JP2016185014A - 電子機器の保護回路およびこれを備えた電子機器システム - Google Patents

Abstract

【課題】廉価に電子機器のノイズを抑制する。【解決手段】電子機器４を突入電流から保護する保護回路１は、電圧を平滑化する平滑コンデンサＣ２と、正極ライン２２と平滑コンデンサＣ２の正極との間に接続されて突入電流を防止する抵抗Ｒ２と、平滑コンデンサＣ２の正極から電子機器４の正極端子４１へ順方向に接続される放電用ダイオードＤ２と、正極ライン２２と電子機器４の正極端子４１との間に接続されるインダクタＬ１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器の保護回路およびこれを備えた電子機器システムに関する。

大容量の平滑コンデンサなどを持つ電子機器は、電源を投入する際などに定常電流値を超える大きな電流が流れることがある。この電流は、突入電流（Inrush current）と呼ばれている。電源投入の際、大容量の平滑コンデンサが充電されるため、この突入電流が流れる。突入電流により、回路に使用している素子が過剰に発熱し、電子機器の誤作動や故障の原因となるおそれがある。

特許文献１の請求項１には、「直流電力の脈流を平滑する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサと直列に接続され突入電流を防止する突入電流防止回路」と記載され、請求項３には「前記突入電流防止回路は、抵抗器で構成されている」と記載されている。同文献の段落０００６には、「スイッチング電源装置において、前記平滑コンデンサの放電と順方向になるように前記突入電流防止回路と並列に接続されている放電用ダイオードを有していることを特徴とする。」と記載されている。

特開２００１−２１８４７１号公報

ところで、電子機器の電源入力側には、特許文献１のような電源に対応した保護回路を設けるのとは別に、電子機器へのノイズの流入を抑制するためにフィルタ回路を設けることが一般的である。しかしながら、フィルタ回路の追加はコストアップ要因となるおそれがある。

そこで、本発明は、廉価に電子機器のノイズを抑制可能とする電子機器の保護回路およびこれを備えた電子機器システムを提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明の電子機器の保護回路は、電子機器を突入電流から保護する。この保護回路は、電圧を平滑化するコンデンサと、直流電源端子とコンデンサの正極との間に接続されている抵抗と、コンデンサの正極から前記電子機器の正極端子へ順方向に接続される整流素子と、直流電源端子と前記電子機器の正極端子との間に接続されるインダクタとを備える。
その他の手段については、発明を実施するための形態の中で説明する。

本発明によれば、廉価に電子機器のノイズを抑制可能となる。

本実施形態における保護回路を示す概略の構成図である。 本実施形態の保護回路の定常動作時のバス電圧と放電電流のリンギングの波形図である。 比較例の保護回路を示す概略の構成図である。 比較例の保護回路の定常動作時のバス電圧と放電電流のリンギングが抑制された波形図である。

以降、比較例と本発明を実施するための形態とを、各図を参照して詳細に説明する。
図３は、比較例の保護回路１Ａを示す概略の構成図である。
比較例の保護回路１Ａは、バリスタ５と、逆接続保護回路３と、突入電流防止回路２Ａとを含んで構成される。この保護回路１Ａは、不図示の直流電源から正極端子６を介して電力の供給を受け、この電力を電子機器４に供給すると共に、この電子機器４を電源の逆接続などから保護するものである。

バリスタ５は、この保護回路１Ａを高電圧から保護する素子である。このバリスタ５により、電子機器４や保護回路１Ａを静電気放電から保護することができる。

逆接続保護回路３は、突入電流防止回路２Ａや電子機器４を電源の逆接続などから保護すると共に、正極端子６を介して図示しない直流電源からの電源供給を受け、後段の突入電流防止回路２Ａや電子機器４に電力を供給する。逆接続保護回路３は、ＰチャンネルＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型の電界効果トランジスタＱ１と、抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ１と、ツェナーダイオードＺＤ１（定電圧素子の一例）とを含んで構成される。正極端子６は、この電界効果トランジスタＱ１のドレインに接続される。電界効果トランジスタＱ１のゲートは抵抗Ｒ１を介してグランドに接続され、ゲートとソースとの間には、コンデンサＣ１とツェナーダイオードＺＤ１とが並列に接続される。電界効果トランジスタＱ１に付設された寄生ダイオードＤ１は、そのアノードがドレインに接続され、カソードがソースに接続されている。
ツェナーダイオードＺＤ１のカソードが電界効果トランジスタＱ１のソースに接続され、そのアノードが電界効果トランジスタＱ１のゲートに接続されている。電界効果トランジスタＱ１のソースは、後段の突入電流防止回路２Ａに接続されて電力を供給する。この電界効果トランジスタＱ１には、ドレインからソースに向けて寄生ダイオードＤ１が存在する。

突入電流防止回路２Ａは、正極ライン２１に接続された抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ２と直列に接続された平滑コンデンサＣ２と、放電用ダイオードＤ２を備える。抵抗Ｒ２は、一端が平滑コンデンサＣ２のプラス（＋）側と直列に接続され、他端が正極ライン２１に接続される。平滑コンデンサＣ２のマイナス（−）側は、グランドに接続される。この平滑コンデンサＣ２は、電解コンデンサが使用されることが多い。また、放電用ダイオードＤ２は、平滑コンデンサＣ２の放電と順方向になるように抵抗Ｒ２と並列に接続される。平滑コンデンサＣ２の放電電流は、放電用ダイオードＤ２により、正極ライン２１を介して電子機器４の正極端子４１に流れる。
ここで、平滑コンデンサＣ２の放電方向を電流Ｉ₁とする。突入電流防止回路２Ａの正極ライン２１の基幹電圧をバス電圧Ｖ₁とする。

《突入電流防止回路２Ａの動作》
抵抗Ｒ２は、電源投入時かつ平滑コンデンサＣ２が充電されていない場合に、この平滑コンデンサＣ２に流れ込む突入電流を制限する。仮に抵抗Ｒ２がない場合には、不図示の電源から供給される電流が瞬時に平滑コンデンサＣ２を充電しようとして、突入電流を流し込むため、不図示の電源に過負荷をかけてしまうおそれがある。また、安全性を高める目的として電流ヒューズを不図示の電源と正極端子の間に実装させた場合に、その電流ヒューズを熔断させてしまうおそれがある。抵抗Ｒ２と平滑コンデンサＣ２の直列接続は、ＲＣ積分回路を構成する。平滑コンデンサＣ２に流れる電流は、抵抗Ｒ２によって抑制されると共に、平滑コンデンサＣ２の容量と抵抗値とで決定される時定数で指数関数的に変化する。
この突入電流防止回路２Ａは、正極端子６と電子機器４の正極端子４１との間には抵抗器などの電流を消費する素子がないため、定常時の電力損失が少ない。

また、放電用ダイオードＤ２は、電源電圧のリップル成分が平滑コンデンサＣ２の充電電圧値を下回る場合には、平滑コンデンサＣ２から放電用ダイオードＤ２を介して電子機器４に電力を供給する。よって、電源電圧のリップル成分が変動しても、電子機器４に平滑コンデンサＣ２に充電された安定な電力を供給することができる。電子機器４は、この安定した電力に基づいて動作する。

《逆接続保護回路３の動作》
電源が正常な極性で接続されて電源投入された当初、逆接続防止素子である電界効果トランジスタＱ１はオフ状態である。このとき電界効果トランジスタＱ１の寄生ダイオードＤ１を通してソース側に電流が流れ、突入電流防止回路２Ａに電源供給が行われる。それと共に、電界効果トランジスタＱ１のゲートは、抵抗Ｒ１の抵抗値とコンデンサＣ１の静電容量値による時定数をもって充電される。電源投入後の所定時間（例えば数十ミリ秒）が経過すると、電界効果トランジスタＱ１がオン状態となる。つまり定常時には、電界効果トランジスタＱ１がオン状態となり、突入電流防止回路２Ａには直流電源（不図示）の供給電圧にほぼ等しい電源電圧が供給される。

電源を逆極性で接続した当初、電界効果トランジスタＱ１はオフ状態である。このとき電界効果トランジスタＱ１の寄生ダイオードＤ１には電流が流れず、電界効果トランジスタＱ１のゲートは充電されない。電界効果トランジスタＱ１のゲート−ソース間に電圧が発生しないため、この電界効果トランジスタＱ１はオフ状態を維持する。よって、後段の突入電流防止回路２Ａに関しては電圧が発生せずに保護される。

このように、ＰチャンネルＭＯＳ型の電界効果トランジスタＱ１を、正極側の電源ライン上に配置することで、電源のグランドと電子機器４の信号グランドを共通にとることができる。よって、ＮチャンネルＭＯＳ型の電界効果トランジスタを接地ライン上に配置する場合に比べてノイズに強い構成となる。

図４は、比較例の保護回路１Ａの定常動作時のバス電圧と放電電流の波形図である。
ここでは、時刻ｔ１０にてバス電圧Ｖ₁が振動してリンギングし、それに伴い時刻ｔ１１にて放電電流Ｉ₁もリンギングしている。このリンギングは、電子機器４にノイズとして流入するおそれがある。放電電流Ｉ₁のリンギングにより、この平滑コンデンサＣ２（電解コンデンサ）の寿命が短くなるおそれがある。
このような電子機器４へのノイズの流入を抑制するため、一般的にはフィルタ回路が設けられる。しかし、次に述べる本実施形態は、フィルタ回路を用いないか、または回路規模が小さいフィルタ回路により、廉価に電子機器４のノイズを抑制するものである。

図１は、本実施形態における保護回路１を示す概略の構成図である。図３の比較例と同一の要素には同一の符号を付与している。
本実施形態の保護回路１は、バリスタ５と、逆接続保護回路３と、突入電流防止回路２とを含んで構成される。保護回路１は、不図示の電源から正極端子６を介して電力の供給を受け、この電力を電子機器４に供給し、この電子機器４を電源の逆接続や電磁妨害波（electromagnetic interference：EMI）から保護する。

バリスタ５は、比較例と同様に、この保護回路１を高電圧から保護する素子である。このバリスタ５により、電子機器４や保護回路１を静電気放電から保護することができる。

逆接続保護回路３は、突入電流防止回路２を電源の逆接続などから保護すると共に、正極端子６を介して図示しない直流電源からの電源供給を受け、突入電流防止回路２や電子機器４に電力を供給する。この逆接続保護回路３は、比較例の逆接続保護回路３（図３参照）と同様に構成され、同様に動作する。

突入電流防止回路２は、正極ライン２２，２３を接続するように配置されたインダクタＬ１と、インダクタＬ１の入力側の正極ライン２２に接続された抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ２と直列に接続された平滑コンデンサＣ２と、放電用ダイオードＤ２とを有する。この放電用ダイオードＤ２は、出力側の正極ライン２３に接続されており、抵抗Ｒ２とインダクタＬ１との直列接続体と並列接続される。平滑コンデンサＣ２の放電電流は、放電用ダイオードＤ２により、正極ライン２３を介して電子機器４の正極端子４１に流れる。抵抗Ｒ２は、一端が平滑コンデンサＣ２のプラス（＋）側と直列に接続され、他端が突入電流防止回路２の入力側を構成する。平滑コンデンサＣ２のマイナス（−）側は、グランドに接続される。
ここで、平滑コンデンサＣ２の放電方向を電流Ｉ₀とする。突入電流防止回路２から電子機器４に電力を供給する正極ライン２３の基幹電圧を、バス電圧Ｖ₀とする。

《突入電流防止回路２の動作》
抵抗Ｒ２は、電源投入時かつ平滑コンデンサＣ２が充電されていない場合に、この平滑コンデンサＣ２に流れ込む突入電流を制限する。抵抗Ｒ２と平滑コンデンサＣ２とは直列に接続されてＲＣ積分回路を構成する。平滑コンデンサＣ２に流れる電流は、抵抗Ｒ２によって抑制されると共に、平滑コンデンサＣ２の容量と抵抗値とで決定される時定数で指数関数的に変化する。
この突入電流防止回路２は、入力側の正極端子６と電子機器４の正極端子４１との間にインダクタＬ１を設けて、正極端子６から電子機器４への突入電流を制限する。インダクタＬ１は、定常時に電力を消費しないので、定常時のロスを防ぐことができる。このインダクタＬ１は更に、正極ライン２２の振動やリンギングが正極ライン２３に伝わらないように抑制する。

また、放電用ダイオードＤ２は、正極ライン２３のバス電圧Ｖ₀が平滑コンデンサＣ２の充電電圧値を下回る場合には、平滑コンデンサＣ２から放電用ダイオードＤ２と正極ライン２３を介して、電子機器４に電力を供給する。電子機器４が一時的に大電流を消費した場合であっても、正極ライン２３のバス電圧Ｖ₀の変動を抑止して、電子機器４に平滑コンデンサＣ２に充電された安定な電力を供給できる。電子機器４は、この安定した電力に基づいて動作する。

図２は、本実施形態の保護回路１の定常動作時のバス電圧と放電電流の波形図である。
ここでは、時刻ｔ０にてバス電圧Ｖ₀にパルス状のノイズが見られるが、このノイズはすぐさま収束している。放電電流Ｉ₀も時刻ｔ０の直後にてノイズが見られ、その後、時刻ｔ１にノイズ発生するが、このノイズは大きなリンギングが発生することなく収束する。よって、電子機器４に影響を与える高周波ノイズを抑圧できている。

本実施形態の保護回路１は、電源のバス電圧の振動およびリンギングを低減できることから、電磁妨害波の発生を抑制することができる。また電磁妨害波の発生を抑制できることから、別途に入力フィルタを追加する必要がないか、または既存の入力フィルタの回路規模を小さくすることができる。よって、部品コストを低減し、回路の実装面積を小さくすることができる。

本実施形態によれば、電源のバス電圧の振動およびリンギングを低減できることから、平滑コンデンサＣ２のリップル電流が低減され、この平滑コンデンサＣ２（電解コンデンサ）の寿命を長くすることができる。更に、この突入電流防止回路２の前段には逆接続保護回路３を備えているので、電源を逆接続した場合であっても、この突入電流防止回路２や電子機器４の破損を防ぐことができる。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能であり、例えば、次の（ａ）〜（ｃ）のようなものがある。
（ａ） 平滑コンデンサＣ２の突入電流を抑制する素子は抵抗Ｒ２に限られず、任意の電流抑制素子を接続してもよい。
（ｂ） 逆接続保護回路３の構成は実施形態に限られない。
（ｃ） 電子機器４は、直流電圧で動作する機器であればよく、限定されない。

１，１Ａ 保護回路
２，２Ａ 突入電流防止回路
２１，２２，２３ 正極ライン
３ 逆接続保護回路
４ 電子機器
４１ 正極端子
５ バリスタ
Ｑ１ 電界効果トランジスタ （逆接続防止素子の一例）
ＺＤ１ ツェナーダイオード （定電圧素子の一例）
Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ｒ２ 抵抗

Claims (3)

1. 電子機器を突入電流から保護する保護回路であって、
   電圧を平滑化するコンデンサと、
   直流電源端子と前記コンデンサの正極との間に接続されている抵抗と、
   前記コンデンサの正極から前記電子機器の正極端子へ順方向に接続される整流素子と、
   前記直流電源端子と前記電子機器の正極端子との間に接続されるインダクタと、
   を備えることを特徴とする電子機器の保護回路。
2. 前記直流電源端子との間に、更に逆接続防止素子が接続されており、
   前記逆接続防止素子の制御端子は、抵抗を介してグランドに接続され、かつ、コンデンサと定電圧素子との並列接続によりソース端子に接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子機器の保護回路。
3. 請求項１または請求項２に記載の電子機器の保護回路と、前記電子機器と、を備えた、電子機器システム。

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