JP3801184B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Description

異常時の安全性を向上させるための異常伝達機能を備えた力率改善回路とDC/DCコンバータ等の負荷回路とを有するスイッチング電源装置に関する。
図8に従来のスイッチング電源装置の回路構成図を示す。図8に示すスイッチング電源装置は、力率改善回路とこの力率改善回路に接続されるDC−DCコンバータ等の負荷回路10とを有して構成されている。力率改善回路は、交流電源1の交流電源電圧を全波整流回路2で整流した整流電圧をリアクトル3とスイッチング素子Q1と電流検出抵抗5との直列回路に入力して制御回路20aによりスイッチング素子Q1をオン/オフして交流電源1の力率を改善するとともに、ダイオード6及び平滑コンデンサ9により直流の出力電圧を得る。力率改善回路には、平均電流モード方式やピーク電流モード方式があるが、ここでは、例えば、平均電流モード方式を用いた場合について説明する。
スイッチング素子Q1の両端(ドレイン−ソース間)にはダイオード4が接続されている。スイッチング素子Q1の両端には、ダイオード6と平滑コンデンサ9との直列回路が接続され、平滑コンデンサ9の両端には、負荷回路10が接続されるとともに、抵抗7と抵抗8との直列回路が接続されている。
制御回路20aは、集積回路(IC)からなり、制御手段21、出力電圧検出手段22、過電圧検出手段23、ラッチ回路24を有している。制御手段21は、スイッチング素子Q1をオン/オフ制御して交流電源1の力率を改善するもので、例えば、乗算器211、電流検出手段212、パルス幅変調器213を有して構成される。電流検出抵抗5は、リアクトル3に流れる電流を検出する。
出力電圧検出手段22は、抵抗7と抵抗8とで分圧された電圧検出端子aの電圧を入力し、電圧検出端子aの電圧と基準電圧との誤差を増幅し、誤差電圧を生成して乗算器211に出力する。乗算器211は、出力電圧検出手段22からの誤差電圧と全波整流回路2からの全波整流電圧とを乗算して乗算出力電圧を電流検出手段212に出力する。
電流検出手段212は、電流検出抵抗5で検出した入力電流に比例した電圧と乗算器211からの乗算出力電圧との誤差を増幅し、誤差電圧を生成してこの誤差電圧を比較入力信号としてパルス幅変調器213に出力する。
パルス幅変調器213は、三角波信号と電流検出手段212からの比較入力信号とを入力し、比較入力信号の値が三角波信号の値以上のときに例えばオンで、比較入力信号の値が三角波信号の値未満のときに例えばオフとなるパルス信号を生成し、該パルス信号をスイッチング素子Q1のゲートに印加する。
即ち、交流電源1の入力電圧(交流電圧)を全波整流回路2で整流した全波整流電圧は、半サイクル毎に正弦波の形をしている。乗算器211は、全波整流回路2からの半サイクル正弦波電圧を入力し、また、出力電圧検出手段22からの電圧を入力し、この2つの電圧を乗算して正弦波の大きさを変えて出力する。電流検出手段212は、全波整流回路2からの半サイクル正弦波電圧と入力電流によって発生した電流検出抵抗5に比例した電圧とを比較して、入力電流が半サイクルの正弦波になるように制御している。このため、電流検出抵抗5に流れる入力電流を半サイクル毎に交流電源1の入力電圧と相似形の正弦波にすることができるので、力率を改善できる。
また、制御回路20aは、抵抗7と抵抗8で分圧された電圧を電圧検出端子aで検出し、検出された電圧に基づき出力電圧が一定になるようにスイッチング素子Q1のオン/オフを制御する。これにより、負荷回路10には安定した直流電圧が供給される。
次に、このように構成された図8に示すスイッング電源装置の動作を説明する。まず、スイッチング素子Q1がオンすると、全波整流回路2→リアクトル3→スイッチング素子Q1→電流検出抵抗5→全波整流回路2に電流が流れ、リアクトル3にエネルギーが蓄えられる。この電流は、時間の経過とともに直線的に増大していく。
次に、スイッチング素子Q1は、オン状態からオフ状態に変わるとき、リアクトル3に誘起された電圧によりスイッチング素子Q1の電圧が上昇する。また、スイッチング素子Q1がオフとなるため、スイッチング素子Q1に流れる電流は零になる。また、リアクトル3→ダイオード6→平滑コンデンサ9に電流が流れて、負荷回路10に直流電圧が供給される。
ここで、何らかの原因で力率改善回路に異常が発生し、この異常により出力電圧が上昇した場合には、抵抗7と抵抗8で分圧した電圧、即ち電圧検出端子aの電圧が上昇する。過電圧検出手段23は、抵抗7と抵抗8で分圧した電圧を検知して該電圧が上昇したことを検知する。制御手段21は、過電圧検出手段23からの過電圧検出信号によりスイッチング素子Q1を停止させ、同時にラッチ回路24を動作させて、ラッチ回路24がラッチ信号によりスイッチング素子Q1の停止状態を保持する。
また、異常過熱時にも、過熱検出手段(図示しない)が異常過熱を検知し、制御手段21へ過熱検出信号を送り、制御手段21がスイッチング素子Q1を停止させ、同時にラッチ回路24を動作させて、ラッチ回路24がラッチ信号によりスイッチング素子Q1の停止状態を保持する。
また、図8に示すように、力率改善回路は、通常、昇圧チョッパ回路で構成されるため、スイッチング素子Q1が停止状態になると、昇圧動作は行われないが、交流電源1の交流電圧を全波整流回路2と平滑コンデンサ9で整流平滑された直流電圧は負荷回路10に供給される。
また、従来の技術に関連した技術として特許文献1が知られている。この特許文献1に記載されたスイッチング電源制御用半導体装置は、スイッチング素子のスイッチング動作を制御するための帰還信号が得られず、制御端子からの電流流出がなくなった場合に、スイッチング動作を停止させてこの停止状態を保持させ、スイッチング電源装置の破壊を防止するものである。
この装置は、具体的には、図9に示すように、制御端子126への帰還信号が切断され、制御端子126からの電流流出がなくなると、制御端子126の電圧を所定の電圧値まで上昇させて過電圧保護回路108を動作させ、過電圧保護回路108を用いて、スイッチング動作を停止させてこの停止状態を保持させる制御端子オープン時保護回路110を設けている。
特開2003−264979号公報
しかしながら、図8に示す力率改善回路は、ラッチ回路24により保護機能が働き、スイッチング素子Q1が停止した状態でも、前述のように入力電圧によって決まる電圧が負荷回路10に供給される。一般的によく使用される例として、交流入力電圧がAC85VからAC264Vで力率改善回路の出力電圧を380Vで動作させる場合を考えると、力率改善回路が正常に動作している時は平滑コンデンサ9はDC380Vになる。一方、力率改善回路が停止すると、平滑コンデンサ9は、交流入力AC100Vの場合はDC140V程度、交流入力200VではDC280Vになる。
また、力率改善回路の後段に接続される負荷回路10は、DC140Vでは動作しないが、DC280Vでは動作することは十分考えられる。このように、入力電圧によっては、負荷回路10が停止せず動作を継続することがある。
即ち、スイッチング電源装置に何らかの異常が発生しているにも関わらず、スイッチング電源装置は、動作を継続するので、非常に危険な状態になることがある。また、このように入力電圧が高い場合には、力率改善回路の動作・停止による平滑コンデンサ9の電圧が大きく変わらないため、力率改善が正常に機能していることを確認することが難しくなる。
一方、特許文献1のスイッチング電源制御用半導体装置にあっては、制御端子への帰還信号が切断された場合に、電圧を上昇させて過電圧保護回路を動作させ、過電圧保護回路を用いて、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させて停止状態を保持させている。この特許文献1の内容は、図8に示す力率改善回路に異常が発生した場合に、過電圧検出手段23が電圧上昇を検知し、制御手段21がスイッチング素子Q1を停止させ、ラッチ回路24がスイッチング素子Q1の停止状態を保持することに対応している。このため、特許文献1の技術にあっては、力率改善回路を停止し停止状態を保持できても、図8に示すスイッチング電源装置の負荷回路の動作を停止することはできないという課題を有していた。
本発明は、力率改善回路に異常が発生して停止した場合に異常信号を負荷回路に出力できる力率改善回路からの異常信号を受けて負荷回路を停止させることにより安全性を向上できるスイッチング電源装置とを提供することにある。
請求項の発明は、交流電源の交流電源電圧を整流回路で整流した整流電圧をリアクトルとスイッチング素子との直列回路に入力して前記スイッチング素子によりオン/オフして前記交流電源の力率を改善するとともに、直流の出力電圧を得る力率改善回路と、この力率改善回路に接続される負荷回路とを有するスイッチング電源装置であって、前記力率改善回路は、電圧検出端子から前記出力電圧を入力し該出力電圧に基づき前記スイッチング素子をオン/オフさせる制御手段と、力率改善回路内に異常が発生した場合に該異常を検知して前記スイッチング素子を停止させこの停止状態を保持して保持信号を出力する検知保持手段と、この検知保持手段からの保持信号に基づき前記電圧検出端子に所定の電圧以上の電圧を異常動作信号として出力する異常動作信号出力手段と、この異常動作信号出力手段からの前記異常動作信号に基づき前記電圧検出端子が前記所定の電圧以上の電圧になったことを検出して異常信号を出力する異常信号検知手段とを有し、前記負荷回路は、前記力率改善回路内の前記異常信号検知手段からの前記異常信号に基づき停止することを特徴とする。
請求項の発明によれば、検知保持手段は、力率改善回路内に異常が発生した場合にスイッチング素子を停止させこの停止状態を保持し、異常動作信号出力手段は、保持信号に基づき電圧検出端子に所定の電圧以上の電圧を異常動作信号として出力するので、力率改善回路が異常である旨を負荷回路に知らせることができる。また、負荷回路は、力率改善回路内の異常信号検知手段からの異常信号に基づき停止するので、安全性を向上できるスイッチング電源装置を提供できる。
以下、本発明に係るスイッチング電源装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図1は実施例1のスイッチング電源装置を示す回路構成図である。実施例1のスイッチング電源装置は、図8に示す従来のスイッチング電源装置に対して、更に、異常動作信号出力手段30、異常信号検知手段40を追加したことを特徴とする。
なお、その他の構成は、図8に示す従来のスイッチング電源装置の構成と同一であるので、同一部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
ラッチ回路24は、スイッチング素子Q1の停止状態を保持するとともに、ラッチ信号を異常動作信号出力手段30に出力する。異常動作信号出力手段30は、集積回路(IC)からなる制御回路20内に設けられ、ラッチ回路24からのラッチ信号に基づき電圧検出端子aに所定の電圧以上の電圧を異常動作信号として出力する。
異常信号検知手段40は、異常動作信号出力手段30からの異常動作信号に基づき電圧検出端子aが所定の電圧以上の電圧になったことを検出して異常信号を負荷回路10に出力して、力率改善回路が異常である旨を負荷回路10に知らせる。負荷回路10は、異常信号検知手段40からの異常信号に基づき停止する。
次に、このように構成された実施例1のスイッチング電源装置の動作を説明する。ここでは、力率改善回路の異常状態の発生とラッチ動作までは図8に示す従来例と同様であるので、そこまでの説明は省略する。
まず、異常によりラッチ回路24が動作してスイッチング素子Q1の停止状態を保持するとともにラッチ信号を異常動作信号出力手段30に出力する。異常動作信号出力手段30は、ラッチ信号を受けて電圧検出端子aの電位を所定の電圧以上に上昇させ、この電圧を保持する。
異常動作信号出力手段30は、具体的には図2乃至図4に示す回路構成からなる。図2に示す異常動作信号出力手段30aは、電圧源Vccがトランジスタ等のスイッチ31を介して電圧検出端子aに接続されたものである。力率改善回路が異常状態になると、ラッチ回路24からのラッチ信号を受けてスイッチ31がオンし、電圧源Vccから電圧検出端子aに電圧を印加し、電圧検出端子aを上昇させる。電圧源Vccは、制御回路20を駆動させるための電源電圧又はエラーアンプ221を有する出力電圧検出手段22で使用する基準電圧Ref1を生成するための元になる基準電圧等、制御回路20内部で使用される基準電圧を使用することができる。
図3に示す異常動作信号出力手段30bは、電圧源Vccが電流制限抵抗32とスイッチ31とを介して電圧検出端子aに接続されたものである。力率改善回路が異常状態になると、ラッチ回路24からのラッチ信号を受けてスイッチ31がオンし、電圧源Vccから電圧検出端子aへの電圧印加を電流制限抵抗32を介して行い、電圧検出端子aを上昇させる。
図4に示す異常動作信号出力手段30cは、電圧源Vccが定電流源33とスイッチ31とを介して電圧検出端子aに接続されたものである。力率改善回路が異常状態になると、ラッチ回路24からのラッチ信号を受けてスイッチ31がオンし、電圧源Vccから電圧検出端子aへの電圧印加を定電流源33を介して行い、電圧検出端子aを上昇させる。
なお、力率改善回路が異常になり上昇させるべき電圧検出端子aの電圧は、異常信号検知手段40が通常時と異なることが検知できる程度以上の電圧であればよい。異常信号検知手段40の回路構成によって決まる識別能力を満たせばよいので、特に通常動作状態に対して何ボルト以上とか、過電圧検出値まで又は過電圧検出値以上にするなどの制限はない。
これら図2乃至図4の構成により、力率改善回路が異常状態になり、ラッチ回路24からラッチ信号が出力されると、異常動作信号出力手段30により電圧検知端子aの電位を上昇させる。
次に、異常信号検知手段40は、電圧検知端子aの電位が所定の電圧以上になったことを検知して異常信号を負荷回路10に出力し、力率改善回路の異常を負荷回路10に知らせる。
図5及び図6に異常信号検知手段40の構成例を示す。図5に示す異常信号検知手段40は、電圧検出端子aとアース間に、ツェナーダイオード41と抵抗42と抵抗43との直列回路が接続され、抵抗42と抵抗43との接続点にはトランジスタ44のベースが接続され、トランジスタ44のコレクタは、端子bを介して負荷回路10に接続され、トランジスタ44のエミッタは、アースされている。
図5に示す構成によれば、力率改善回路が異常状態になり、電圧検出端子aの電圧が上昇して該電圧がツェナーダイオード41の降伏電圧を超えると、ツェナーダイオード41が降伏する。すると、電圧検出端子a→ツェナーダイオード41→抵抗42→抵抗43→アースの経路で電流が流れる。このため、トランジスタ44がオンし、トランジスタ44のコレクタが略ゼロ電圧(Lレベル)になる。このLレベルによる異常信号により負荷回路10へ力率改善回路の異常状態を知らせる。負荷回路10は、異常信号を受けて動作を停止する。
また、図6に示す異常信号検知手段40は、電圧検出端子aに比較器45の非反転端子が接続され、比較器45の反転端子に基準電圧Ref2が接続され、比較器45の出力からダイオードDを介して出力端子bが負荷回路10に接続されている。基準電圧Ref2は、通常の状態では電圧検出端子aの電圧より高く設定し、異常により電圧検出端子aの電圧が上昇した場合の電圧より低く設定しておく。
図6に示す構成によれば、通常の状態では、基準電圧Ref2が電圧検出端子aの電圧より高いので、比較器45の出力は例えばHレベルとなる。一方、力率改善回路が異常状態になり、電圧検出端子aが上昇して基準電圧Ref2よりも高くなると、比較器45の出力が反転してLレベルとなり、このLレベルによる異常信号により負荷回路10へ力率改善回路の異常状態を知らせる。
負荷回路10は、異常信号検知手段40により出力電圧検出端子を監視し、力率改善回路の異常により端子電圧が上昇又は減少により変化した場合には、安全に動作を停止する。負荷回路10として例えばDC/DCコンバータを使用した場合、力率改善回路に異常が発生して停止しても、交流電源1により全波整流回路2、ダイオード6を介して平滑コンデンサ9に直流電圧が現れる。この直流電圧によりDC/DCコンバータは、動作を継続可能であるが、異常動作検知手段40からの異常信号により動作を停止する。
図8に示す従来例では、異常動作信号出力手段30及び異常信号検知手段40がない場合には、力率改善回路が停止すると、通常、平滑コンデンサ9に現れる電圧は低下するので、DC/DCコンバータは、低い電圧で動作し、大きな電流を流す。この状態では効率の悪化なども発生し、部品の発熱等による部品ストレスが増大し、最悪破損に至るなどが考えられる。
一方、異常動作信号出力手段30及び異常信号検知手段40を設けた実施例1では、力率改善回路が停止すると、DC/DCコンバータも停止させることができるため、安全性を向上できるスイッチング電源装置を簡単に構成できる。
また、力率改善回路が異常状態になり、電圧検出端子aの電位が上昇した場合、ラッチ回路24によりこの状態を保持するため、異常動作検知手段30の信号状態を保持する。異常動作検知手段30の異常動作検知信号を受けて負荷回路側が停止すると、負荷回路10では停止状態を保持する必要はない。
また、制御回路20からなるコントロールICに異常動作信号出力手段30を搭載し、異常動作信号出力手段30の異常動作信号は出力電圧検出手段22のための電圧検出端子aに出力されるため、電圧検出端子aを共用できる。即ち、信号用の端子を別途設ける必要がないことから、パッケージを変更する必要はなく、コントロールICへの機能追加が容易になる。
なお、コントロールICからなる制御回路20のポートは、例えば電圧源Vccに接続されるポートP1、アースに接続されるポートP2、電圧検出端子aに接続されるポートP3、全波整流回路の出力に接続されるポートP4、電流制限抵抗5に接続されるポートP5とを有し、ポートP3を共用できるので、ポート数を増加する必要がなく、簡単にIC化できる。
(DC/DCコンバータの回路構成例)
図7は実施例1のスイッチング電源装置に設けられた負荷回路の具体例であるDC/DCコンバータの回路構成図である。図7において、平滑コンデンサ9には、トランスTの一次巻線P1とMOSFET等からなるスイッチング素子Q3と抵抗60との直列回路が接続されている。トランスTの一次巻線P1の両端には、ダイオード63と抵抗61との直列回路が接続され、抵抗61には並列にコンデンサ62が接続されている。
また、トランスTの二次巻線P2にはダイオード64及び平滑コンデンサ65からなる整流平滑回路が接続されている。この整流平滑回路は、トランスTに誘起された電圧を整流平滑して直流電圧を負荷67に出力する。平滑コンデンサ65の両端には、フォトカプラPC1のフォトダイオードとツェナーダイオード66との直列回路が接続されている。負荷67の出力電圧がツェナーダイオード66の降伏電圧(基準電圧)以上になったときにフォトカプラPC1のフォトダイオードがオンして、IC70に接続されたフォトカプラPC1のフォトトランジスタに電流を流して、スイッチング素子Q3に印加されるパルスのオン幅を狭くすることで、出力電圧を一定電圧に制御する。
IC70には電圧源Vccが印加され、IC70は、スイッチング素子Q3のゲートに制御信号を出力することによりスイッチング素子Q3をオン/オフして出力電圧を一定電圧に制御する。
また、電圧源Vccとアース間にはコンデンサ51が接続されるとともに、抵抗52と抵抗53とトランジスタ44との直列回路が接続されている。トランジスタ44、電圧検出端子a、ツェナーダイオード41、抵抗42、抵抗43は、図5に示す異常信号検知手段40を構成している。
また、電圧源Vccとアース間にはトランジスタQ2と抵抗54と抵抗55との直列回路が接続され、トランジスタQ2のベースは抵抗52と抵抗53との接続点に接続されている。抵抗54と抵抗55との接続点はIC70のSS端子に接続され、抵抗55に並列にコンデンサ56が接続されている。
以上のように構成されたDC−DCコンバータにおいて、電圧源Vccからの電圧によりIC70が動作すると、IC70からの制御信号によりスイッチング素子Q3がオンし、平滑コンデンサ9からトランスTの一次巻線P1を介してスイッチング素子Q3に電流が流れる。この電流は時間の経過とともに直線的に増大していく。
次に、スイッチング素子Q3がオン状態からオフ状態に変わる。このとき、トランスTの一次巻線P1に誘起された励磁エネルギーの内、リーケージインダクタンスの励磁エネルギーは、ダイオード63を介してコンデンサ62に蓄えられる。このため、トランスTの一次巻線P1のリーケージインダクタンスとコンデンサ62とにより電圧共振が形成されて、スイッチング素子Q3の電圧が上昇する。
なお、コンデンサ62の値と抵抗61との値を調整することによりスイッチング素子Q3のターンオフ時のリンギング波形を小さくすることができる。また、一次巻線P1と二次巻線P2とが逆相になっているので、スイッチング素子Q3がオフ時には、ダイオード64に電流が流れて、負荷67に直流電圧が供給される。
ここで、力率改善回路に異常が発生すると、異常信号検知手段40が異常信号をDC−DCコンバータに出力する。即ち、電圧検出端子aに所定の電圧以上の電圧が印加されると、トランジスタ44がオンする。このとき、電圧源Vcc→抵抗52→抵抗53→トランジスタ44→アースの経路で電流が流れる。すると、トランジスタQ2がオンし、電圧源Vcc→トランジスタQ2→抵抗54→抵抗55→アースの経路で電流が流れるとともに、コンデンサ56が充電される。コンデンサ56の電圧が上昇すると、IC70では、動作を停止し、ラッチ状態となる。このとき、IC70は、制御信号をスイッチング素子Q3に出力しないため、スイッチング素子Q3のオン/オフ動作が停止される。
本発明は、DC−DCコンバータ、AC−DCコンバータ等のスイッチング電源装置に適用可能である。
実施例1のスイッチング電源装置を示す回路構成図である。 実施例1のスイッチング電源装置に設けられた異常動作信号出力手段の構成例1を示す図である。 実施例1のスイッチング電源装置に設けられた異常動作信号出力手段の構成例2を示す図である。 実施例1のスイッチング電源装置に設けられた異常動作信号出力手段の構成例3を示す図である。 実施例1のスイッチング電源装置に設けられた異常信号検知手段の構成例1を示す図である。 実施例1のスイッチング電源装置に設けられた異常信号検知手段の構成例2を示す図である。 実施例1のスイッチング電源装置に設けられた負荷回路の具体例であるDC/DCコンバータの回路構成図である。 従来のスイッチング電源装置の従来例1を示す回路構成図である。 従来のスイッチング電源装置の従来例2を示す回路構成図である。
符号の説明
1 交流電源
2 全波整流回路
3 リアクトル
Q1 スイッチング素子
4,6 ダイオード
5 電流検出抵抗
7,8 抵抗
9 平滑コンデンサ
10 負荷回路
20 制御回路
21 制御手段
22 出力電圧検出手段
23 過電圧検出手段
24 ラッチ回路
30 異常動作信号出力手段
40 異常信号検知手段
211 乗算器
212 電流検出手段
213 パルス幅変調器
a 電圧検出端子
Q1,Q3 スイッチング素子
Q2 トランジスタ

Claims (1)

  1. 交流電源の交流電源電圧を整流回路で整流した整流電圧をリアクトルとスイッチング素子との直列回路に入力して前記スイッチング素子によりオン/オフして前記交流電源の力率を改善するとともに、直流の出力電圧を得る力率改善回路と、この力率改善回路に接続される負荷回路とを有するスイッチング電源装置であって、
    前記力率改善回路は、
    電圧検出端子から前記出力電圧を入力し該出力電圧に基づき前記スイッチング素子をオン/オフさせる制御手段と、
    力率改善回路内に異常が発生した場合に該異常を検知して前記スイッチング素子を停止させこの停止状態を保持して保持信号を出力する検知保持手段と、
    この検知保持手段からの保持信号に基づき前記電圧検出端子に所定の電圧以上の電圧を異常動作信号として出力する異常動作信号出力手段と、
    この異常動作信号出力手段からの前記異常動作信号に基づき前記電圧検出端子が前記所定の電圧以上の電圧になったことを検出して異常信号を出力する異常信号検知手段と、
    を有し、
    前記負荷回路は、前記力率改善回路内の前記異常信号検知手段からの前記異常信号に基づき停止することを特徴とするスイッチング電源装置。
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