JP2765704B2 - スィッチングレギュレータの過負荷保護回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、種々の電子装置等に給電する直流安定回
路電源として用いられるスィッチングレギュレータ、す
なわち変圧器の入力側に供給する断続電流の通流率を制
御することにより出力側電圧を一定にするスィッチング
レギュレータを過負荷から保護するための保護回路に関
する。

〔従来の技術〕

上述のスィッチングレギュレータから電子装置等の負
荷に対して、それに適する単一ないしは複数個の出力電
圧が供給されるが、なんらかの原因で負荷回路に短絡が
発生したり、負荷に流れる電流が過大になることがあ
り、かかる短絡や過電流からスィッチングレギュレータ
自体はもちろん負荷をも守るために、従来から過負保護
回路がスィッチングレギュレータ内に組み込まれてい
る。第３図は過負荷保護回路を組み込んだスィッチング
レギュレータの従来装置を示すものである。

まず、スィッチングレギュレータの概要を説明する。
図示の例では変圧器１としていわゆるフライバック形が
用いられており、入力側回路２は直流の入力電圧Viを受
けてそのスィッチング回路2cによって変圧器１の一次コ
イルに流す電流を断続する。この例は２出力の場合であ
って、２個の出力側回路３および４は変圧器１の二次コ
イルから受ける断続する誘起電圧をそれぞれダイオード
3aおよび4aで整流し、かつ二次コイルのインダクタンス
とキャパシタ3bおよび4bで平滑化した上で、普通は互い
に異なる出力電圧Voをそれぞれ出力する。

出力側回路３がいわば主出力回路であって、制御回路
50はこの出力回路３の出力電圧の実際値ｖを受け、入力
側回路２のスィッチング回路2cを操作して実際値ｖが所
定の目標値になるように変圧器１の入力側に流す断続電
流の通流率を制御する。出力側回路４はいわば従出力回
路であって、その出力電圧は前記制御回路50により一応
は制御されているが、その負荷の条件によっては主出力
回路３とは別の電圧変動が生じ得るので、普通は補助的
な電圧制御手段としていわゆる３端子レギュレータ60が
図示のように従出力回路に組み込まれる。この３端子レ
ギュレータ60は、いわゆるシリーズドロッパであるトラ
ンジスタ61,そのベース電位設定用のツェナダイオード6
2およびツェナダイオード電流とトランジスタのベース
電流を供給する抵抗63を含む。

過電流や短絡等の過負荷状態を検出するため、出力側
回路３内には電流検出抵抗3cが挿入されており、それか
ら電流ｉを表す電流信号が制御回路50に与えられる。制
御回路50は、この電流信号の値が過電流検出のための設
定値を越えているとき、入力側回路２のスィッチング回
路2cを介して前述の断続電流の通流率を低下させ、ない
しは制御することにより電流ｉを制限する。出力側回路
４にも同様に電流検出抵抗4cが挿入されているが、この
電流検出回路4cからの電流信号は３端子レギュレータ60
のツェナダイオード62を図では簡単に示されたスイッチ
64によって短絡して出力電圧を強制的に降下させるため
に用いられる。スイッチ64は所定の動作しきい値をもつ
トランジスタ回路である。

この第３図に示す従来装置では、出力側回路に過電流
を検出するための電流検出抵抗を挿入しているが、十分
な過電流検出感度を得るには電流検出抵抗の抵抗値をか
なり大きくとる必要があり、この抵抗内に常時電力損失
が発生してスィッチングレギュレータの効率が低下する
問題がある。この例のように出力側回路が複数個あると
き、効率低下は特に大きくなる。この問題を解決したの
が次の第４図に示すものである。

第４図には第３図と同じ部分には同じ符号が付けられ
ており、この例では図示のように入力側回路２内に単一
の電流検出抵抗2dが挿入されている。普通スィッチング
レギュレータへの入力電圧Viの方が出力電圧Voよりずっ
と高いので、入力側電流は出力側電流よりもかなり小さ
く、過電流時に所望の電圧降下を発生するようにこの電
流検出抵抗2dの抵抗値を選んでも電力損失が少なくな
り、また単一の抵抗で済むことからスィッチングレギュ
レータの効率向上に有利になる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した第３図に示す従来装置においては、前述した
ように、電流検出抵抗内の電力損失が大きくスィッチン
グレギュレータの効率が低下する問題がある。これの問
題を解決した第４図に示す従来装置であっても、短絡電
流がかなり大きくなる問題がまだ残っている。以下、こ
れを第２図を参照して説明する。

第２図には、上述の従来装置における過負荷保護時の
電圧・電流特性がＢおよびＣで示されている。特性Ｂは
第３図の出力側回路４の３端子レギュレータ60を利用し
た場合であって、電流ｉが低下電流inより大きく設定さ
れた過電流検出のための設定値ioに達したとき、電圧ｖ
が強制的に下げられるので電流ｉも同時に減少すること
になり、従って短絡電流ibは図示のように定格電流inよ
りもさらに低い値になる。

これに対して、特性Ｃは第４図および第３図の出力側
回路３の場合であって、制御回路50は電流検出抵抗2dな
いし3cで検出された電流ｉの値が過電流検出設定値ioを
上回ったことをあくまで条件として電流抑制動作を行う
ので、原理上からも短絡電流icを設定値io以下に抑える
ことは困難で、普通短絡電流icの値が図にように定格電
流inの1.5倍以上にも増えてしまう。また、入力側回路
に挿入された電流検出抵抗により過電流が検出されるの
は、出力側回路の出力電圧の低下により制御回路50によ
ってスィッチング回路2cの通流率が大きくなるように制
御されてからであり、過電流検出までに時間のロスが生
じてしまう。

前記短絡時には電圧ｖがないので電力損失はあまり大
きくならないらが、短絡電流が変圧器１の二次コイルや
整流ダイオード等を流れるので、これらに大電流に連続
的に耐える定格容量を持たせねばならなくなって非常に
不経済になる。また、スィッチングレギュレータがフラ
イバック形でない場合は、出力側回路に普通平滑リアク
トルを挿入する必要があるので、その定格容量をも増加
させなければならないことになる。

本発明の目的は、前述した従来装置の欠点を除去し、
電流検出抵抗内の電力損失を少なくし、かつ短絡電流を
素早く検出するとともに短絡電流を小さくすることので
きるスィッチングレギュレータの過負荷保護回路を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前述した目的を達成するため本発明は、変圧器の入力
側に供給する断続電流の通流率の制御により出力側電圧
が調整されるスィッチングレギュレータを過負荷から保
護するための回路であって、通常時の出力側電圧の変動
に対して入力側断続電流の通流率を制御する制御回路
と、変圧器の入力側電流を検出する電流検出抵抗からな
る電流検出手段と、この電流検出手段により検出された
電流値が過電流検出切鉄値を上回った過電流時に動作し
て入力側断続電流の通流率を抑制する通流率抑制回路
と、変圧器の出力側電圧を検出する電圧検出手段と、過
電流時に前記電圧検出手段により検出された電圧値が所
定の電圧値を下回ると前記流通率抑制回路の過電流検出
設定値を切替える設定値切替回路とを備え、過電流時に
前記通流率抑制回路を動作させて入力側断続電流の通流
率を抑制するとともに、変圧器の出力側電圧が前記所定
の電圧値以下に低下すると前記設定値切替回路により前
記過電流検出設定値を下げて前記通流率抑制回路による
入力側断続電流の通流率をさらに抑制することを特徴と
する。

〔作用〕

本発明では、変圧器の出力側電流が緩やかに増加する
場合には、変圧器の入力側電流を検出する電流検出手段
からの電流によって通流率抑制回路が入力側断続電流の
通流率抑制動作を開始し、変圧器の出力側電流が変圧器
の入力側断続電流の通流率の抑制によっても絞ることが
できなくなると、変圧器の出力側電圧を検出する電圧検
出手段からの電圧によって設定値切替回路が通流率抑制
回路の過電流検出設定値を下げて入力側断続電流の通流
率抑制が強められることにより、変圧器の出力側電流が
小さく抑えられる。このように本発明においては、変圧
器の出力側電圧が入力側電流の増加とともに減少する特
性に着目してなされたものであり、短絡電流が流れると
電圧検出手段からの電圧により設定値切替回路が直ちに
動作して通流率抑制回路の過電流検出設定値を下げる。
これにより、短絡電流が発生した場合には直ちに入力側
断続電流の通流率抑制動作が開始されて短絡電流を定格
電流値以下の低い値にまで減少される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第１図は本発明の一実施例を示すスィッチングレギュレ
ータの過負荷保護回路の回路図であり、この例ではスィ
ッチングレギュレータは第３図，第４図に示したフライ
バッグ形でかつ他励形であるが、本発明回路はもちろん
これに限らずフォワード形や自励形のスィッチングレギ
ュレータにも同様に適用することができる。なお、第１
図においては、第３図，第４図に示すものと同一のもの
には同一の符号を付している。

第１図においては、入力側回路２には変圧器１の一次
コイルを流れる入力側電流を断続するスィッチングトラ
ンジスタ2aとそのベースを駆動する駆動回路2bが含まれ
ており、これらは第３図および第４図のスィッチング回
路2cに対応するものである。この入力側回路２には、本
発明における電流検出手段10の電流検出抵抗11が挿入さ
れており、それを流れる入力側電流ｉを表す信号を発生
するが、入力側電流ｉが断続電流なので、その平滑回路
12ないしはピークホールド回路を介して脈動のない安定
した直流の電流信号の形で電流検出手段10から出力され
る。

この実施例においても、スィッチングレギュレータは
２個の出力側回路3,4を変圧器１の出力側に備えてお
り、この例では両出力側回路に本発明における電圧検出
手段30が設けられている。この電圧検出手段30は、出力
側回路３について詳しく示されたように、その一対の出
力端子間にフォトカプラ42のフォトダイオード42aと直
列に接続された抵抗31とツェナダイオード32とからな
り、出力電圧Voの値が設定値切替回路40が動作開始する
下限値vm以上のときは、ツェナダイオード32が導通して
フォトダイオード42aが点灯しているが、出力電圧Voが
下限値vmを下回ると、ツェナダイオード32が不導通とな
ってフォトダイオード42aが消灯するようになってい
る。

なお、スィッチングレギュレータの主出力回路である
この出力側回路３については、上述したような形で電圧
検出手段30を設ける必要はなく、その代わりに出力電圧
の実際値ｖを作るための電圧分割回路3dを用いて、その
出力電圧の実際値ｖを設定値切替回路40に与えるように
することもできる。

しかし、スィッチングレギュレータの従出力回路であ
る出力側回路４には、前述した電圧検出手段30と同一構
成の電圧検出手段30を設けるのが望ましく、その出力電
圧値がそれぞれ対する下限値以上が否かを、これらフォ
トダイオードの点滅の形で設定値切替回路40に送らせ
る。なお、この出力側回路４内には前述の３端子レギュ
レータ60および入力側にキャパシタ4dが設けられてい
る。

第１図には、第３図，第４図では簡単に示されていた
制御回路50の内部が示されているので、まずこれから説
明する。主出力回路である出力側回路３からの電圧実際
値ｖは差動増幅回路５に与えられ、その電圧目標値vrと
の差が例えばPID動作をする電圧調整回路６に与えられ
る。この電圧調整回路６の出力は入力側断続電流の基準
通流率を設定する設定回路７により定電圧Vcから作られ
た正の設定電圧と重ね合わされ、ダイオード8aを介して
コンパレータ８の一方の入力に与えられる。

このコンパレータ８は前述の駆動回路2bに通流率を指
定するスィッチング指令を与えるもので、その他方の入
力にはパルス発生回路9aからのパルスに同期して動作す
る三角波発生回路９からその枠内に簡単に示されたよう
な三角波信号を繰り返して受けており、この例では三角
波信号値が一方の入力に受けている電圧値を上回る時間
だけスィッチングトランジスタ2aをオンさせることを指
定するPWM方式のスィッチング指令を出力する。従っ
て、電圧実際値ｖが目標値vrより高くてコンパレータ８
の一方の入力電圧が上がると、駆動回路2bに与えられる
スィッチング指令が指定する通流率が下げられて出力電
圧の減少が指令され、逆に電圧実際値ｖが目標値vrより
も低いときには出力電圧の増加が指令される。

通流率抑制回路20は、その差動増幅回路21の正の出力
電圧をダイオード8bを介してコンパレータ８の一方の入
力に与えることにより、通流率を減少させるものであ
る。差動増幅回路21はその非反転入力に前述の電流検出
回路10からの電流信号値を受け、その反転入力に過電流
検出設定値を受けて常に両値の差を出力するが、電流信
号値の方が過電流検出設定値より高い過電流状態であっ
て、従ってその出力電圧が正の場合にのみ、それがダイ
オード8bを介してコンパレータ８に与えられて通流率が
抑制される。

この通流率抑制動作の開始点を指定する過電流検出設
定値は、定電圧Vcを受ける直列接続の一対の抵抗22,23
からなる電圧分圧回路によって作られる。ただし、この
実施例ではこれらの抵抗22,23の間に設定値切替回路40
のフォトカプラ42のフォトトランジスタ42bに並列接続
された抵抗41が挿入されているが、出力側回路3,4のい
ずれもその出力電圧値が設定値切替回路40の動作を開始
する下限値以上である間は、フォトトランジスタ42bが
オン状態で抵抗41が短絡されているので、過電流検出設
定値は抵抗22,23による分圧比で決められる。

この実施例での設定値切替回路40は、通流率抑制回路
20の上述の過電流検出設定値を下げることにより、通流
率を抑制するように構成されている。出力側回路3,4に
設けられた電圧検出回路30にフォトダイオード42aが直
列接続されたフォトカプラ42のフォトトランジスタ42b
は、抵抗41に例えば図示のように接続されており、いず
れかの出力側回路の出力電圧が前述の下限値を下回る
と、抵抗41が短絡状態から釈放されて過電流検出設定値
が下がる。これによって、通流率抑制回路20の差動増幅
回路21に出力電圧が上がって、通流率がより強力に抑制
されることになる。この設定値切替回路40により通流率
を抑制する程度は、もちろん抵抗22,23および41の抵抗
の比によって適宜に設定することができる。

第２図は以上の本発明による過負荷保護回路によって
得られる保護特性がＡで示されている。入力側回路２に
流れる電流ｉがその定格電流inを越えて通流率抑制回路
20の過電流検出設定値ioに達したとき、通流率抑制回路
20の動作が開始されるが、その際の保護特性が前述の特
性Ｃになり、電圧ｖはかなり急激に立ち下がるが電流ｉ
はまだ若干増加を続ける。

特性線Ｃに沿って電圧ｖが下限値vmにまで下がると、
今度は設定値切替回路40による抑制を最大にきかせたと
きの保護特性がA1で、効果が最小のときの保護特性がA2
でそれぞれ示されており、本発明においては両特性線間
の図にハッチングを施した範囲の特性Ａを例えば前述の
３個の抵抗の抵抗比の設定によって選択することができ
る。

図から分かるように、設定値切替回路40による最小効
果特性A2は短絡電流が過電流検出設定値ioになるように
設定するのが望ましく、最大効果特性A1の場合の短絡電
流は前述の特性線Ｂに対応する低い値まで下げることが
可能で、この場合の通流率は10％まで落とすのが適当で
ある。

なお、出力電圧の下限値vmは普通その定格値vnの10％
程度下回る値に設定するのがよい。

〔発明の効果〕

以上に説明したように本発明によれば、変圧器の入力
側に供給する断続電流の通流率の制御により出力側電圧
が調整されるスィッチングレギュレータを過負荷から保
護するための回路であって、通常時の出力側電圧の変動
に対して入力側断続電流の通流率を制御する制御回路
と、変圧器の入力側電流を検出する電流検出抵抗からな
る電流検出手段と、この電流検出手段により検出された
電流値が過電流検出設定値を上回った過電流時に動作し
て入力側断続電流の通流率を抑制する通流率抑制回路
と、変圧器の出力側電圧を検出する電圧検出手段と、過
電流時に前記電圧検出手段により検出された電圧値が所
定の電圧値を下回ると前記通流率抑制回路の過電流検出
設定値を切替える設定値切替回路とを備え、過電流時に
前記通流率抑制回路を動作させて入力側断続電流の通流
率を抑制するとともに、変圧器の出力側電圧が前記所定
の電圧値以下に低下すると前記設定値切替回路により前
記過電流検出設定値を下げて前記通流率抑制回路による
入力側断続電流の通流率をさらに抑制することにより、
電流検出抵抗による電力損失を電流値の小さな入力側回
路に挿入された電流検出手段内で発生する僅かな値に抑
えるとともに、過負荷状態が発生して出力側電圧が下限
値を下回るまで低下したとき、設定値切替回路によって
入力側電流の通流率を有効に抑制して出力側電流を低下
させることができ、かつ出力側電流の短絡により出力側
電圧が下限値を下回ると設定値切替回路が動作して直ち
に通流率抑制回路の過電流検出設定値を下げて入力側電
流の通流率抑制動作を開始することによって短絡電流を
過電流検出設定値以下に減少させることができるので、
スィッチングレギュレータの効率向上とスィッチングレ
ギュレータの出力側回路部品の定格容量を減少させるこ
とを同時に満たすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による過負荷保護回路を組み込んだスィ
ッチングレギュレータの一例を示す回路図、第２図はそ
の保護特性を従来装置による場合と対比して示す特性線
図、第３図及び第４図はそれぞれ異なる従来の過負荷保
護回路を組み込んだスィッチングレギュレータの回路図
である。 1:変圧器、2:入力側回路、2a:スィッチングトランジス
タ、2b:スィッチングトランジスタ駆動回路、2c:スィッ
チング回路、2d,3c,4c:電流検出抵抗、3:出力側回路な
いしは主出力回路、3a,4a:整流ダイオード、3b,4b,4d:
キャパシタ、3d:電圧分割回路、4:出力側回路ないしは
従出力回路、5:差動増幅回路、6:電圧調整回路、7:設定
回路、8:コンパレータ、8a,8b:ダイオード、9:三角波発
生回路、9a:パルス発生回路、10:電流検出手段、12,21:
平滑回路、20:通流率抑制回路、22,23:過電流検出設定
抵抗、30:電圧検出手段、31,63:抵抗、32,62:ツェナダ
イオード、40:設定値切替回路、41:抑制効果設定抵抗、
42:フォトカプラ、42a:フォトダイオード、42b:フォト
トランジスタ、50:制御回路、60:3端子レギュレータ、6
1:シリーズドロッパトランジスタ、64:トランジスタス
イッチ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変圧器の入力側に供給される断続電流の通
   流率の制御により出力側電圧が調整されるスィッチング
   レギュレータを過負荷から保護するための回路であっ
   て、通常時の出力側電圧の変動に対して入力側断続電流
   の通流率を制御する制御回路と、変圧器の入力側電流を
   検出する電流検出抵抗からなる電流検出手段と、この電
   流検出手段により検出された電流値が過電流検出設定値
   を上回った過電流時に動作して入力側断続電流の通流率
   を抑制する通流率抑制回路と、変圧器の出力側電圧を検
   出する電圧検出手段と、過電流時に前記電圧検出手段に
   より検出された電圧値が所定の電圧値を下回ると前記通
   流率抑制回路の過電流検出設定値を切替える設定値切替
   回路とを備え、過電流時に前記通流率抑制回路を動作さ
   せて入力側断続電流の通流率を抑制するとともに、変圧
   器の出力側電圧が前記所定の電圧値以下に低下すると前
   記設定値切替回路により前記過電流検出設定値を下げて
   前記通流率抑制回路による入力側断続電流の通流率をさ
   らに抑制することを特徴とするスィッチングレギュレー
   タの過負荷保護回路。