JP5959010B2 - 過電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に流れる電流が過電流であることを検出する過電流検出装置に関する。

スイッチング電源をはじめとする各種電源装置には、通常、負荷に過電流が流れるのを防ぐために過電流検出装置が備えられる。従来の過電流検出装置としては、例えば、図３に示す過電流検出装置１０が知られている。

この過電流検出装置１０は、出力電流Ｉｏが流れる電源ライン６に介装された過電流検出用抵抗Ｒによる電圧降下とツェナダイオードＺＤの降伏電圧との大小をオペアンプＯＰで比較することにより出力電流Ｉｏが過電流であることを検出する。より詳しくは、オペアンプＯＰは、過電流検出用抵抗Ｒによる電圧降下（＝Ｉｏ・Ｒ）がツェナダイオードＺＤの降伏電圧以下であれば、過電流ではないことを示すＬレベルの信号を出力する一方、過電流検出用抵抗Ｒによる電圧降下がツェナダイオードＺＤの降伏電圧よりも大きければ、過電流であることを示すＨレベルの信号を出力する。そして、Ｈレベルの出力信号は、ラッチ部４により一定期間の間、またはリセット動作が行われるまで保持される。

なお、オペアンプを用いた過電流検出装置が開示されている先行技術文献としては、例えば、特許第３１２９８１１号公報がある。

特許第３１２９８１１号公報

しかしながら、上記過電流検出装置１０は、出力電流Ｉｏが増加するにつれて増大する過電流検出用抵抗Ｒによる損失（＝Ｉｏ^２・Ｒ）を減らすために過電流検出用抵抗Ｒの抵抗値を下げると、オペアンプＯＰのオフセット電圧特性により、過電流の検出精度が悪化してしまうという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、検出精度の悪化を招くことなく、損失を低減することができる過電流検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る過電流検出装置は、直流電源と負荷とを繋ぐ電源ラインに介装され、電源ラインを流れる電流に比例した電圧降下を生じさせる過電流検出用抵抗と、過電流検出用抵抗による電圧降下に基づいて電流が過電流であるか否かを判定する過電流判定部とを備えた過電流検出装置において、過電流検出用抵抗を短絡させ得る短絡手段と、電源ラインに介装され、電流に比例した電圧降下を生じさせる兆候検出用抵抗と、兆候検出用抵抗による電圧降下に基づいて短絡手段を制御する短絡制御部とをさらに備え、兆候検出用抵抗の抵抗値は、過電流検出用抵抗の抵抗値よりも小さく、短絡制御部は、兆候検出用抵抗による電圧降下が所定の閾値以下の場合に限り、短絡手段によって過電流検出用抵抗を短絡させ、電流が過電流検出用抵抗に流れないようにすることを特徴とする。

この構成によれば、兆候検出用抵抗による電圧降下が所定の閾値以下の場合、すなわち、過電流の兆候がない定常時に、過電流検出用抵抗が短絡手段によって短絡されるので、過電流検出用抵抗による損失をゼロにすることができる。一方、兆候検出用抵抗による電圧降下が所定の閾値よりも大きい場合、すなわち、過電流の兆候がある場合は、短絡が解除されるので、過電流検出用抵抗の電圧降下に基づいて精度よく過電流を検出することができる。なお、この構成では、兆候検出用抵抗による損失が発生し続けるが、兆候検出用抵抗の抵抗値は過電流検出用抵抗の抵抗値よりも小さいので、兆候検出用抵抗による損失は過電流検出用抵抗による損失よりも小さい。

上記過電流検出装置は、過電流判定部への電力供給を遮断し得る電力遮断手段をさらに備え、短絡制御部は、兆候検出用抵抗による電圧降下が所定の閾値以下の場合に限り、電力遮断手段によって過電流判定部への電力供給を遮断することが好ましい。

この構成によれば、兆候検出用抵抗による電圧降下が所定の閾値以下の場合、すなわち、過電流の兆候がない定常時に、過電流検出用抵抗による損失だけでなく過電流判定部による損失もゼロにすることができるので、より一層損失を低減することができる。

なお、上記短絡制御部は、例えば、ツェナダイオードの降伏電圧により設定された所定の閾値と兆候検出用抵抗による電圧降下の大小関係を比較するオペアンプとすることができる。また、上記短絡手段は、例えば、過電流検出用抵抗に並列接続されたリレー回路とすることができる。

本発明によれば、検出精度の悪化を招くことなく、損失を低減することができる過電流検出装置を提供することができる。

本発明に係る過電流検出装置の回路図である。 本発明に係る過電流検出装置を備えたスイッチング電源の回路図である。 従来の過電流検出装置の回路図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る過電流検出装置の実施例について説明する。

図１に、本発明の実施例に係る過電流検出装置１を示す。同図に示すように、過電流検出装置１は、主に、直流電源Ｅと負荷Ｌの間に設けられた兆候検出部２、過電流検出部３およびリレー回路ＲＹを備えている。本発明では、直流電源Ｅは特に限定されない。例えば、スイッチング電源の二次側の過電流を検出するために過電流検出装置１が使用される場合は、図２に示すように、トランスの二次巻線に誘起された交流電圧を整流および平滑して入力電圧Ｖ１を出力する整流平滑回路が直流電源Ｅとなる。なお、直流電源Ｅから出力される入力電圧Ｖ１は、直流として取り扱うことができる程度に微小な交流成分を含んでいてもよいものとする。

直流電源Ｅの一端と負荷Ｌの一端は、電源ライン５により接続されている。また、直流電源Ｅの他端と負荷Ｌの他端は、電源ライン６により接続されている。直流電源Ｅが入力電圧Ｖ１を出力すると、負荷Ｌの両端に出力電圧Ｖ２が印加され、電源ライン５および６を介して負荷Ｌに出力電流Ｉｏが流れる。過電流検出装置１は、この出力電流Ｉｏが過電流となったことを検出する。

兆候検出部２は、電源ライン６に介装された兆候検出用抵抗Ｒ１と、兆候検出用抵抗Ｒ１の一端に接続されたアノードおよび抵抗Ｒ３を介して電源ライン５に接続されたカソードを有するツェナダイオードＺＤ１と、オペアンプＯＰ１とを備えている。このうち、オペアンプＯＰ１およびツェナダイオードＺＤ１は、本発明の「短絡制御部」に相当する。

図１に示すように、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子（＋）は、兆候検出用抵抗Ｒ１の他端に接続され、反転入力端子（−）は、ツェナダイオードＺＤ１のカソードに接続されている。また、オペアンプＯＰ１の電源端子は、それぞれ電源ライン５および６に接続されている。

オペアンプＯＰ１は、非反転入力端子（＋）に入力される電圧が反転入力端子（−）に入力される電圧よりも高い場合にＨレベルの信号を出力する一方、非反転入力端子（＋）に入力される電圧が反転入力端子（−）に入力される電圧以下の場合にＬレベルの信号を出力する。つまり、オペアンプＯＰ１は、兆候検出用抵抗Ｒ１による電圧降下がツェナダイオードＺＤ１の降伏電圧を超える程度に出力電流Ｉｏが大きくなると、過電流の兆候があることを示すＨレベルの信号を出力する。

本実施例では、兆候検出用抵抗Ｒ１の抵抗値を０．０２１［Ω］、ツェナダイオードＺＤ１の降伏電圧を０．０１４［Ｖ］に設定し、出力電流Ｉｏが０．６７［Ａ］を超えた場合に過電流の兆候を検出することとした。兆候検出用抵抗Ｒ１の抵抗値は、後述する過電流検出用抵抗Ｒ２の抵抗値の約１／５である。したがって、兆候検出用抵抗Ｒ１および過電流検出用抵抗Ｒ２に同一の出力電流Ｉｏが流れた場合、兆候検出用抵抗Ｒ１による損失は過電流検出用抵抗Ｒ２による損失の約１／５である。

過電流検出部３は、電源ライン６に介装された過電流検出用抵抗Ｒ２と、過電流検出用抵抗Ｒ２の一端に接続されたアノードおよび抵抗Ｒ４を介して電源ライン５に接続されたカソードを有するツェナダイオードＺＤ２と、オペアンプＯＰ２とを備えている。このうち、オペアンプＯＰ２およびツェナダイオードＺＤ２は、本発明の「過電流判定部」に相当する。

図１に示すように、オペアンプＯＰ２の非反転入力端子（＋）は、過電流検出用抵抗Ｒ２の他端に接続され、反転入力端子（−）は、ツェナダイオードＺＤ２のカソードに接続されている。また、オペアンプＯＰ２の電源端子は、それぞれ電源ライン５および６に接続されている。

オペアンプＯＰ２は、非反転入力端子（＋）に入力される電圧が反転入力端子（−）に入力される電圧よりも高い場合にＨレベルの信号を出力する一方、非反転入力端子（＋）に入力される電圧が反転入力端子（−）に入力される電圧以下の場合にＬレベルの信号を出力する。つまり、オペアンプＯＰ２は、過電流検出用抵抗Ｒ２による電圧降下がツェナダイオードＺＤ２の降伏電圧を超える程度に出力電流Ｉｏが大きくなると、過電流であることを示すＨレベルの信号を出力する。

抵抗Ｒ４と電源ライン５を繋ぐラインには、トランジスタＱ１が介装されている。また、オペアンプＯＰ２の電源端子と電源ライン５を繋ぐラインには、トランジスタＱ２が介装されている。トランジスタＱ１およびＱ２は、本発明の「電力遮断手段」に相当する。

トランジスタＱ１およびＱ２は、ベースに入力される信号のレベルに応じて導通状態または非導通状態となる。具体的には、ベースに入力される信号がＬレベルである場合、トランジスタＱ１およびＱ２は非導通状態となり、オペアンプＯＰ２およびツェナダイオードＺＤ２への電力供給を遮断する。一方、ベースに入力される信号がＨレベルである場合、トランジスタＱ１およびＱ２は導通状態となる。

本実施例では、過電流検出用抵抗Ｒ２の抵抗値を１［Ω］、ツェナダイオードＺＤ２の降伏電圧を０．８［Ｖ］に設定し、出力電流Ｉｏが０．８［Ａ］を超えた場合に過電流を検出することとした。前記の通り、過電流検出用抵抗Ｒ２の抵抗値は、兆候検出用抵抗Ｒ１の抵抗値よりも大きい。

リレー回路ＲＹは、本発明の「短絡手段」に相当する。図１に示すように、リレー回路ＲＹは、オペアンプＯＰ１の出力端子と電源ライン６の間に接続されたリレーコイルＬＣと、第１接点ａ、第２接点ｂおよび共通接点ｃを有するスイッチＳＷとを備えている。スイッチＳＷは、リレーコイルＬＣに電流が流れている場合に限って第２接点ｂ側に接続されるようになっている。

スイッチＳＷが第１接点ａ側に接続されているとき、リレー回路ＲＹは、過電流検出用抵抗Ｒ２を短絡させる短絡経路となる。短絡経路ができると、過電流検出用抵抗Ｒ２には出力電流Ｉｏが流れなくなり、過電流検出用抵抗Ｒ２による電圧降下は０［Ｖ］となる。一方、スイッチＳＷが第２接点ｂ側に接続されているとき、リレー回路ＲＹは短絡経路とはならないので、過電流検出用抵抗Ｒ２に出力電流Ｉｏが流れ、その結果、過電流検出用抵抗Ｒ２は出力電流Ｉｏに比例した電圧降下を生じさせる。

出力電流Ｉｏが定格の範囲内（より詳しくは、０．６７［Ａ］以下）にある場合、兆候検出部２のオペアンプＯＰ１はＬレベルの信号を出力する。これにより、リレー回路ＲＹは、過電流検出用抵抗Ｒ２を短絡させる短絡経路となる。また、オペアンプＯＰ１がＬレベルの信号を出力すると、トランジスタＱ１およびＱ２が非導通状態となり、オペアンプＯＰ２およびツェナダイオードＺＤ２への電力供給を遮断する。つまり、出力電流Ｉｏが０．６７［Ａ］以下である場合、過電流検出部３は無効（動作停止状態）とされ、過電流検出部３による損失はゼロとなる。

出力電流Ｉｏが増加して定格の上限（より詳しくは、０．６７［Ａ］）を超えると、兆候検出部２のオペアンプＯＰ１はＨレベルの信号を出力する。これにより、リレー回路ＲＹによる短絡が解除され、過電流検出用抵抗Ｒ２に出力電流Ｉｏが流れるようになる。また、オペアンプＯＰ１がＨレベルの信号を出力すると、トランジスタＱ１およびＱ２が導通状態となり、オペアンプＯＰ２およびツェナダイオードＺＤ２に電力が供給される。つまり、出力電流Ｉｏが０．６７［Ａ］を超えると、過電流検出部３が有効（動作状態）とされ、過電流検出部３による損失が生じ始める。

なお、兆候検出部２が過電流の兆候を検出する閾値（０．６７［Ａ］）は、過電流検出部３が過電流を検出する閾値（０．８［Ａ］）よりも低く設定されている。このため、有効とされた直後のオペアンプＯＰ２は、過電流ではないことを示すＬレベルの信号を出力する。

出力電流Ｉｏがさらに増加して許容範囲の上限（より詳しくは、０．８［Ａ］）を超えると、過電流検出部３のオペアンプＯＰ２は、過電流であることを示すＨレベルの信号を出力する。Ｈレベルの出力信号は、ラッチ部４により一定期間の間、またはリセット動作が行われるまで保持される。

このように、本実施例に係る過電流検出装置１によれば、出力電流Ｉｏが０．６７［Ａ］以下の場合、すなわち、過電流の兆候がない定常時に、過電流検出用抵抗Ｒ２がリレー回路ＲＹによって短絡されるとともに、トランジスタＱ１およびＱ２による電力の遮断が行われるので、過電流検出部３による損失をゼロにすることができる。一方、出力電流Ｉｏが０．６７［Ａ］よりも大きい場合、すなわち、過電流の兆候がある場合は、短絡が解除されるとともに、過電流検出部３への電力供給がなされるので、過電流検出用抵抗Ｒ２の電圧降下に基づいて精度よく過電流を検出することができる。

以上、本発明に係る過電流検出装置の実施例について説明したが、本発明の構成は上記実施例に限定されない。

例えば、上記実施例では、電源ライン６に兆候検出用抵抗Ｒ１および過電流検出用抵抗Ｒ２を介装したが、いずれか一方または両方を電源ライン５に介装してもよい。

また、過電流検出部３のオペアンプＯＰ２およびツェナダイオードＺＤ２による損失が微小である場合は、トランジスタＱ１およびＱ２を省略し、オペアンプＯＰ２およびツェナダイオードＺＤ２に常に電力が供給されるようにしてもよい。

また、上記兆候検出用抵抗Ｒ１および過電流検出用抵抗Ｒ２の抵抗値、ツェナダイオードＺＤ１およびツェナダイオードＺＤ２の降伏電圧、出力電流Ｉｏの電流値（閾値）はいずれも一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。なお、上記抵抗値および／または降伏電圧にバラツキが発生し得る場合や、オペアンプＯＰ１および／またはオペアンプＯＰ２に入力オフセットが発生し得る場合は、これらを考慮して兆候検出用抵抗Ｒ１および過電流検出用抵抗Ｒ２の抵抗値等を決定すればよい。

１ 過電流検出装置
２ 兆候検出部
３ 過電流検出部
４ ラッチ部
５、６ 電源ライン
Ｅ 直流電源
Ｌ 負荷
ＯＰ１、ＯＰ２ オペアンプ
Ｑ１、Ｑ２ トランジスタ
Ｒ１ 兆候検出用抵抗
Ｒ２ 過電流検出用抵抗
ＲＹ リレー回路
ＺＤ１、ＺＤ２ ツェナダイオード

Claims (4)

1. 直流電源と負荷とを繋ぐ電源ラインに介装され、前記電源ラインを流れる電流に比例した電圧降下を生じさせる過電流検出用抵抗と、前記過電流検出用抵抗による電圧降下に基づいて前記電流が過電流であるか否かを判定する過電流判定部とを備えた過電流検出装置において、
   前記過電流検出用抵抗を短絡させ得る短絡手段と、
   前記電源ラインに介装され、前記電流に比例した電圧降下を生じさせる兆候検出用抵抗と、
   前記兆候検出用抵抗による電圧降下に基づいて前記短絡手段を制御する短絡制御部と、をさらに備え、
   前記兆候検出用抵抗の抵抗値は、前記過電流検出用抵抗の抵抗値よりも小さく、
   前記短絡制御部は、前記兆候検出用抵抗による電圧降下が所定の閾値以下の場合に限り、前記短絡手段によって前記過電流検出用抵抗を短絡させ、前記電流が前記過電流検出用抵抗に流れないようにする
   ことを特徴とする過電流検出装置。
2. 前記過電流判定部への電力供給を遮断し得る電力遮断手段をさらに備え、
   前記短絡制御部は、前記兆候検出用抵抗による電圧降下が所定の閾値以下の場合に限り、前記電力遮断手段によって前記過電流判定部への電力供給を遮断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の過電流検出装置。
3. 前記短絡制御部は、ツェナダイオードの降伏電圧により設定された前記所定の閾値と前記兆候検出用抵抗による電圧降下の大小関係を比較するオペアンプを有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の過電流検出装置。
4. 前記短絡手段は、前記過電流検出用抵抗に並列接続されたリレー回路である
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の過電流検出装置。

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