JP2020014302A - Switching power supply and usb power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング電源、及び、スイッチング電源を備えるUSB給電装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply and a USB power supply device including the switching power supply.
従来、スイッチング素子を用いて出力電圧を安定化させる機能を有するスイッチング電源として、様々な形態のものが提案されている(例えば、特許文献1等参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, various types of switching power supplies having a function of stabilizing an output voltage using a switching element have been proposed (for example, see Patent Document 1).
特許文献1では、スイッチング素子とスイッチング素子を制御する制御ICとを備えるフライバック方式のスイッチング電源が提案されている。 Patent Literature 1 proposes a flyback switching power supply including a switching element and a control IC for controlling the switching element.
ところで、スイッチング電源では、負荷への電流供給が継続した場合に、スイッチング素子、フライバックトランス、出力側の整流ダイオード等の複数の箇所で発熱する可能性があるが、小型の電源回路を製作するには、放熱構造を設けることが困難となる。例えば、電源アダプタ等のUSB給電装置では、限られた空間内にスイッチング電源を設ける必要がある。そのために、スイッチング電源の温度が異常に上昇したときに出力を抑制する温度保護機能をスイッチング電源に設けることが求められる。 By the way, in a switching power supply, when current supply to a load is continued, there is a possibility that heat is generated in a plurality of places such as a switching element, a flyback transformer, and a rectifier diode on an output side, but a small power supply circuit is manufactured. , It becomes difficult to provide a heat dissipation structure. For example, in a USB power supply device such as a power adapter, it is necessary to provide a switching power supply in a limited space. Therefore, it is required that the switching power supply be provided with a temperature protection function for suppressing the output when the temperature of the switching power supply rises abnormally.
ここで、スイッチング電源用の制御ICとして、温度保護機能を内蔵するものもある。しかしながら、そのような制御ICは、閾値が150℃前後と極めて高すぎ、かつ、閾値を超過したときに動作が停止してしまうので、現実の用途に耐えないという問題がある。 Here, some control ICs for a switching power supply have a built-in temperature protection function. However, such a control IC has a problem that the threshold value is extremely high, around 150 ° C., and the operation stops when the threshold value is exceeded.
そのために、放熱構造を設けることに限りがある製品に組み込まれる小型のスイッチング電源に温度保護機能を付加するには、一部の高級な機能を持つ制御ICかプログラマブルな制御ICを使用せざるを得なく、コストの増大を招いてしまう。 Therefore, in order to add a temperature protection function to a small switching power supply incorporated in a product that has a limited heat radiation structure, a control IC with some advanced functions or a programmable control IC must be used. Unnecessarily, the cost is increased.
そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、簡易な回路で実現された温度保護機能を有するスイッチング電源及びUSB給電装置を提供することを目的とする。 Then, this invention is made in order to solve the said problem, and an object of this invention is to provide the switching power supply and USB power supply device which have the temperature protection function implement | achieved by the simple circuit.
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係るスイッチング電源は、入力された交流電力を整流する整流回路と、整流回路から出力される第1直流電圧を第2直流電圧に変換するDC/DCコンバータとを備え、DC/DCコンバータは、スイッチング素子と、スイッチング素子を流れる電流を検出し、検出した電流に対応する電圧を出力する電流検出回路と、電流検出回路から出力された電圧を増幅する非反転増幅回路と、非反転増幅回路から出力された電圧に従って、スイッチング素子のスイッチングを制御する制御回路とを備え、非反転増幅回路は、非反転入力端子及び反転入力端子を有する演算増幅器と、電流検出回路の出力端子と非反転入力端子との間に接続された第1抵抗素子と、電源電圧と非反転入力端子との間に接続された第2抵抗素子とを有し、第1抵抗素子及び第2抵抗素子の少なくとも一方は、サーミスタである。 In order to achieve the above object, a switching power supply according to one embodiment of the present invention includes a rectifier circuit for rectifying input AC power and a DC for converting a first DC voltage output from the rectifier circuit to a second DC voltage. The DC / DC converter includes a switching element, a current detection circuit that detects a current flowing through the switching element and outputs a voltage corresponding to the detected current, and a voltage output from the current detection circuit. A non-inverting amplifier circuit for amplifying, and a control circuit for controlling switching of the switching element according to a voltage output from the non-inverting amplifier circuit, wherein the non-inverting amplifier circuit has a non-inverting input terminal and an inverting input terminal. A first resistor connected between the output terminal of the current detection circuit and the non-inverting input terminal; and a first resistor connected between the power supply voltage and the non-inverting input terminal. And a second resistor element, at least one of the first resistive element and the second resistive element is a thermistor.
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係るUSB給電装置は、USBコネクタと、USBコネクタを支持する回路基板と、回路基板に実装された、上記スイッチング電源とを備え、スイッチング電源が備えるDC/DCコンバータは、第2直流電圧をUSBコネクタの電源端子に供給する。 To achieve the above object, a USB power supply device according to one embodiment of the present invention includes a USB connector, a circuit board supporting the USB connector, and the switching power supply mounted on the circuit board. The provided DC / DC converter supplies the second DC voltage to the power terminal of the USB connector.
本発明により、簡易な回路で実現された温度保護機能を有するスイッチング電源及びUSB給電装置が提供される。 According to the present invention, a switching power supply and a USB power supply device having a temperature protection function realized by a simple circuit are provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、動作手順等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each of the embodiments described below shows one specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connection forms of constituent elements, operation procedures, and the like shown in the following embodiments are merely examples and do not limit the present invention. In addition, among the components in the following embodiments, components not described in the independent claims that indicate the highest concept of the present invention are described as arbitrary components. In addition, each drawing is not necessarily strictly illustrated. In each of the drawings, substantially the same configuration is denoted by the same reference numeral, and redundant description will be omitted or simplified.
図1Aは、実施の形態に係るUSB給電装置6の構造を示す外観図である。USB給電装置6は、USBコネクタ8を介して電力を供給する電源アダプタ又は埋込配線器具等に用いられる電源装置である。USB給電装置6は、本図に示されるように、USBコネクタ8と、USBコネクタ8を支持する回路基板7と、回路基板7に実装されたスイッチング電源10とを備える。
FIG. 1A is an external view showing a structure of a USB
USBコネクタ8は、例えば、USB Type−Aのレセプタクル(メス)である。
The
回路基板7には、表面(本図における上面)にUSBコネクタ8が実装され、裏面にスイッチング電源10を構成する各種電子部品が実装されている。
The circuit board 7 has a
スイッチング電源10は、交流電力(ここでは、商用交流電力)を入力として、安定化された直流電圧(ここでは、5V)をUSBコネクタ8の電源端子VBUSに供給する、温度保護機能を有するフライバック方式の電源回路である。
The switching
図1Bは、図1Aに示された回路基板7の裏面を見た外観図である。回路基板7の中央には、反対側(回路基板7の表面)に取り付けられたUSBコネクタ8の端子が貫通してはんだ付けで固定されている。USBコネクタ8の端子のうち、本図における左端に位置する端子が電源端子VBUSであり、右端に位置する端子がグランド端子GNDである。
FIG. 1B is an external view of the back surface of the circuit board 7 shown in FIG. 1A. At the center of the circuit board 7, a terminal of a
また、回路基板7の左上には、後述するフライバックトランスの二次側の交流電力を整流して直流電力を出力する半導体素子の一例であるダイオード15が実装されている。
On the upper left of the circuit board 7, a
USBコネクタ8の電源端子VBUS及びダイオード15は、発熱するリスクの高い電子部品である。よって、本実施の形態では、回路基板7の平面視における電源端子VBUSとダイオード15との間に、これらの電源端子VBUS及びダイオード15の温度を検知するサーミスタである第1抵抗素子R1が実装されている。つまり、第1抵抗素子R1は、電源端子VBUS及びダイオード15の両方の温度を検知するセンサを兼ねている。
The power supply terminal VBUS and the
図2は、図1Aに示されたUSB給電装置6が備えるスイッチング電源10の回路図である。スイッチング電源10は、交流電源5からの交流電力(ここでは、商用交流電力)を入力として、安定化された直流電圧(ここでは、5V)をUSBコネクタ8の電源端子VBUSに供給する、温度保護機能を有するフライバック方式の電源回路である。
FIG. 2 is a circuit diagram of the switching
本図に示されるように、スイッチング電源10は、入力された交流電力を整流する整流回路11と、整流回路11から出力される第1直流電圧を第2直流電圧に変換してUSBコネクタ8の電源端子VBUSに供給するDC/DCコンバータ12とを備える。
As shown in FIG. 1, the
整流回路11は、交流電源5からの交流電力(ここでは、商用交流電力)を直流電力に整流する回路であり、例えば、ダイオードブリッジ等で構成される。 The rectifier circuit 11 is a circuit that rectifies AC power (in this case, commercial AC power) from the AC power supply 5 into DC power, and includes, for example, a diode bridge or the like.
DC/DCコンバータ12は、スナバ回路13、フライバックトランス14、ダイオード15、コンデンサ16、スイッチング素子17、制御回路18、電流検出回路19、及び、非反転増幅回路20で構成される。
The DC /
スナバ回路13は、フライバックトランス14の一次巻線の両端に接続され、スイッチング素子17のオフ時に一次巻線に発生する高電圧を吸収する保護回路である。
The
フライバックトランス14は、一次巻線及び二次巻線を有する絶縁トランスである。
The
ダイオード15は、フライバックトランス14の二次巻線に発生した交流電力を整流する半導体素子の一例である。なお、このような整流用の半導体素子としては、ダイオードに限られず、同期整流用のスイッチング素子(例えば、FET等)であってもよい。
The
コンデンサ16は、ダイオード15によって整流された電圧及び電流の波形を平滑化する平滑用コンデンサである。
The
スイッチング素子17は、フライバックトランス14の一次巻線に直列に接続され、制御回路18による制御の下でオンオフを繰り返す素子であり、例えば、MOSトランジスタである。
The switching
電流検出回路19は、スイッチング素子17を流れる電流を検出し、検出した電流に対応する電圧を出力する回路であり、例えば、スイッチング素子17と直列に接続された抵抗素子である。
The
非反転増幅回路20は、電流検出回路19から出力された電圧を非反転で増幅し、制御回路18に出力する回路である。
The
制御回路18は、非反転増幅回路20から出力された電圧に従って、スイッチング素子17のスイッチングを制御する回路であり、例えば、ICである。具体的には、制御回路18は、電流検出回路19から非反転増幅回路20を経て入力された電圧が予め定められた制限値を超えないように、スイッチング素子17のスイッチングにおけるオン時間を変化させるPWM(Pulse Width Modulation)制御をする。
The
図3は、図2における非反転増幅回路20の詳細な構成を示す回路図である。非反転増幅回路20は、電流検出回路19から出力された電圧(つまり、非反転増幅回路20への入力電圧)Viに対して、内部に有するサーミスタで検知した温度に依存した増幅率で増幅することで得た電圧Voを、制御回路18に出力する増幅回路である。非反転増幅回路20は、本図に示されるように、ローパスフィルタ(LPF)21、演算増幅器Amp、第1抵抗素子R1、第2抵抗素子R2、第3抵抗素子R3、及び、第4抵抗素子R4で構成される。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the
ローパスフィルタ21は、入力電圧Viを平滑化することで平坦な電圧波形を生成するフィルタであり、例えば、抵抗素子とコンデンサとで構成されるCRローパスフィルタである。
The low-
演算増幅器Ampは、非反転入力端子及び反転入力端子を有するオペアンプ(Operational Amplifier)であり、電源電圧Vccからの電力供給を受けて動作し、制御回路18に電圧Voを出力する。電源電圧Vccは、DC/DCコンバータ12において、電圧レギュレータ(図示せず)等を用いて生成される。
The operational amplifier Amp is an operational amplifier (Operational Amplifier) having a non-inverting input terminal and an inverting input terminal, operates by receiving power supply from the power supply voltage Vcc, and outputs the voltage Vo to the
第1抵抗素子R1は、電流検出回路19の出力端子と演算増幅器Ampの非反転入力端子との間に接続された第1抵抗素子の一例である。本実施の形態では、第1抵抗素子R1は、非反転増幅回路20の入力段に設けられたローパスフィルタ21の出力端子と演算増幅器Ampの非反転入力端子との間に接続された、温度が上がると抵抗値が増える正特性サーミスタである。
The first resistance element R1 is an example of a first resistance element connected between the output terminal of the
第2抵抗素子R2は、電源電圧Vccと演算増幅器Ampの非反転入力端子との間に接続された第2抵抗素子の一例であり、本実施の形態では、固定抵抗素子である。 The second resistance element R2 is an example of a second resistance element connected between the power supply voltage Vcc and the non-inverting input terminal of the operational amplifier Amp, and is a fixed resistance element in the present embodiment.
第1抵抗素子R1及び第2抵抗素子R2の抵抗値は、次の条件を満たす値に設定されている。つまり、正特性サーミスタである第1抵抗素子R1が検知する温度が通常(つまり、正常と判断される温度範囲)である場合に、第2抵抗素子R2の抵抗値>>第1抵抗素子R1の抵抗値が成り立つ。そして、第1抵抗素子R1が検知する温度が異常に高い場合に、第2抵抗素子R2の抵抗値≒第1抵抗素子R1の抵抗値が成り立つ。 The resistance values of the first resistance element R1 and the second resistance element R2 are set to values satisfying the following conditions. That is, when the temperature detected by the first resistance element R1 that is a positive temperature coefficient thermistor is normal (that is, the temperature range determined to be normal), the resistance value of the second resistance element R2 >> the resistance value of the first resistance element R1 The resistance value holds. Then, when the temperature detected by the first resistance element R1 is abnormally high, the resistance value of the second resistance element R2 抵抗 the resistance value of the first resistance element R1 holds.
第3抵抗素子R3は、演算増幅器Ampの反転入力端子と基準電圧(グランド)との間に接続された固定抵抗素子である。 The third resistance element R3 is a fixed resistance element connected between the inverting input terminal of the operational amplifier Amp and a reference voltage (ground).
第4抵抗素子R4は、演算増幅器Ampの反転入力端子と演算増幅器Ampの出力端子との間に接続されたフィードバック用の固定抵抗素子である。 The fourth resistance element R4 is a fixed resistance element for feedback connected between the inverting input terminal of the operational amplifier Amp and the output terminal of the operational amplifier Amp.
次に、以上のように構成された本実施の形態に係るUSB給電装置6の動作について説明する。
Next, an operation of the USB
交流電源5からの交流電力は、整流回路11によって直流電力に整流され、整流後の直流電力は、DC/DCコンバータ12によって安定化され、直流電圧(ここでは、5V)となって、USBコネクタ8の電源端子VBUSに供給される。
The AC power from the AC power supply 5 is rectified by the rectifier circuit 11 into DC power, and the rectified DC power is stabilized by the DC /
DC/DCコンバータ12において、フライバックトランス14の一次巻線に印加された直流電力は、制御回路18による制御の下で、スイッチング素子17によってチョッピングされることで交流電力となり、フライバックトランス14の二次巻線に交流電力が生じる。フライバックトランス14の二次巻線に生じた交流電力は、ダイオード15によって整流され、さらに、コンデンサ16によって平滑化され、直流電圧(ここでは、5V)となる。
In the DC /
制御回路18は、電流検出回路19から非反転増幅回路20を経て入力された電圧が予め定められた制限値を超えないように、スイッチング素子17のスイッチングにおけるオン時間を制御する。具体的には、制御回路18は、電流検出回路19から非反転増幅回路20を経て入力された電圧が制限値を超える場合には、スイッチング素子17を流れる電流を制限するように、スイッチング素子17のスイッチングにおけるオン時間を小さくする。これにより、電流検出回路19で検出される電流が制限値に対応する値を超えることがないように、USBコネクタ8の電源端子VBUSからの出力電流及び出力電圧が制限される。
The
ここで、非反転増幅回路20における非反転増幅の動作は以下の通りになる。
Here, the operation of non-inverting amplification in the
演算増幅器Ampの非反転入力端子での電圧をVmとすると、演算増幅器Ampが出力する電圧Voは、第3抵抗素子R3及び第4抵抗素子R4を用いて、以下の式1で表される。 Assuming that the voltage at the non-inverting input terminal of the operational amplifier Amp is Vm, the voltage Vo output from the operational amplifier Amp is expressed by the following equation 1 using the third resistance element R3 and the fourth resistance element R4.
Vo=[(R3+R4)/R3]×Vm (式1) Vo = [(R3 + R4) / R3] × Vm (Equation 1)
ここで、電圧Vmは、ローパスフィルタ21における入力電圧Viの減衰を無視すると、電源電圧Vccと入力電圧Viとの電位差を第1抵抗素子R1及び第2抵抗素子R2によって分圧された電圧となるので、以下の式2で表される。
Here, if the attenuation of the input voltage Vi in the low-
Vm=(R1×Vcc+R2×Vi)/(R1+R2) (式2) Vm = (R1 × Vcc + R2 × Vi) / (R1 + R2) (Equation 2)
なお、上記式1及び式2中のR1、R2、R3、R4は、それぞれ、第1抵抗素子R1、第2抵抗素子R2、第3抵抗素子R3、第4抵抗素子R4の抵抗値である。 Note that R1, R2, R3, and R4 in the above equations 1 and 2 are resistance values of the first resistance element R1, the second resistance element R2, the third resistance element R3, and the fourth resistance element R4, respectively.
ここで、通常時、つまり、正特性サーミスタである第1抵抗素子R1が検知する温度が通常の温度である場合には、R2>>R1となるので、上記式2より、Vm≒Viとなる。これを上記式1に代入することで、非反転増幅回路20の電圧増幅率Vo/Viとして、以下の式3に示される値が得られる。
Here, in a normal state, that is, when the temperature detected by the first resistance element R1 which is a positive temperature coefficient thermistor is a normal temperature, R2 >> R1, and therefore Vm ≒ Vi from the above equation (2). . By substituting this into the above equation 1, the value shown in the following equation 3 is obtained as the voltage amplification factor Vo / Vi of the
Vo/Vi≒(R3+R4)/R3 (式3) Vo / Vi ≒ (R3 + R4) / R3 (Equation 3)
よって、通常の温度である場合には、非反転増幅回路20の電圧増幅率は、正特性サーミスタである第1抵抗素子R1に依存しない固定値となる。よって、制御回路18は、電流検出回路19から非反転増幅回路20を経て入力された電圧が制限値を超える場合にスイッチング素子17を流れる電流を制限する通常の制御を行う。
Therefore, when the temperature is normal, the voltage gain of the
一方、異常時、つまり、正特性サーミスタである第1抵抗素子R1が検知する温度が異常に高い(例えば、電子部品の発熱を検知した)場合には、第1抵抗素子R1の高抵抗化により、R1≒R2となるので、上記式2より、Vm=(Vcc+Vi)/2となる。これを上記式1に代入することで、非反転増幅回路20の電圧増幅率Vo/Viとして、以下の式4に示される値が得られる。
On the other hand, when abnormal, that is, when the temperature detected by the first resistance element R1 which is a positive temperature coefficient thermistor is abnormally high (for example, heat generation of an electronic component is detected), the resistance of the first resistance element R1 is increased. , R1 ≒ R2, Vm = (Vcc + Vi) / 2 from the above equation (2). By substituting this into the above equation 1, the value shown in the following equation 4 is obtained as the voltage amplification factor Vo / Vi of the
Vo/Vi≒[(R3+R4)/R3]×(Vcc+Vi)/2 (式4) Vo / Vi ≒ [(R3 + R4) / R3] × (Vcc + Vi) / 2 (Equation 4)
ここで、電源電圧Vccは2.5〜5V程度であり、入力電圧Viは、1〜2V程度である。よって、上記式4の右辺の第2項((Vcc+Vi)/2)は、1.75〜3.5となり、異常時における非反転増幅回路20の電圧増幅率Vo/Viは、上記式3に示される通常時におけるものに比べて、1.75〜3.5倍となる。その結果、制御回路18は、スイッチング素子17を流れる電流を抑制することにより、DC/DCコンバータ12の出力電圧(電源端子VBUSの電圧)を、通常時の20〜50%未満に抑制する制御を行う。これにより、温度保護機能が実現される。
Here, the power supply voltage Vcc is about 2.5 to 5 V, and the input voltage Vi is about 1 to 2 V. Therefore, the second term ((Vcc + Vi) / 2) on the right side of the above equation 4 is 1.75 to 3.5, and the voltage amplification factor Vo / Vi of the
なお、正特性サーミスタである第1抵抗素子R1が検知する温度がさらに異常に高い場合には、第1抵抗素子R1のさらなる高抵抗化により、R1≒∞となるので、上記式2より、Vm≒Vccとなる。これを上記式1に代入することで、非反転増幅回路20が出力する電圧Voとして、以下の式5に示される値が得られる。
If the temperature detected by the first resistance element R1 which is a positive temperature coefficient thermistor is abnormally high, R1 ≒ ∞ is obtained by further increasing the resistance of the first resistance element R1. ≒ Vcc. By substituting this into the above equation 1, the value shown in the following equation 5 is obtained as the voltage Vo output from the
Vo≒[(R3+R4)/R3]×Vcc (式5) Vo ≒ [(R3 + R4) / R3] × Vcc (Equation 5)
この電圧Voは、通常時に電流検出回路19が最大電流を検出したときに非反転増幅回路20から出力される電圧Vth(例えば、Vth<(R1/R2)×Vcc)を超える値である。よって、このような電圧Voが入力された制御回路18は、スイッチング素子17を流れる電流をゼロにすることにより、DC/DCコンバータ12の出力電圧(電源端子VBUSの電圧)をゼロにする制御を行う。
The voltage Vo is a value exceeding the voltage Vth (for example, Vth <(R1 / R2) × Vcc) output from the
このように、正特性サーミスタである第1抵抗素子R1が検知する温度が異常に高い場合には、非反転増幅回路20から出力される電圧Voは、温度が通常である場合よりも大きくなる。これは、非反転増幅回路20から出力された電圧Voを受け取る制御回路18にとって、見かけ上、電流検出回路19で検出される電流が現実よりも大きく検出されたことに相当する、言い換えると、予め定めた電流の制限値が小さくなったことに相当する。その結果、制御回路18は、通常時よりも、USBコネクタ8の電源端子VBUSからの出力電圧及び出力電流を制限する。第1抵抗素子R1によって極めて高い温度が検知された場合には、第1抵抗素子R1の抵抗値は指数関数的に大きくなり、DC/DCコンバータ12の出力電圧及び出力電流は、ゼロにまで抑制される。
As described above, when the temperature detected by the first resistance element R1 which is a positive temperature coefficient thermistor is abnormally high, the voltage Vo output from the
これにより、温度保護機能をもたない通常のスイッチング電源に対して、制御ICを変更することなく、非反転増幅回路20を追加するだけで、温度保護機能が付加されたスイッチング電源10が実現される。
Thus, the switching
以上のように、本実施の形態に係るスイッチング電源10は、入力された交流電力を整流する整流回路11と、整流回路11から出力される第1直流電圧を第2直流電圧に変換するDC/DCコンバータ12とを備え、DC/DCコンバータ12は、スイッチング素子17と、スイッチング素子17を流れる電流を検出し、検出した電流に対応する電圧を出力する電流検出回路19と、電流検出回路19から出力された電圧を増幅する非反転増幅回路20と、非反転増幅回路20から出力された電圧に従って、スイッチング素子17のスイッチングを制御する制御回路18とを備え、非反転増幅回路20は、非反転入力端子及び反転入力端子を有する演算増幅器Ampと、電流検出回路19の出力端子と非反転入力端子との間に接続された第1抵抗素子R1と、電源電圧Vccと非反転入力端子との間に接続された第2抵抗素子R2とを有し、第1抵抗素子R1及び第2抵抗素子R2の少なくとも一方は、サーミスタである。
As described above, switching
これにより、電流検出回路19から出力された電圧は、非反転増幅回路20において、サーミスタを用いた非反転増幅が行われた後に、制御回路18に入力される。よって、電流検出に基づく信号に、温度検知に基づく信号が重畳されて制御回路18に入力されることとなり、制御回路18が有する出力電圧安定化の制御によって、温度に対する出力抑制も行われることになる。つまり、温度保護機能をもたない通常のスイッチング電源に対して、制御ICを変更することなく、非反転増幅回路20を追加するだけで、温度保護機能が付加されたスイッチング電源10が実現される。よって、簡易な回路で実現された温度保護機能を有するスイッチング電源10が実現される。
Thus, the voltage output from the
また、第1抵抗素子R1は、正特性サーミスタであり、第2抵抗素子R2は、固定抵抗素子である。 The first resistance element R1 is a positive temperature coefficient thermistor, and the second resistance element R2 is a fixed resistance element.
これにより、第1抵抗素子R1として正特性サーミスタを用いることで、簡易に、温度保護機能が実現される。 Thus, by using a positive temperature coefficient thermistor as the first resistance element R1, a temperature protection function can be easily realized.
また、本実施の形態に係るUSB給電装置6は、USBコネクタ8と、USBコネクタ8を支持する回路基板7と、回路基板7に実装されたスイッチング電源10とを備え、スイッチング電源10が備えるDC/DCコンバータ12は、第2直流電圧をUSBコネクタ8の電源端子VBUSに供給する。
The USB
これにより、USB給電装置6には、簡易な回路で実現された温度保護機能を有するスイッチング電源10が備えられるので、小型で、かつ、コストが抑えられたUSB給電装置が実現される。
Thus, the USB
また、DC/DCコンバータ12は、スイッチング素子17によるスイッチングによって生じた交流電力を整流する半導体素子(実施の形態では、ダイオード15)を有し、サーミスタ(実施の形態では、第1抵抗素子R1)は、電源端子VBUS及び半導体素子の少なくとも一方の温度を検知する。
Further, the DC /
これにより、発熱する可能性が高いUSBコネクタ8の電源端子VBUS及び整流用の半導体素子の少なくとも一方の温度が検知される。
Thus, the temperature of at least one of the power supply terminal VBUS of the
なお、上記実施の形態では、非反転増幅回路20において、第1抵抗素子R1が正特性サーミスタであり、第2抵抗素子R2が固定抵抗素子であったが、これに限定されない。図4に示されるように、第1抵抗素子R1が固定抵抗素子であり、第2抵抗素子R2が負特性サーミスタであってもよい。
In the above embodiment, in the
図4は、上記実施の形態のスイッチング電源10が備える非反転増幅回路20の変形例に係る非反転増幅回路20aを示す回路図である。この変形例に係る非反転増幅回路20aは、第1抵抗素子R1として固定抵抗素子を有し、第2抵抗素子R2として負特性サーミスタを有する。第1抵抗素子R1及び第2抵抗素子R2の抵抗値は、次の条件を満たす値に設定されている。つまり、負特性サーミスタである第2抵抗素子R2が検知する温度が通常(つまり、正常と判断される温度範囲)である場合に、第2抵抗素子R2の抵抗値>>第1抵抗素子R1の抵抗値が成り立つ。そして、第2抵抗素子R2が検知する温度が異常に高い場合に、第2抵抗素子R2の抵抗値≒第1抵抗素子R1の抵抗値が成り立つ。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a
このような構成を有する非反転増幅回路20aであっても、上記実施の形態に係る非反転増幅回路20と同様の動作をする。つまり、非反転増幅回路20aの電圧増幅率Vo/Viは、上記式1で表される。そして、通常時、つまり、負特性サーミスタである第2抵抗素子R2が検知する温度が通常の温度である場合には、R2>>R1となるので、非反転増幅回路20の電圧増幅率Vo/Viとして、上記式3の通りになる。一方、異常時、つまり、負特性サーミスタである第2抵抗素子R2が検知する温度が異常に高い場合には、第2抵抗素子R2の低抵抗化により、R1≒R2となるので、非反転増幅回路20の電圧増幅率Vo/Viとして、上記式4の通りになる。これは、非反転増幅回路20からの出力電圧を受け取る制御回路18にとって、見かけ上、電流検出回路19で検出される電流が現実よりも大きく検出されたことに相当する、言い換えると、予め定めた電流の制限値が小さくなったことに相当する。その結果、制御回路18は、通常時よりも、USBコネクタ8の電源端子VBUSからの出力電圧及び出力電流を制限する。第2抵抗素子R2によって極めて高い温度が検知された場合には、第2抵抗素子R2の抵抗値は指数関数的に小さくなり、出力電圧及び出力電流は、ゼロにまで抑制される。
Even the
このように、本変形例に係る非反転増幅回路20aを備えるスイッチング電源によれば、上記実施の形態と同様の効果が奏される。つまり、温度保護機能をもたない通常のスイッチング電源に対して、制御ICを変更することなく、非反転増幅回路20aを追加するだけで、温度保護機能が付加されたスイッチング電源が実現される。
As described above, according to the switching power supply including the
また、本変形例に係る非反転増幅回路20aでは、第1抵抗素子R1は、固定抵抗素子であり、第2抵抗素子R2は、負特性サーミスタである。
Further, in the
これにより、第2抵抗素子R2として負特性サーミスタを用いることで、簡易に、温度保護機能が実現される。 Thus, by using a negative temperature coefficient thermistor as the second resistance element R2, the temperature protection function can be easily realized.
以上、本発明に係るスイッチング電源及びUSB給電装置について、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態又は変形例に施したものや、実施の形態及び変形例における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。 As described above, the switching power supply and the USB power supply device according to the present invention have been described based on the embodiments and the modifications, but the present invention is not limited to these embodiments and the modifications. Unless departing from the gist of the present invention, various modifications conceived by those skilled in the art are applied to this embodiment or modification, or another form constructed by combining some components in the embodiments and modifications. Are also included in the scope of the present invention.
例えば、上記実施の形態では、USB給電装置6は、USBコネクタ8として、USB Type−Aのレセプタクル(メス)を備えたが、これに限られず、USB Type−B、あるいは、USB Type−Cのコネクタであってもよい。
For example, in the above-described embodiment, the USB
また、上記実施の形態では、USB給電装置6は、1個のUSBコネクタ8を備えたが、複数のUSBコネクタを備えてもよい。その場合には、非反転増幅回路20は、複数のUSBコネクタの温度を検知するのが好ましい。例えば、第2抵抗素子R2として負特性サーミスタを用い、第1抵抗素子R1として正特性サーミスタを用いることで、複数のサーミスタを備え、離れた複数の箇所に対する温度保護機能をもつスイッチング電源が実現される。
In the above embodiment, the USB
また、上記実施の形態では、非反転増幅回路20が有するサーミスタは、USBコネクタ8の電源端子VBUS及びダイオード15の両方の温度を検知したが、これらのうちの一方だけの温度を検知してもよい。
Further, in the above embodiment, the thermistor included in the
また、上記実施の形態に係るスイッチング電源10では、二次側の出力電圧が一次側にフィードバックされなかったが、フォトカプラ等を用いて、二次側の出力電圧を制御回路18にフィードバックし、一定の電圧を出力する制御が行われてもよい。
In the switching
また、上記実施の形態に係るスイッチング電源10は、フライバック方式(つまり、絶縁型)のスイッチング電源であったが、このようなタイプに限られず、非絶縁型であってもよい。さらに、DC/DCコンバータ12については、降圧型、昇圧型、昇降圧型のいずれであってもよい。本発明に係る非反転増幅回路は、電流検出回路と制御回路とを備えるスイッチング電源であれば、それらの回路の間に付加することで、あらゆる種類のスイッチング電源に適用することができる。
Further, the switching
また、上記実施の形態に係るスイッチング電源10は、非反転増幅回路20の前段にローパスフィルタ21が設けられたが、これに限られない。非反転増幅回路20にはローパスフィルタを設けず、制御回路18の入力段にローパスフィルタを設けてもよい。
Further, in the switching
また、上記実施の形態に係るスイッチング電源10では、ローパスフィルタ21は、CRローパスフィルタであったが、オペアンプを用いたアクティブなローパスフィルタであってもよいし、LCローパスフィルタであってもよい。
In the switching
5 交流電源
6 USB給電装置
7 回路基板
8 USBコネクタ
10 スイッチング電源
11 整流回路
12 DC/DCコンバータ
15 ダイオード(半導体素子の一例)
17 スイッチング素子
18 制御回路
19 電流検出回路
20、20a 非反転増幅回路
R1 第1抵抗素子
R2 第2抵抗素子
Amp 演算増幅器
5
Claims (5)
前記整流回路から出力される第1直流電圧を第2直流電圧に変換するDC/DCコンバータとを備え、
前記DC/DCコンバータは、
スイッチング素子と、
前記スイッチング素子を流れる電流を検出し、検出した電流に対応する電圧を出力する電流検出回路と、
前記電流検出回路から出力された電圧を増幅する非反転増幅回路と、
前記非反転増幅回路から出力された電圧に従って、前記スイッチング素子のスイッチングを制御する制御回路とを備え、
前記非反転増幅回路は、
非反転入力端子及び反転入力端子を有する演算増幅器と、
前記電流検出回路の出力端子と前記非反転入力端子との間に接続された第1抵抗素子と、
電源電圧と前記非反転入力端子との間に接続された第2抵抗素子とを有し、
前記第1抵抗素子及び前記第2抵抗素子の少なくとも一方は、サーミスタである
スイッチング電源。 A rectifier circuit for rectifying the input AC power,
A DC / DC converter for converting a first DC voltage output from the rectifier circuit into a second DC voltage,
The DC / DC converter comprises:
A switching element;
A current detection circuit that detects a current flowing through the switching element and outputs a voltage corresponding to the detected current;
A non-inverting amplifier circuit for amplifying the voltage output from the current detection circuit,
A control circuit that controls switching of the switching element according to a voltage output from the non-inverting amplifier circuit;
The non-inverting amplifier circuit,
An operational amplifier having a non-inverting input terminal and an inverting input terminal;
A first resistance element connected between an output terminal of the current detection circuit and the non-inverting input terminal;
A second resistance element connected between a power supply voltage and the non-inverting input terminal,
A switching power supply, wherein at least one of the first resistance element and the second resistance element is a thermistor.
前記第2抵抗素子は、固定抵抗素子である
請求項1記載のスイッチング電源。 The first resistance element is a positive temperature coefficient thermistor,
The switching power supply according to claim 1, wherein the second resistance element is a fixed resistance element.
前記第2抵抗素子は、負特性サーミスタである
請求項1記載のスイッチング電源。 The first resistance element is a fixed resistance element;
The switching power supply according to claim 1, wherein the second resistance element is a thermistor having a negative characteristic.
前記USBコネクタを支持する回路基板と、
前記回路基板に実装された、請求項1〜3のいずれか1項に記載のスイッチング電源とを備え、
前記スイッチング電源が備える前記DC/DCコンバータは、前記第2直流電圧を前記USBコネクタの電源端子に供給する
USB給電装置。 A USB connector,
A circuit board supporting the USB connector;
The switching power supply according to any one of claims 1 to 3, which is mounted on the circuit board,
The USB power supply device, wherein the DC / DC converter included in the switching power supply supplies the second DC voltage to a power terminal of the USB connector.
前記サーミスタは、前記電源端子及び前記半導体素子の少なくとも一方の温度を検知する
請求項4記載のUSB給電装置。 The DC / DC converter has a semiconductor element that rectifies AC power generated by switching by the switching element,
The USB power supply device according to claim 4, wherein the thermistor detects a temperature of at least one of the power terminal and the semiconductor element.
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DE112021006409T5 (en) | 2020-12-11 | 2023-10-05 | Hioki E.E. Corporation | AMPLIFIER CIRCUIT AND MEASURING DEVICE |
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