圧検出素子３２が過電圧を検出したときの過電圧検出素子３２の他方側端子の電圧値Ｖ ₆と、過電流検出素子３４が過電流を検出したときのトランジスタＱ３のコレクタ端子の電圧値Ｖ ₆を同じ値とできる。

Claims

ＡＣアダプタから供給される電力で動作する負荷回路を保護する保護回路であって、
該ＡＣアダプタに接続される入力端子からＤＣ／ＤＣコンバータを介して該負荷回路に接続される出力端子に向かって延びる給電ラインと、
該入力端子と該ＤＣ／ＤＣコンバータとの間に設けられるスイッチ部と、
過電圧または過電流が検出されるときに該ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止して該負荷回路を保護する保護回路部と、
を備え、
該保護回路部は、
該入力端子における供給電圧が予め定めた過電圧閾値を超すときにオンする過電圧検出素子と、
該給電ラインに流れる電流が予め定めた過電流閾値を超すときにオンする過電流検出素子と、
該過電圧検出素子と該過電流検出素子を互いに並列接続した接続点と接地電位との間に直列に接続される異常検出抵抗素子、及び該異常検出抵抗素子の端子電圧でオンオフする異常検出トランジスタを有し、該異常検出トランジスタがオフのときに該ＤＣ／ＤＣコンバータを動作可能としオンのときに該ＤＣ／ＤＣコンバータを動作停止させる制御信号を出力する制御信号出力部と、
を含む、保護回路。
請求項１に記載の保護回路において、
前記スイッチ部は、
前記入力端子と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの間に直列接続されて配置されるスイッチング素子と、
該スイッチング素子に並列に接続され、該スイッチング素子のオン抵抗よりも大きな抵抗値を有する電流制限抵抗素子と、
該電流制限抵抗素子に電流が流れるときに該スイッチング素子をオンさせるスイッチ制御素子と、
を含み、
該スイッチング素子は、該電流制限抵抗素子と該スイッチ制御素子を流れる電流の遅延時間に応じて、オンするタイミングが前記ＡＣアダプタから電力が供給開始した時点よりも遅延する、保護回路。
請求項２に記載の保護回路において、
前記保護回路部は、
前記異常検出トランジスタの出力端子と前記接地電位との間に設けられるレベル変換素子によって前記制御信号の電圧レベルを所定の分圧比で低下させたイネーブル信号を生成し、前記入力端子からの供給電圧が所定の低電圧閾値未満のときに該イネーブル信号の電圧レベルを前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作閾値電圧未満として、該異常検出トランジスタがオフであっても該ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる低電圧保護部を有する、保護回路。
請求項２または３に記載の保護回路において、
前記保護回路部は、
前記電流制限抵抗素子の出力側端子と前記接地電位の間に設けられ、該電流制限抵抗素子の出力側端子の電圧が予め定めた最大定格電圧を超すときにオンして、該最大定格電圧を超える電圧が前記ＤＣ／ＤＣコンバータに供給されることを防止する定格電圧保護部を有する、保護回路。