JP4256131B2 - 出力短絡保護回路を具えたスイッチング電源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源の回路構成に係るもので、負荷短絡時の回路保護機能を有するとともに、自動的に復帰が可能な自動復帰型スイッチング電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
昇圧型のスイッチング電源として、図３に示した回路が多く用いられている。これは主スイッチング素子Ｑ０のオンオフによってインダクタンス素子Ｌ０に誘起された電圧をダイオードＤ０によって整流し、コンデンサＣ２によって平滑して直流出力を得るものである。このようなスイッチング電源は、シンプルな構成で昇圧機能が得られるため、低コスト化が可能であることからよく用いられている。
【０００３】
しかし、図３に示したようなスイッチング電源は出力短絡保護機能を有していないため、出力端子 V ０が短絡するとコイルＬ０、主スイッチング素子Ｑ０、整流ダイオードＤ０等が破損してしまうという問題が生じる。すなわち、ほぼ抵抗の存在しない状態で入力端子ＶＩＮ→コイルＬ０、整流ダイオードＤ０、出力端子Ｖ０→ＧＮＤ端子の順で流れ、コイル素子Ｌ０や整流ダイオード素子Ｄ０などを損焼させてしまう可能性があった。
【０００４】
また、昇圧型の他励式スイッチング電源として、図４に示した回路が多く用いられている。これは主スイッチング素子Ｑ０のオンオフによってインダクタンス素子Ｌ０に誘起された電圧をダイオードＤ０によって整流し、コンデンサＣ２によって平滑して直流出力を得るものである。
【０００５】
図４のＰＷＭコントローラは、入力電圧や負荷の変動があっても出力電圧を所定の値の保つようにスイッチングのパルス幅を制御する主たる機能を有している。また、何かの理由によって出力がＧＮＤに短絡した場合、スイッチング電源を損焼から守るために保護機能を有しているのが一般的である。
【０００６】
しかし、その保護機能の動作は、ＰＷＭコントローラのパルス出力信号を１００％オフデユーテイとすることによって、主スイッチング素子Ｑ０のオンオフ動作を１００％デユーテイでオフさせる方法を用いている。しかし、図４に示したような入出力端子間が絶縁されていない回路構成ではＰＷＭコントローラが１００％オフデユーテイの信号を出力させても、入力端子ＶＩＮから出力端子Ｖ０のＧＮＤ端子は短絡されたままとなる。
【０００７】
すなわち、ほぼ抵抗の存在しない状態で入力端子ＶＩＮ→コイル素子Ｌ０→整流ダイオードＤ０→出力端子Ｖ０→ＧＮＤ端子の順で流れ、コイル素子Ｌ０や整流ダイオード素子Ｄ０などを損焼させてしまう可能性があり、保護機能としては十分ではなかった。
【０００８】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は、負荷短絡時の入出力端子間の電流を切断する機能を付加することによって、負荷短絡時の回路素子の損焼を防止したスイッチング電源を提供するものである。また、負荷短絡状態が解除されれば、正常な動作に復帰可能なスイッチング電源を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、整流、平滑回路の出力端側に直流スイッチ機能を付加し、負荷短絡時にこの直流スイッチ機能を作動させて入出力端間を遮断し、短絡状態が解除されると、遮断されていた状態を導通状態に戻すことによって、上記の課題を解決するものである。
【００１０】
すなわち、主スイッチング素子のオンオフによってインダクタンス素子に蓄積されたエネルギを整流、平滑して直流出力を得るスイッチング電源において、スイッチング電源の入力側あるいは整流、平滑回路の出力端と負荷に接続される出力端子との間に直流スイッチ素子を具え、整流、平滑回路の出力端と当該直流スイッチ素子の動作を制御するスイッチング素子の制御端子とを接続して正バイアスする第２のダイオードと、負荷短絡時に動作する第３のダイオードを具え、第２のダイオードと第３のダイオードによりスイッチング素子を介して当該直流スイッチ素子をオンオフさせることに特徴を有するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明による出力短絡保護回路を具えたスイッチング電源の基本的な動作は以下の通りである。
正常動作状態においては、整流、平滑回路の出力電流の一部のわずかな電流は直流スイッチ素子をオンさせるようなバイアス状態を発生させるために用いられる。
逆に、負荷短絡状態になると、正常作動状態において直流スイッチ素子をオンさせるようなバイアス状態を発生させるために用いられた整流、平滑回路からの電流は直流スイッチ素子をオフするバイアス状態を発生させる電流経路に変えられる。
【００１２】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の実施例を示す回路図である。
入力端子ＶＩＮから直列の抵抗Ｒ５、Ｒ６への接続点までは図３に示した従来の回路と同じである。インダクタンス素子Ｌ０に直列に主スイッチング素子Ｑ０を接続し、抵抗Ｒを介して入力端子ＶＩＮに接続した補助トランジスタＱと交互にオンさせて発振動作を得ている。
【００１３】
本発明によるスイッチング電源においては、整流、平滑回路の出力端Ｖ０’と出力端子Ｖ０との間に検出抵抗Ｒｓと直流スイッチ素子としてＰＮＰトランジスタＱ１が接続されている。
入力端子ＶＩＮとトランジスタＱ２のベース間が抵抗Ｒ１と第２のダイオードＤ２を介して接続され、トランジスタＱ２のエミッタは接地され、同コレクタは抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ１のベースと接続されている。また、入力端子ＶＩＮと出力端子Ｖ０は抵抗Ｒ１と第３のダイオードＤ３を介して接続されている。抵抗ＲｓとトランジスタＱ１のエミッタ間の接続点がトランジスタＱ３のベースに接続され、トランジスタＱ３のエミッタは抵抗Ｒｓの入力側（ V0 ’）に、コレクタはトランジスタＱ１のベースに接続されている。
【００１４】
次にこの回路の動作について説明する。
【００１５】
（１）初期状態において負荷は正常であり、スイッチング電源も正常に動作したが、その後に何らかの理由で負荷が短絡した場合の動作
入力端子ＶＩＮに入力電圧が投入され、従来のスイッチング電源部（図３参照）が動作を開始すると、従来の出力端子にあたる出力端Ｖ０’には所定の出力電圧が出力される。一方、入力端子ＶＩＮに入力電圧の印加によってトランジスタＱ２のベースには抵抗Ｒ１、第２のダイオードＤ２を介して正バイアス電流が流入するためトランジスタＱ２はオンする。
【００１６】
トランジスタＱ２のオンによって、トランジスタＱ１のベース電流路が開通するため、トランジスタＱ１もオンとなり、負荷側出力端子Ｖ０には従来の出力端子にあたる出力端Ｖ０’とほぼ等しい所定の出力電圧が出力され、負荷に電力が供給される。
【００１７】
その後、何らかの理由で負荷側出力端子Ｖ０が短絡されると、抵抗Ｒ１、第２のダイオードＤ２を介してトランジスタＱ２のベースに流入していた電流は第２のダイオードＤ２には向わず、第３のダイオードＤ３を介して短絡路へ流入するようになる。そのため、トランジスタＱ２はオフし、トランジスタＱ１のベース電流路も断たれるため、トランジスタＱ１はオフする。これによって、存在していた入力端Ｖ０’（出力端）から出力端子Ｖ０への電流経路は遮断されるため、スイッチング電源を構成する素子の損焼は防止される。
【００１８】
（２）初期状態から出力端子が短絡されている場合の動作
入力端子ＶＩＮに入力電圧が投入されると、図３に示した従来のスイッチング電源部は正常に起動し、従来の出力端子にあたる出力端Ｖ０’には所定の出力電圧が出力される。しかし、抵抗Ｒ１を通過した電流はやはり、第３のダイオードＤ３を介して短絡路に流れ込み、第２のダイオードＤ２には流れ込まない。そのため、上記と同様にトランジスタＱ２はオンせず、トランジスタＱ１もオンしないので、出力電圧はトランジスタＱ１によって遮断される。これによって、スイッチング電源が保護される。
【００１９】
動作中に短絡状態が解除されると、抵抗Ｒ１を経た電流は第３のダイオードＤ３ではなく第２のダイオードＤ２へ流れて（１）の当初と同じ動作を開始し、トランジスタＱ１がオンされて所定の出力電圧が得られる。これによって、スイッチング電源は自動的に復帰することになる。
【００２０】
定電流電源を構成する抵抗Ｒｓ、トランジスタＱ３は仕様によっては省くことができるし、抵抗Ｒ１の一端を入力端子ＶＩＮではなく従来の出力端子にあたる出力端Ｖ０’に接続してもよい。また、上記の例は自励式のスイッチング電源を示したが、他励式のスイッチング電源にも適用できる。さらに、トランジスタＱ１のＩ_ＣＥＯ低減用抵抗Ｒ４も仕様によっては削除してもよい。
【００２１】
図２は本発明の他の実施例を示す回路図である。入力端子側から直列の抵抗Ｒ５、Ｒ６への接続点までは図４に示した従来の回路と同じである。
【００２２】
本発明によるスイッチング電源においては、整流、平滑回路の出力端Ｖ０’と出力端子Ｖ０との間に直流スイッチ素子としてＰＮＰトランジスタＱ１が接続されている。トランジスタＱ１のエミッタ側とトランジスタＱ２のベース間が抵抗Ｒ２と第２のダイオードＤ２を介して接続され、トランジスタＱ２のエミッタは入力端子ＶＩＮに、同コレクタは抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ１のベースと接続されている。
【００２３】
次にこの回路の動作について説明する。
（１）負荷が正常な時の動作
トランジスタＱ０がオンオフ動作すると、コンデンサＣ２の両端には抵抗Ｒ５、Ｒ６で設定された所定の直流電圧が現れる。すると、抵抗Ｒ２、第２のダイオードＤ２を介してトランジスタＱ２のベース・エミッタ間に正バイアス電流が流れ、トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間はオンする。トランジスタＱ２がオンすると、トランジスタＱ１のベース電流路が開通するため、トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間もオンし、出力端子Ｖ０には所定の出力電圧が出力される。
【００２４】
（２）正常負荷状態で動作後、出力端子が短絡された場合の動作
上記の正常な動作では、抵抗Ｒ２→第２のダイオードＤ２と電流が流れ、トランジスタＱ２がオンしているが、出力端子Ｖ０が何らかの理由で短絡されると、抵抗Ｒ２を通過した電流は第２のダイオードＤ２には向わず、第３のダイオードＤ３を介してＧＮＤへ流入するようになる。そのため、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間は入力電圧ＶＩＮによって逆バイアスされ、トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間はオフし、トランジスタＱ１のベース電流路も断たれるため、トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間はオフする。これによって、存在していた入力端Ｖ０’（出力端）から出力端子Ｖ０の電流経路は遮断されるため、スイッチング電源を構成する素子の損焼は防止される。
【００２５】
（３）出力端子Ｖ０が短絡されたまま入力電圧ＶＩＮが投入された場合の動作
ＰＷＭコントローラからのパルス信号を受けてトランジスタＱ０はスイッチング動作を開始し、コンデンサＣ２には所定の出力電圧が現れるが、抵抗Ｒ２を通過した電流はやはり、第３のダイオードＤ３→ＧＮＤと流れ込むため、（２）と同様に出力電圧はトランジスタＱ１によって遮断される。
【００２６】
動作中に短絡状態が解除されると、抵抗Ｒ２を経た電流は第３のダイオードＤ３ではなく第２のダイオードＤ２へ流れて（１）と同じ動作を開始し、トランジスタＱ１がオンされて所定の出力電圧が得られる。
【００２７】
なお、上記の例は他励式のスイッチング電源を示したが、自励式のスイッチング電源にも適用できる。また、インダクタンス素子は、単巻コイルでなく、トランスに代えてもよい。更に、入力の仕様によって上記例の第２のダイオードＤ２が不要となる。なお、第２のダイオードＤ２の挿入位置をトランジスタＱ２のエミッタ・ＧＮＤ間としてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷短絡時の入出力端子間の電流を切断する機能を付加することによって、負荷短絡時の回路素子の損焼を防止することができる。また、負荷短絡状態が解除されれば、正常な動作に自動的に復帰可能で、電源の切断や再投入などが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す回路図
【図２】本発明の他の実施例を示す回路図
【図３】従来のスイッチング電源を示す回路図
【図４】従来のスイッチング電源を示す回路図
【符号の説明】
Ｑ０：主スイッチング素子（トランジスタ）
Ｄ０：整流ダイオード
Ｌ０：インダクタンス素子
Ｃ２：平滑コンデンサ
Ｑ１：トランジスタ（直流スイッチ素子）
Ｑ２〜Ｑ３：トランジスタ
Ｄ２：第２のダイオード
Ｄ３：第３のダイオード
Ｒ１〜Ｒ６：抵抗

Claims (2)

1. 主スイッチング素子のオンオフによってインダクタンス素子に蓄積されたエネルギを整流、平滑して直流出力を得るスイッチング電源において、
   整流、平滑回路の出力端と負荷に接続される出力端子との間に直流スイッチ素子を具え、該スイッチング電源の入力側あるいは整流、平滑回路の出力端と該直流スイッチ素子の動作を制御するスイッチング素子の制御端子とを接続して正バイアスする第２のダイオードと、負荷短絡時に動作する第３のダイオードを具え、該第２のダイオードと該第３のダイオードにより該スイッチング素子を介して該直流スイッチ素子をオンオフさせ、
   平常時は該第２のダイオードによって該スイッチング素子を正バイアスして該直流スイッチ素子をオンさせ、負荷短絡時は該第３のダイオードによって該スイッチング素子を介して該直流スイッチ素子をオフさせる、ことを特徴とする出力短絡保護回路を具えたスイッチング電源。
2. 負荷短絡状態が解除されると前記直流スイッチ素子がオンされて平常動作に復帰する請求項１記載の出力短絡保護回路を具えたスイッチング電源。

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