JP4802894B2 - 保護回路及びｕｓｂ機器 - Google Patents

Description

本発明は、保護回路及びＵＳＢ機器に係り、特に、ＵＳＢポートから供給される電源から内部回路に電源を供給する保護回路及びＵＳＢ機器に関する。

近年、ディジタル機器の発達にともない、コンピュータと接続して使用される機器が増加している。コンピュータとの接続を行うためのインタフェースとしてはＵＳＢインタフェースが普及している。ＵＳＢインタフェースの普及に伴って、ＵＳＢ機器が増加している。

ＵＳＢインタフェースは、信号ラインの他に５Ｖの電源ラインを有する。ＵＳＢ機器では、この電源ラインに供給されている５Ｖの電源を用いて機器に内蔵された２次電池などの充電を行う機器がある。このようなＵＳＢ機器では、パーソナルコンピュータなどのＵＳＢポートから電圧を供給する機器がＵＳＢ規格通りの電圧の５Ｖを出力していることを前提として、回路が設計されていた。このため、電源供給機器側のＵＳＢポートの出力電圧が過電圧／過電流状態である場合にはＵＳＢポートを介して電源を供給される側の機器が過電圧／過電流によって破壊される恐れがある。

なお、ＵＳＢ機器の二次電池の充電制御及び過充電、過電流保護を行うための保護回路を内蔵したＵＳＢケーブルが開発されている（特許文献１参照）。
特開２０００−３３９０６７号公報

しかるに、従来のＵＳＢ機器では、ＵＳＢポートの過充電、過電流から機器の内部回路を保護することはできなかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、ＵＳＢ機器を過電圧、過電流から保護できる電源供給回路及びＵＳＢ機器を提供することを目的とする。

本発明は、ＵＳＢポートに供給される電源から内部回路を保護する保護回路であって、
前記ＵＳＢポートに供給される電圧／電流を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された電圧／電流が過電圧／過電流のとき、前記ＵＳＢポートから前記内部回路への電源の供給を切断するスイッチ手段とを有し、
前記検出手段は、
電源投入時に供給される信号に応じて設定された第１のゲイン又は第２のゲインで、前記ＵＳＢポートに供給される電流に応じた出力信号を出力するアンプと、
前記アンプの出力信号が基準電圧より大きいとき前記スイッチ手段をオフさせる信号を出力するコンパレータとを含み、
前記第１のゲインは、前記ＵＳＢポートに流れる電流が１００ｍＡを超えた値で前記スイッチ手段がオフされているように設定されたゲインであり、
前記第２のゲインは、前記ＵＳＢポートに流れる電流が５００ｍＡを超えた値で前記スイッチ手段がオフされているように設定されたゲインである、ことを特徴とする。

また、本発明は、ＵＳＢポートに供給される電源により内部回路が駆動されるＵＳＢ機器であって、
前記ＵＳＢポートに供給される電圧／電流を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された電圧／電流が過電圧／過電流のとき、前記ＵＳＢポートから前記内部回路への電源の供給を切断するスイッチ手段とを有し、
前記検出手段は、
電源投入時に供給される信号に応じて設定された第１のゲイン又は第２のゲインで、前記ＵＳＢポートに供給される電流に応じた出力信号を出力するアンプと、
前記アンプの出力信号が基準電圧より大きいとき前記スイッチ手段をオフさせる信号を出力するコンパレータとを含み、
前記第１のゲインは、前記ＵＳＢポートに流れる電流が１００ｍＡを超えた値で前記スイッチ手段がオフされているように設定されたゲインであり、
前記第２のゲインは、前記ＵＳＢポートに流れる電流が５００ｍＡを超えた値で前記スイッチ手段がオフされているように設定されたゲインである、ことを特徴とする。

本発明によれば、ＵＳＢポートからの内部回路に電源を供給するとき、ＵＳＢポートに供給される電圧／電流を検出する検出手段と、検出手段で検出された電圧／電流が過電圧／過電流のとき、ＵＳＢポートから内部回路への電源の供給を切断するスイッチ手段とを設けることにより、電源供給側機器のＵＳＢポートが過電圧／過電流状態のとき検出手段がこれを検出し、スイッチ手段によりＵＳＢポートから内部回路への電源の供給を切断することができ、これよって、内部回路を過電圧／過電流から保護できる。

図１は本発明の一実施例のシステム構成図を示す。

本実施例のＵＳＢ機器１０１はＵＳＢポート１１１を有しており、このＵＳＢポート１１１はパーソナルコンピュータ１０２のＵＳＢポート１０４にＵＳＢケーブル１０３を介して接続され、ＵＳＢケーブル１０３の電源ラインを通して供給される電源により内部電池１２２を充電するとともに、機器本体１２３を駆動可能とされている。

ＵＳＢ機器１０１は、ＵＳＢポート１１１、内部回路１１２、保護回路１１３を有する。ＵＳＢポート１１１は、パーソナルコンピュータ１０２のＵＳＢポート１０４にＵＳＢケーブル１０３を介して接続されている。ＵＳＢポート１１１の電源ラインは保護回路１１３に接続され、ＵＳＢポート１１１の信号ラインは機器本体に接続されている。

内部回路１１２は、充電制御ＩＣ１２１、二次電池１２２、機器本体１２３から構成されている。充電制御ＩＣ１２１は、保護回路１１３の出力電圧、すなわち、ＵＳＢポート１１１の電源ラインに印加される電源電圧によって二次電池１２２の充放電制御を行う。

二次電池１２２は、Ｎｉ−Ｃｄ電池、リチウムイオン電池などから構成されており、充電制御ＩＣ１２１及び機器本体１２３に接続されており、充電制御ＩＣ１２１によって充放電が制御される。

機器本体１２３はＵＳＢ機器１０１の機能、例えば、ディジタルオーディオプレーヤとしての機能を実行する回路部であり、コントローラ１３１が内蔵されている。コントローラ１３１は、電源投入時に保護回路１１３に対して制限電流値を設定する信号を供給する。

保護回路１１３はＵＳＢポート１１１と内部回路１２３との間に設けられ、ＵＳＢポート１１１に供給される過電圧、過電流から内部回路１２３を保護する。

図２は保護回路１１３のブロック構成図を示す。

保護回路１１３は、保護ＩＣ１１４、及び、電流検出用抵抗Ｒsから構成されている。

保護ＩＣ１１４は、端子Ｔ11にＵＳＢポート１１１の正電極が接続され、端子Ｔ12にＵＳＢポート１１１の負電極が接続されている。また、保護ＩＣ１１４の端子Ｔ13は、充電制御ＩＣ１２１に接続されている。

また、保護ＩＣ１１４の端子Ｔ11と端子Ｔ14との間には、電流検出用抵抗Ｒsが接続されている。また、保護ＩＣ１１４の端子Ｔ15には、機器本体１２３に設けられたコントローラ１３１が接続されている。

保護ＩＣ１１４は、トランジスタＭ11、電圧検出用抵抗Ｒ11、Ｒ12、誤差アンプＡＭＰ11、コンパレータＣＯＭＰ11、ＣＯＭＰ12、基準電圧源１４１、１４２、制限電流制御回路１４３、温度検出回路１４４、遅延ブロック１４５、インバータ１４６から構成されている。

トランジスタＭ11はｐチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタから構成されており、ソース−ドレインが端子Ｔ14と端子Ｔ13との間に接続されており、過電圧／過電流状態でオフして、端子Ｔ11から端子Ｔ13への電流の供給を切断する。これによって、過電圧／過電流状態でＵＳＢポート１１１の正電極から充電制御ＩＣ１２１への電流の供給が切断される。

電圧検出用抵抗Ｒ11、Ｒ12は、端子Ｔ11と端子Ｔ12との間に直列に接続されており、ＵＳＢポート１１１から端子Ｔ11と端子Ｔ12との間に印加される電圧をその抵抗比に応じて分圧して、検出電圧ＶsとしてコンパレータＣＯＭＰ11の反転入力端子に供給する。

コンパレータＣＯＭＰ11は、非反転入力端子に基準電圧源１４１から基準電圧Ｖref11が印加されている。コンパレータＣＯＭＰ11は、ＵＳＢポート１１１の正電極と負電極との間に印加される電圧の検出電圧Ｖsが基準電圧Ｖref11より小さい状態、すなわち、通常状態のときには出力をハイレベルとし、ＵＳＢポート１１１の正電極と負電極との間に印加される電圧の検出電圧Ｖsが基準電圧Ｖrefより大きい状態、すなわち、過電圧状態になると出力をローレベルとする。コンパレータＣＯＭＰ11の出力は、遅延ブロック１４５に供給される。

誤差アンプＡＭＰ11は、反転入力端子が端子Ｔ14に接続され、非反転入力端子が端子Ｔ11に接続されており、反転入力端子−非反転入力端子間に電流検出用抵抗Ｒsの両端の電圧が印加され、その電圧に応じた出力信号を出力する。誤差アンプＡＭＰ11の出力信号は、コンパレータＣＯＭＰ12の反転入力端子に供給される。

なお、誤差アンプＡＭＰ11には、制限電流設定回路１４３が接続されている。制限電流設定回路１４３は、端子Ｔ15に供給される制限電流設定信号がハイレベルのときに誤差アンプＡＭＰ11を第１のゲインＧ11とし、端子Ｔ15に供給される制限電流設定信号がローレベルのときに誤差アンプＡＭＰ12のゲインを第２のゲインＧ12（＜第１のゲインＧ11）に設定する。

第１のゲインＧ11は抵抗Ｒｓに流れる電流が１００ｍＡ＋αのとき誤差アンプＡＭＰ11の出力が基準電圧源１４２で生成される基準電圧Ｖref12となるように設定されている。また、第２のゲインＧ12は抵抗Ｒｓに流れる電流が５００ｍＡ＋αのときに誤差アンプＡＭＰ11の出力が基準電圧源１４２で生成される基準電圧Ｖref12となるように設定されている。なお、ここで、αは、例えば、α＝（検出誤差）＋（マージン）に設定されている。

コンパレータＣＯＭＰ12は誤差アンプＡＭＰ11の出力信号が基準電圧Ｖref12より大きくなると出力をローレベルとし、誤差アンプＡＭＰ11の出力信号が基準電圧Ｖref12より小さくなると出力をハイレベルとする。すなわち、制限電流が１００ｍＡに設定されているときに電流検出用抵抗Ｒｓに流れる電流が１００ｍＡとなると、出力をローレベルとするとともに、制限電流が５００ｍＡに設定されているときに電流検出用抵抗Ｒｓに流れる電流が５００ｍＡとなると出力をローレベルとする。また、コンパレータＣＯＭＰ12には、温度検出回路１４４が接続されている。

温度検出回路１４４はトランジスタＭ11に近接して設けられており、トランジスタＭ11の温度が一定温度以上になるとコンパレータＣＯＭＰ12に供給する出力をローレベルにする。コンパレータＣＯＰＭ11は温度検出回路１４４の出力がローレベルになると、非反転入力端子−反転入力端子間の電圧にかかわらず出力を強制的にローレベルにする。

コンパレータＣＯＭＰ12の出力は、遅延ブロック１４５に供給されている。

遅延ブロック１４５にはコンパレータＣＯＭＰ11の出力、及び、コンパレータＣＯＭＰ12の出力が供給されており、コンパレータＣＯＭＰ11の出力、及び、コンパレータＣＯＭＰ12の出力のいずれかがローレベルときに、出力をローレベルとし、コンパレータＣＯＭＰ11の出力、及び、コンパレータＣＯＭＰ12の出力が共にハイレベルのときに、出力をハイレベルとする。すなわち、コンパレータＣＯＭＰ11の出力、及び、コンパレータＣＯＭＰ12の出力の論理積を出力する。また、このとき、電源オン時及び過電流検出時には、その出力を遅延させる。遅延ブロック１４５の出力は、インバータ１４６に供給される。インバータ１４６は、遅延ブロック１４５の出力を反転してトランジスタＭ11のゲートに供給する。

トランジスタＭ11は、インバータ１４６の出力がハイレベルのときにオフし、インバータ１４６の出力がローレベルのときにオンする。すなわち、トランジスタＭ11は、過電圧、過電流状態になるとオフする。

〔動作〕
まず、過電圧状態のときの動作を説明する。

端子Ｔ11の電圧、すなわち、ＵＳＢポート１１１の正電極と負電極との間の印加電圧が過電圧状態となると、検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖref11より大きくなる。コンパレータＣＯＭＰ11の出力がローレベルとなる。コンパレータＣＯＭＰ11の出力がローレベルとなると、遅延してトランジスタＭ11がオフする。これによって、端子Ｔ13が過電圧状態となることを防止できる。

次に過電流状態のときの動作を説明する。

端子Ｔ13から出力される電流が過電流状態になると、電流検出用抵抗Ｒｓに流れる電流が過電流状態になる。これにより誤差アンプＡＭＰ11の出力が基準電圧Ｖref12より大きくなる。これによって、コンパレータＣＯＭＰ12の出力がローレベルとなる。コンパレータＣＯＭＰ12の出力がローレベルになると、遅延して、トランジスタＭ11がオフする。これによって、端子Ｔ13から出力される電流が過電流状態となることを防止できる。

また、起動時には、コンパレータＣＯＭＰ11、ＣＯＭＰ12の出力が遅延されて出力され、遅延ブロック１４５の出力は所定の遅延時間、ローレベルに維持される。このため、トランジスタＭ11は少なくとも所定の遅延時間、オフ状態に維持される。これによって、起動時などの不安定動作時に、誤差アンプＡＭＰ11、コンパレータＣＯＭＰ11、ＣＯＭＰ12が動作せず、トランジスタＭ11がオンし、端子Ｔ13が過電圧、あるいは、過電流状態となることを防止できる。

遅延ブロック１４５は、過電流時にも遅延を行い、電流変動により、トランジスタＭ１１がスイッチングすることを防止している。

次にコントローラ１３１の動作を説明する。

図３はコントローラ１３１の処理フローチャートを示す。

コントローラ１３１はステップＳ１−１で電源が投入されると、ステップＳ１−２で内部メモリなどに設定された制限電流設定値を読み出す。

次にコントローラ１３１はステップＳ１−３で内部メモリから読み出された制限電流設定値が１００ｍＡの場合、ステップＳ１−４で誤差アンプＡＭＰ11に供給する出力をハイレベルとする。これによって、誤差アンプＡＭＰ11のゲインが第１のゲインＧ11、すなわち、電流検出用抵抗Ｒｓに流れる電流が１００ｍＡ＋αでトランジスタＭ11がオフするように設定される。

また、コントローラ１３１はステップＳ１−３で内部メモリから読み出された制限電流設定値が５００ｍＡの場合、ステップＳ１−５で誤差アンプＡＭＰ11に供給する出力をローレベルとする。これによって、誤差アンプＡＭＰ11のゲインが第２のゲインＧ12、すなわち、電流検出用抵抗Ｒｓに流れる電流が５００ｍＡ＋αでトランジスタＭ11がオフするように設定される。

なお、コントローラ１３１は、ステップＳ１−６で電源が切断されるまで、制限電流設定値を維持する。

図４は保護回路１１３の変形例のブロック構成図を示す。同図中、図２と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

本変形例の保護回路２１１は、電流検出用抵抗Ｒｓに変えてトランジスタＭ11のオン抵抗を用いたものであり、端子Ｔ11を誤差アンプＡＭＰ11の非反転入力端子に接続し、端子Ｔ13を誤差アンプＡＭＰ11の反転入力端子に接続したものである。

なお、上記実施例では、トランジスタＭ11を保護ＩＣ１１４、２１２に内蔵する構成と例に説明したが、トランジスタＭ11は図２，図４に一点鎖線で示すように保護ＩＣ１１４、２１２の外付け部品としてもよい。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形例が考えられることは言うまでもない。

本発明の一実施例のシステム構成図である。 保護回路１１３のブロック構成図である。 コントローラ１３１の処理フローチャートである。 保護回路１１３の変形例のブロック構成図である。

符号の説明

１０１ ＵＳＢ機器、１０２ パーソナルコンピュータ、１０３ ＵＳＢケーブル
１０４、１１１ ＵＳＢポート
１１２ 内部回路、１１３ 保護回路
１２１ 充電制御ＩＣ、１２２ 二次電池、１２３ 機器本体
１３１ コントローラ
１４１、１４２ 基準電圧源、１４３ 制限電流設定回路、１４４ 温度検出回路
１４５ 遅延ブロック、１４６ インバータ
ＡＭＰ11 誤差アンプ、ＣＯＭＰ11、ＣＯＭＰ12 コンパレータ
Ｒs 電流検出用抵抗、Ｒ11、Ｒ12 抵抗

Claims (8)

1. ＵＳＢポートに供給される電源から内部回路を保護する保護回路であって、
   前記ＵＳＢポートに供給される電圧／電流を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された電圧／電流が過電圧／過電流のとき、前記ＵＳＢポートから前記内部回路への電源の供給を切断するスイッチ手段とを有し、
   前記検出手段は、
   電源投入時に供給される信号に応じて設定された第１のゲイン又は第２のゲインで、前記ＵＳＢポートに供給される電流に応じた出力信号を出力するアンプと、
   前記アンプの出力信号が基準電圧より大きいとき前記スイッチ手段をオフさせる信号を出力するコンパレータとを含み、
   前記第１のゲインは、前記ＵＳＢポートに流れる電流が１００ｍＡを超えた値で前記スイッチ手段がオフされているように設定されたゲインであり、
   前記第２のゲインは、前記ＵＳＢポートに流れる電流が５００ｍＡを超えた値で前記スイッチ手段がオフされているように設定されたゲインである、ことを特徴とする保護回路。
2. 前記内部回路は、電池を充電する充電制御回路であることを特徴とする請求項１記載の保護回路。
3. 前記検出手段は、前記スイッチ手段の内部抵抗に印加される電圧を検出することを特徴とする請求項１記載の保護回路。
4. 前記検出手段と前記スイッチ手段とは、各々異なる半導体装置から構成されていることを特徴とする請求項１記載の保護回路。
5. 一つの半導体装置から構成されていることを特徴とする請求項１記載の保護回路。
6. ＵＳＢポートに供給される電源により内部回路が駆動されるＵＳＢ機器であって、
   前記ＵＳＢポートに供給される電圧／電流を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された電圧／電流が過電圧／過電流のとき、前記ＵＳＢポートから前記内部回路への電源の供給を切断するスイッチ手段とを有し、
   前記検出手段は、
   電源投入時に供給される信号に応じて設定された第１のゲイン又は第２のゲインで、前記ＵＳＢポートに供給される電流に応じた出力信号を出力するアンプと、
   前記アンプの出力信号が基準電圧より大きいとき前記スイッチ手段をオフさせる信号を出力するコンパレータとを含み、
   前記第１のゲインは、前記ＵＳＢポートに流れる電流が１００ｍＡを超えた値で前記スイッチ手段がオフされているように設定されたゲインであり、
   前記第２のゲインは、前記ＵＳＢポートに流れる電流が５００ｍＡを超えた値で前記スイッチ手段がオフされているように設定されたゲインである、ことを特徴とするＵＳＢ機器。
7. 前記内部回路は、電池を充電する充電制御回路であることを特徴とする請求項６記載のＵＳＢ機器。
8. 前記検出手段は、前記スイッチ手段の内部抵抗に印加される電圧を検出することを特徴とする請求項６記載のＵＳＢ機器。

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