JP5580635B2

JP5580635B2 - スイッチ・モード電源の障害状態保護のための方法および装置

Info

Publication number: JP5580635B2
Application number: JP2010075707A
Authority: JP
Inventors: バル・バラクリシュナン
Original assignee: パワー・インテグレーションズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: DE60200563T2; US7489491B2; US7218495B2; US6788514B2; JP2010154750A; US20030197994A1; US6580593B2; US20020131280A1; DE60200563D1; EP1241778A2; US20040212942A1; JP2002325433A; EP1241778B1; EP1241778A3; US20070188960A1

Description

本発明は一般に電源に関し、より詳細には、本発明はスイッチング・レギュレータに関する。

本願は、２００１年３月１４日出願の「ＭｅｔｈｏｄＡｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓＦｏｒＦａｕｌｔＣｏｎｄｉｔｉｏｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＯｆＡＳｗｉｔｃｈｅｄＭｏｄｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ」という名称の米国仮出願番号第６０／２７５，９６２号の優先権を主張する。

スイッチング電源において、電源コントローラは、整流およびフィルタリングによって交流（ＡＣ）電力から高電圧直流（ＤＣ）入力を得る変圧器の一次巻線と直列に接続されている。エネルギーは、一定の出力電圧を供給するように電源コントローラによって制御されて二次巻線に伝達される。電源コントローラにフィードバック信号を供給するために、帰還巻線またはバイアス巻線と呼ばれる別の巻線を使用することもある。あるいは、このフィードバック信号を、二次出力のセンス回路から光学カプラを介して供給することもできる。フィードバック信号は、電源コントローラのデューティサイクルを変えるため、または二次出力を制御する目的でサイクルを可能または不可能にするために使用される。

短絡状態、過負荷状態（出力二次巻線における過負荷または電源入力における不足電圧のどちらかによって引き起こされる場合がある）、またはフィードバック・ループが開の場合、電源コントローラは、フィードバック信号の損失を検出し、「自動再始動」と呼ばれるモードに入る。この自動再始動モードにおいて、電源コントローラは、オン時間とも呼ばれる期間の間（始動時に必要とされるよりも長い）、電力を送り出し、オフ時間とも呼ばれる別の期間の間電源を切ることによって、周期的に電源を始動することを試みる。障害状態が存在する限り、電源コントローラはこの自動再始動モードのままであり、平均出力電力を安全な低電圧に抑える。障害が取り除かれると、自動再始動は電源が自動的に始動することができる。

自動再始動の動作原理は、障害状態にある間、電源出力に送り出される平均電力を、第１の所定の期間（オン時間としても知られている）と第２の所定の期間（オフ時間としても知られている）の間で電源を交互に動作させることによって、安全なレベルにまで低減するというものである。オン時間中、電源はオンであり出力に電力を送り出し、一方、オフ時間中、電源はオフであり出力には電力を一切送り出さない。自動再始動保護を有効にするために、オフ時間はオン時間よりも著しく長く設定される。自動再始動のオフ時間よりも短い期間に障害状態が発生した場合、電源はオフ時間が終了するまで再始動を試みず、回復までに不要に長い遅延が生じることになる。

スイッチ・モード電源の障害状態保護のための方法および装置が開示される。本発明の一態様には、障害状態下において電源を繰り返しオン・オフする自動再始動機能を有する電源回路が含まれる。一実施態様では、障害状態の検出の後の１つまたは複数のオフ時間は後続のオフ時間よりも短い。本発明のこの他の機能および利点は、以下の詳細な説明および図面によって明らかになろう。

本発明の教示による改良された障害状態保護を有する内蔵型電源コントローラ回路の一実施形態を示す図である。本発明の教示による電源コントローラにおける電源投入、通常動作、および自動再始動の一実施形態を示すタイミング図である。本発明の教示による電源コントローラにおける瞬間障害回復の一実施形態を示すタイミング図である。本発明の教示によるスイッチ・モード電源の一実施形態を示す図である。

添付の図面では、詳細な本発明が例示的に図示されるものであって、限定されるものではない。

スイッチ・モード電源の障害状態保護のための方法および装置の実施形態を開示する。以下の説明では、本発明の完全な理解を実現するために多くの具体的な詳細を記載する。しかし、当業者には、本発明を実施するためには必ずしもこの具体的な詳細を使用することが必要ではないということが明らかになろう。他の場合、本発明が不明瞭になることを避けるため、周知の材料または方法は詳細には説明しない。

本明細書における「一実施形態」または「ある実施形態」の参照は、その実施形態に関する特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味するものである。したがって、「一実施形態」または「ある実施形態」という語句が本明細書の随所にみられるが、これは必ずしも同一の実施形態を示すものではない。さらに、特定の特徴、構造または特性を、１つまたは複数の実施形態における任意の適正な方法によって結合することもできる。

概略として、本発明の実施形態は、開制御ループ状態に繋がる障害からの、電源に対する改良された障害状態保護を提供する。開示された様々な実施形態では、電源における障害状態は開ループ状態によってもたらされる可能性があるが、この開ループ状態は電源出力短絡状態または電源過負荷状態による結果である場合がある。一実施形態では、電源過負荷状態は、電源入力の電力不足状態の結果である場合がある。一実施形態では、１つまたは複数の初期自動再始動サイクルのオフ時間または使用不可能期間の持続時間は、後続の自動再始動サイクルのオフ時間または使用不可能期間の持続時間と比較して著しく短縮される。短期間の障害の場合、１つまたは複数の初期自動再始動サイクルのオフ時間が短縮されるために、電源の回復期間は短縮される。長期間続く障害の場合、本発明の教示による自動再始動によって電源に提供される保護は、１つまたは複数の自動再始動サイクルを除いて、後続サイクルのオフ時間は短縮されないというように、損なわれない。

以下で議論するように、一実施形態では、障害状態の検出後は一定数の自動再始動サイクルは短縮され、後続の自動再始動サイクルはより長い持続時間を有する。一実施形態では、電源が調製状態になるまで障害状態は検出されない。本発明の一実施形態では、最初の自動再始動サイクルだけが短縮される。この修正形態によって、電源は、短縮された遅延で一時的な障害状態から回復することができる。例えば、一実施形態では、本発明の教示による電源コントローラの場合、第１の自動再始動サイクルのオン時間は５０ｍｓであり、オフ時間は遥かに短い値、例えば２００ｍｓすなわちオン時間の４倍に設定されるが、一方、すべての後続の自動再始動サイクルのオフ時間はそのままである（この場合１秒すなわちオン時間の２０倍である）。

したがって、障害が発生すると、本発明の教示による電源は、その第１の再始動の試行を２００ｍｓ後に実行し、次いでそれが成功しない場合、引き続いて１．０５秒毎に後続の試行を実行する。これによって、電源は、より長期間続く障害に対する自動再始動保護を損なわずに、瞬間障害状態から迅速に回復することができる。当然ながら、これらの持続時間の値は例示目的でのみ提供されており、本発明の教示に従って別の持続時間を使用することも可能である。

一実施形態では、本発明の教示による実装は、出力に送り出される電力を制御、調製、または変調するためのスイッチング・デバイスと、そのスイッチング・デバイスおよびそのフィードバック信号とに結合されるタイマーとが含まれる。障害状態が発生したとき、タイマーは、第１の所定の期間（オン時間）は出力に電力を送り出すためにスイッチング・デバイスを使用可能にし、次に、タイマーは、第２の所定の期間（オフ時間）は出力に電力を送り出すことを防止するためにスイッチング・デバイスを使用不可能にする。スイッチング・デバイスは、障害状態が続く場合、交互にオン時間の間有効にし、オフ時間の間無効にすることができる。この機能は自動再始動として知られている。一実施形態では、スイッチング・デバイスは電力用トランジスタであってよい。タイマーはデジタル・カウンタであってよい。所定周波数を有する発振器をこのカウンタに結合することができる。この発振器は、高速と低速の２つの所定の周波数から選択するための制御入力を有することができる。

定常状態による自動再始動の動作の一実施形態では、オフ時間はオン時間よりも遥かに長いが、これは、一実施形態では、オン時間中は発振器を高速の周波数で動作させ、オフ時間中は発振器を低速で動作させることによって達成される。第１の自動再始動のオフ時間は、発振器をデフォルトの低速周波数ではなく高速周波数で動作させることによって短縮することができる。一実施形態では、オン時間は高速周波数を使用するが、オフ時間は、第１の自動再始動サイクルのオフ時間を除いて、低速周波数を使用する。

一実施形態では、オン時間とオフ時間は、所望のオン時間対オフ時間比に従ってカウンタ出力から復号された信号によって制御される。電源投入時、カウンタはゼロのカウントにリセットされている。オン時間はゼロ・カウントから開始してｎカウントで終了する。オフ時間はｎ＋１のカウントから開始してフル・カウントで終了する。第１の自動再始動サイクルのオフ時間に高速周波数を使用し、すべての後続サイクルのオフ時間に低速周波数を使用するために、一実施形態ではラッチが追加される。このラッチの出力は、オフ時間にどちらの周波数を使用するかを決定する。セットされているラッチは低速の周波数を選択し、リセットされているラッチは高速の周波数を選択する。オン時間は、このラッチの状態に関わらず高速の周波数を使用する。

一実施形態では、電源投入時に、ラッチは、オフ時間には低速の周波数を使用するように自動的にセットされる。電源出力が調製状態に達すると、電源出力からフィードバック信号が発生し、この信号によってラッチがリセットされ、高速の周波数の選択に変更される。その結果、障害状態が発生すると、自動再始動は短いサイクルから開始され、その障害が短期間の障害である場合は電源が回復する機会を提供する。第１の自動再始動サイクルが完了するとオフ時間が終了し、カウンタはフル・カウントに達する。次いでフル・カウント信号が発生してラッチがセットされ、低速の周波数を選択する。これによって、持続する障害の結果として自動再始動が継続する場合は、後続サイクルのオフ時間に低速の周波数を使用することが保証される。障害が除去されると電源は再始動し、出力は調製状態に達する。次いでフィードバック信号が発生され、このフィードバック信号は再度ラッチをリセットし、高速の周波数を選択する。この時点で、電源は、電源投入後の最初の状態と同じ状態に戻っていることに留意されたい。短期間の障害の場合、この障害の除去プロセスは第１の自動再始動の終了時に実施され、回復期間は短い。長期間の障害の場合、このプロセスは後のサイクルの終了時に実施されるが、プロセスは同じである。

例示のために、図１に、内蔵型電源コントローラ回路１０１の一実施形態を示す。バイパス電圧レギュレータ２０１は、内部供給が使用するための安定した電圧を生成するためにドレーン端子１０３とバイパス端子１０５の両方に接続されている。結合されたフィードバック信号とライン電圧信号とを受け取るために、ＦＢ／ＵＶ回路２０３はＦＢ／ＵＶ端子１０７に結合される。ＦＢ／ＵＶ回路２０３は不足電圧ラインをチェックし、結合された信号をフィードバック信号２４１と不足電圧ライン信号２５０とに分離する。自動再始動回路２００は、カウンタ２２０、ＯＲゲート２２１、ＲＳラッチ２２２、およびＮＡＮＤゲート２２３で構成されている。一実施形態では、フィードバック信号２４１は２つの状態を有するデジタル信号である。

一実施形態では、カウンタ２２０は、発振器２０２からクロック信号２４０を受け取り、自動再始動動作のオン時間とオフ時間を制御するためにオフ／オン信号２４２を発生させる。電源投入時、カウンティングが始まる前にラッチ２２２がセットされ、カウンティングが始まる前にカウンタ２２０がリセットされる。オフ／オン信号２４２は、ゼロカウントから自動再始動のオン時間を示すｎカウントまではローのままである。オフ／オン信号２４２はｎカウントになると高くなり、自動再始動のオフ時間を示すフル・カウントになるまで高いままである。フル・カウント信号２４３がフル・カウントで発生され、これはＯＲゲート２２１を介してラッチ２２２をセットする。

図示した実施形態で示すように、ラッチ出力２４５は、ＮＡＮＤゲート２２３の１つの入力に結合される。ＮＡＮＤゲート２２３の別の入力が、カウンタ２２０からオフ／オン信号２４２を受け取る。ＮＡＮＤゲート２２３の出力は発振器２０２の高速／低速入力に結合する。高速／低速信号でのハイ信号は、発振器２０２に対して所定の高速の周波数を選択し、一方、ロー信号は所定の低速の周波数を選択する。ラッチ２２２がリセットされている場合、高速／低速入力での信号（信号２４６）はＮＡＮＤゲート２２３によって強制的に高くされる。これによって、オフ時間は強制的にオン時間と同じ周波数（高速の周波数）で動作させられる。ラッチ２２２がセットされている場合、高速／低速入力での信号はオフ／オン信号２４２に等しく、これはオフ時間がオン時間と逆の周波数（低速の周波数）で動作することを可能にする。

図示した実施形態で示すように、ＦＢ／ＵＶ回路２０３は、結合されたフィードバック信号と電源電圧信号をＦＢ／ＵＶ端子１０７から受け取る。フィードバック信号を電源電圧信号から分離した後、ＦＢ／ＵＶ回路２０３は、フィードバック信号２４１を、カウンタ２２０のリセット入力とラッチ２２２のＲ入力に送る。電源出力が調製状態に達すると、ノード２４１はハイに移行し、カウンタ２２０とラッチ２２２の両方をリセットする。オフ／オン信号は、インバーター２０４を介して別のＡＮＤゲート２０５の入力にも結合されている。電力ＭＯＳＦＥＴ２０６またはドレーン端子１０３とソース端子１０９との間で結合されている電源スイッチは、オフ／オン信号がハイ（自動再始動のオフ時間）の場合は使用不可能にされ、オフ／オンがロー（自動再始動のオン時間）の場合は使用可能にされる。

図２に、本発明の教示による自動再始動機能を有するスイッチ・モード電源の一実施形態の動作の様々なモードを示す。図から分かるように、電源が調製状態に達した後で障害が発生すると、フィードバック信号２１４が低くなり、電源は自動再始動のオン時間の持続時間中はスイッチングを続ける。この期間中、電源出力には最大使用可能電力が送り出される。フィードバック信号２４１がこの期間中、ローのままである場合、この期間の終了時に障害状態が検出され、第１の自動再始動オフ時間が開始される。高速周波数が選択されているため、オフ時間のこの第１のサイクルは後続のオフ時間と比較して短い。したがって、一実施形態では、フィードバック信号２１４がアイドル状態になった後、または所定期間だけ状態を変更しなかった後で、障害状態が検出される。

図３に、瞬間障害からの、本発明の教示による電源の一実施形態の高速回復を示す。上記に記載した実施形態によれば、開始時しか示していないが、周波数は、第１の自動再始動サイクルには高速として、また、第２の自動再始動サイクルには低速として示されている。第１の自動再始動サイクルと第２の自動再始動サイクルのオン時間の合計よりも短い持続時間の障害ならどのような障害の場合でも、第２のオフ時間が開始される前に電源は調製状態に達し、ラッチ２２２をリセットする。

図４に、整流されフィルタリングされたＡＣ入力４０３から電力を受け取るための入力と、調製したＤＣ電圧を生成するためのＤＣ出力４０５とを有するスイッチ・モード電源４０１の一実施形態を示す。図示した実施形態で示すように、電源４０１には、エネルギー伝達素子６０１に結合されている電源コントローラ６００が含まれている。一実施形態では、電源コントローラ６００は、バイパス、ＦＢ／ＵＶ、ドレーンおよびソースの４つの端子を含む内蔵型回路である。エネルギー伝達素子は、一次巻線６４０と二次巻線６４１とを有する変圧器である。一実施形態では、エネルギー伝達素子６０１には、変圧器、結合された複数のインダクタ、１つのインダクタ等が含まれる。出力電圧はツェナー・ダイオード６２１および光学カプラ６０２のＬＥＤによって検知される。二次巻線６４１から発生されたフィードバック信号は、光学カプラ６０２を介して、電源コントローラ６００のＦＢ／ＵＶ端子に結合されて戻る。オンチップ高電圧電力ＭＯＳＦＥＴは、入力４０３から出力４０５へのエネルギー伝達を制御するために電源コントローラ６００によってオン・オフ切換えされ、したがってフィードバック信号に従って出力電圧を調製する。

以上の詳細な説明において、本発明の方法および装置を、その具体的な例示的実施形態を参照しながら説明した。しかし、本発明のより広範な趣旨および範囲から逸脱せずに、様々な修正形態および変更を行うことができることが明らかになろう。本明細書および図面は、したがって例示的なものであって、限定的なものではないとみなされるべきである。

１０１内蔵型電源コントローラ回路、１０３ドレーン端子、１０５バイパス端子、２００自動再始動回路、２０１バイパス電圧レギュレータ、２０２発振器、２０３ＦＢ／ＵＶ回路、２２０カウンタ、２２２ラッチ、２４０クロック信号、２４１フィードバック信号、２４２オン／オフ信号。

Claims

スイッチ・モード電源のエネルギー伝達素子に結合されて、前記スイッチ・モード電源の入力から出力へのエネルギーの伝達を制御するための、かつ前記スイッチ・モード電源の前記出力を調整するためのスイッチング信号に応答して切替えられるスイッチと、
少なくとも第１の周波数、および前記第１の周波数よりも低い第２の周波数の中から選択可能な周波数でクロック信号を出力する発振器と、
前記発振器と前記スイッチに結合し、前記発振器から前記クロック信号を受けるように結合されたカウンタを有する自動再始動回路とを備え、前記クロック信号の周波数が増加すると前記カウンタのカウント速度は増加し、
前記自動再始動回路は、前記スイッチ・モード電源の障害状態の間、前記スイッチの切替えを交互に可能および不可能にするように構成され、
前記自動再始動回路は、前記障害状態の検出に続く１つの最初の不可能期間の間、前記スイッチの切替えを不可能にするように結合され、前記最初の不可能期間は、前記カウンタが前記クロック信号の前記第１の周波数を受けるときに、前記カウンタによって計測される第１の持続時間を有し、
前記自動再始動回路は、１以上の後続する不可能期間の間、前記スイッチの切替えを不可能にするように結合され、各々の後続する不可能期間は、前記カウンタが前記クロック信号の前記第２の周波数を受けるときに、前記カウンタによって計測される第２の持続時間を有し、
前記第１の持続時間は、前記第２の持続時間よりも短く、
前記切替えを可能にすることによって、前記スイッチング信号は、前記エネルギーの伝達を制御するための、かつ前記スイッチ・モード電源の前記出力を調整するための前記スイッチを切替えることができ、
前記切替えを不可能にすることによって、前記スイッチング信号は、前記エネルギーの伝達を制御するための、かつ前記スイッチ・モード電源の前記出力を調整するための前記スイッチを切替えることができず、
前記発振器は、前記障害状態の検出に続く前記最初の不可能期間の間、前記第１の周波数で前記クロック信号を出力し、前記発振器は、前記少なくとも１つの後続の不可能期間の間、前記第２の周波数で前記クロック信号を出力する、スイッチ・モード電源制御回路。
前記自動再始動回路は、さらに、前記発振器に、前記最初の不可能期間に続く少なくとも１つの後続の不可能期間の間、前記第２の周波数で前記クロック信号を出力させるように結合される、請求項１記載のスイッチ・モード電源制御回路。
前記自動再始動回路は、前記発振器に、１以上の可能期間の間、前記第１の周波数で前記クロック信号を出力させるように結合される、請求項１記載のスイッチ・モード電源制御回路。
前記自動再始動回路は、前記障害状態の検出に続く第１の自動再始動サイクルと、前記第１の自動再始動サイクルに続く第２の自動再始動サイクルとを含み、
前記発振器は、前記第１の自動再始動サイクルの使用可能および使用不可能期間の間、前記第１の周波数で前記クロック信号を出力し、
前記発振器は、前記第２の自動再始動サイクルの使用可能期間の間、前記第１の周波数で前記クロック信号を出力し、前記第２の自動再始動サイクルの使用不可能期間の間、前記第２の周波数で前記クロック信号を出力する、請求項１記載のスイッチ・モード電源制御回路。
前記障害状態は、前記スイッチ・モード電源の出力のフィードバック信号の損失の検出に応じて突入される、請求項１記載のスイッチ・モード電源制御回路。
前記フィードバック信号の損失は、電源出力短絡状態および電源過負荷状態からなるグループから選択された状態によって引き起こされる、請求項５記載のスイッチ・モード電源制御回路。
前記電源過負荷状態は、電源入力不足電圧状態に応じたものである、請求項６記載のスイッチ・モード電源制御回路。
前記発振器は、前記第１および第２の周波数から選択するための制御入力を有し、
電源投入時、前記制御入力は、前記第２の持続時間を有する不可能期間を選択するように設定され、
前記電源が調整状態に達した後、前記スイッチ・モード電源の前記障害状態の検出によって、前記制御入力が、前記第１の持続時間を有する前記最初の不可能期間を選択するように設定される、請求項１記載のスイッチ・モード電源制御回路。
スイッチング信号に応答してスイッチを切替えることによって、スイッチ・モード電源入力からスイッチ・モード電源出力への電力の供給を調整するステップと、
前記スイッチ・モード電源の障害状態を検出するステップと、
前記障害状態の間、前記スイッチ・モード電源の切替えを繰り返し可能および不可能にするステップとを含み、
前記スイッチ・モード電源の障害状態の検出に続く１つの最初の不可能期間の持続時間は、１以上の後続の不可能期間の持続時間よりも短く、
前記スイッチ・モード電源の前記切替えを可能にすることによって、前記スイッチング信号は、エネルギーの伝達を制御するための、かつ前記スイッチ・モード電源の前記出力を調整するための前記スイッチを切替えることができ、
前記スイッチ・モード電源の前記切替えを不可能にすることによって、前記スイッチング信号は、前記エネルギーの伝達を制御するための、かつ前記スイッチ・モード電源の前記出力を調整するための前記スイッチを切替えることができず、
前記スイッチ・モード電源の前記障害状態の検出に続く前記最初の不可能期間は、カウンタが、発振器のクロック信号の第１の周波数を受けるときに、前記カウンタによって計測される第１の持続時間を有し、
前記発振器は、少なくとも前記第１の周波数、および前記第１の周波数よりも低い第２の周波数の中から選択可能な周波数でクロック信号を出力し、１以上の後続の不可能期間の各々は、前記カウンタが、前記クロック信号の前記第２の周波数を受けるときに、前記カウンタによって計測される第２の持続時間を有し、
前記発振器は、前記障害状態の検出に続く前記最初の不可能期間の間、前記第１の周波数で前記クロック信号を出力し、前記発振器は、前記少なくとも１つの後続の不可能期間の間、前記第２の周波数で前記クロック信号を出力し、
前記カウンタは、前記発振器から前記クロック信号を受けるように結合され、前記クロック信号の周波数が増加すると前記カウンタのカウント速度が増加する、スイッチ・モード電源を制御するための方法。
前記スイッチ・モード電源の障害状態の検出は、前記スイッチ・モード電源の開ループ状態の検出を含む、請求項９記載の方法。
前記スイッチ・モード電源の開ループ状態の検出は、前記スイッチ・モード電源の電源出力短絡状態および電源出力過負荷状態のうちの少なくとも１つの検出を含む、請求項１０記載の方法。
前記電源出力過負荷状態は、前記スイッチ・モード電源の電源入力不足電圧状態によってもたらされる、請求項１１記載の方法。
電源投入時、前記スイッチ・モード電源の障害状態の検出によって、前記電源が調整状態になった後に行われる前記障害状態の検出に続く前記最初の不可能期間の持続時間よりも長い持続時間を有する不可能期間が選択される、請求項９記載の方法。