JP6067443B2 - Power protection circuit - Google Patents
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Description
本発明は、電源保護回路に関する。 The present invention relates to a power supply protection circuit.
AC/DCコンバータやバッテリーなどの直流電源からの電力が供給される電子機器では、直流電源のプラス側が電子機器のマイナス側に接続され、直流電源のマイナス側が電子機器のプラス側に接続されたとき(電源逆接続時)の電子機器の故障防止として、逆接防止用ダイオードが広く用いられてきた。ただし、ダイオードには順方向の電圧降下が存在するため、大電流を必要とする電子機器においてはこの電圧降下分の電圧と逆接防止用ダイオードに流れる電流との積であらわされるダイオードの消費電力が電子機器全体の消費電力に対し大きくなり、電力効率が低くなることがある。 In an electronic device that is supplied with power from a DC power source such as an AC / DC converter or a battery, when the positive side of the DC power source is connected to the negative side of the electronic device and the negative side of the DC power source is connected to the positive side of the electronic device A diode for preventing reverse connection has been widely used to prevent failure of electronic equipment (during reverse power connection). However, since a forward voltage drop exists in the diode, in an electronic device that requires a large current, the power consumption of the diode, which is the product of the voltage corresponding to the voltage drop and the current flowing in the reverse connection prevention diode, is low. This may increase the power consumption of the entire electronic device and reduce power efficiency.
また、直流電源から電子機器までの電力供給用の配線が長い場合や、電子機器での消費電力の時間変化が大きい場合、電子機器に印加されている直流電圧の振れが無視できないほど大きくなるため、平滑用コンデンサが用いられることがある。この平滑用コンデンサに電荷が無い状態で電源が投入された場合、平滑用コンデンサを充電するため瞬間的に大きな電流(以下「突入電流」)が流れて平滑用コンデンサが故障する場合や、異常に高い電流が流れた際に入力電流を遮断するヒューズが溶断したりする場合があり、突入電流を抑える必要がある。 Also, if the power supply wiring from the DC power supply to the electronic device is long, or if the time change of the power consumption in the electronic device is large, the fluctuation of the DC voltage applied to the electronic device will become so large that it cannot be ignored. A smoothing capacitor may be used. When the power is turned on with no electric charge in the smoothing capacitor, a large current (hereinafter referred to as “rush current”) flows instantaneously to charge the smoothing capacitor. When a high current flows, the fuse that cuts off the input current may be blown, and it is necessary to suppress the inrush current.
例えば従来技術では、電源逆接続時の機器の故障防止のため、電圧降下の低い電磁接続器を用いた装置が提案されている(下記特許文献1参照)。 For example, in the prior art, an apparatus using an electromagnetic connector with a low voltage drop has been proposed in order to prevent a failure of a device when a power supply is reversely connected (see Patent Document 1 below).
しかしながら、上記特許文献1に示される従来技術では、電磁接続器が機械接点を開閉させるように構成されているため、接点寿命が短い場合が多く、また回路構成が大型化する傾向にあるという課題があった。 However, in the prior art disclosed in Patent Document 1, since the electromagnetic connector is configured to open and close the mechanical contact, the contact life is often short, and the circuit configuration tends to increase in size. was there.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直流電源逆接続時の保護と直流電源投入時の突入電流の抑制とを行いながら回路の小型化を図ることができる電源保護回路を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and obtains a power supply protection circuit capable of downsizing a circuit while performing protection when a DC power supply is reversely connected and suppressing inrush current when the DC power supply is turned on. For the purpose.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、一端が直流電源のプラス側端子に接続されるコンデンサと、一端が前記直流電源のマイナス側端子を介さずに前記コンデンサの他端に接続され、他端が前記マイナス側端子に接続される抵抗と、前記抵抗に並列に接続される第1のMOSFETと、前記直流電源のマイナス側端子と前記抵抗との間に接続される第2のMOSFETと、前記直流電源からの電力の供給を受けて前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとをON/OFF制御する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、駆動制御部の起動から所定時間が経過するまで前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとをOFF状態にさせ、前記所定時間が経過した後には前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとをON状態にさせるON信号を前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとに送信することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention includes a capacitor having one end connected to the positive side terminal of the DC power source and the other end of the capacitor without passing through the negative side terminal of the DC power source. A resistor connected to one end, the other end connected to the minus terminal, a first MOSFET connected in parallel to the resistor, and the minus terminal of the DC power source and the resistor. A second MOSFET; and a drive control unit that receives power from the DC power supply and controls ON / OFF of the first MOSFET and the second MOSFET. The first MOSFET and the second MOSFET are turned off until a predetermined time has elapsed from the activation of the control unit, and after the predetermined time has elapsed, the first MOSFET and the second MOSFET The ON signal for the second MOSFET to the ON state and transmits to said second MOSFET and said first MOSFET.
この発明によれば、逆接続時の回路保護に半導体スイッチのMOSFETを用いるようにしたので、直流電源逆接続時の保護と直流電源投入時の突入電流の抑制とを行いながら回路の小型化を図ることができる、という効果を奏する。 According to the present invention, since the MOSFET of the semiconductor switch is used for circuit protection at the time of reverse connection, the circuit can be reduced in size while performing protection at the time of reverse connection of the DC power supply and suppressing the inrush current when the DC power supply is turned on. There is an effect that it can be achieved.
以下に、本発明に係る電源保護回路の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a power protection circuit according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電源保護回路の構成図である。図2は、外部スイッチがOFF状態からON状態となったときに流れる電流の経路を示す図である。図3は、本発明の実施の形態1に係る電源保護回路の動作を示す時系列チャートである。図4は、突入電流抑制用のMOSFETと電源逆接続保護用のMOSFETとがONされたときに流れる電流の経路を示す図である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram of a power protection circuit according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating a path of a current that flows when the external switch changes from the OFF state to the ON state. FIG. 3 is a time-series chart showing the operation of the power protection circuit according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 4 is a diagram illustrating a path of a current that flows when the inrush current suppression MOSFET and the power supply reverse connection protection MOSFET are turned on.
図1に示される電源保護回路20は、主たる構成として、直流電源1からの直流電圧を平滑し負荷側回路11への入力電圧の変動を抑制するコンデンサ3と、直流電源投入時の突入電流を抑制する抵抗4と、抵抗4に並列に接続される突入電流抑制用のMOSFET5と、直流電源1を逆接続した際の逆電流をカットしてDC/DCコンバータ回路10を保護するためのMOSFET6と、MOSFET5およびMOSFET6をON/OFF制御する駆動回路8と、駆動回路8を動作させる制御信号を出力する制御回路9と、駆動回路8および制御回路9への電源供給を行うDC/DCコンバータ10とを有して構成されている。駆動回路8、制御回路9およびDC/DCコンバータ10は、直流電源1からの電力の供給を受けてMOSFET5とMOSFET6とをON/OFF制御する駆動制御部21を構成する。
The power
図示例のMOSFET5およびMOSFET6は、一例としてnチャネル型のMOSFETである。MOSFET5のドレイン・ソース間に寄生しているボディダイオード5aは、アノードがソースに接続され、カソードがドレインに接続されている。またMOSFET6のドレイン・ソース間に寄生しているボディダイオード6aは、アノードがソースに接続され、カソードがドレインに接続されている。
The illustrated
直流電源1の入力プラス端子とコンデンサ3との間には外部スイッチ2が設けられ、コンデンサ3は、一端が外部スイッチ2を介して直流電源1の入力プラス端子に接続可能に設けられ、他端がMOSFET5のドレインと抵抗4との接続端に接続される。
An
MOSFET6は、ソースがMOSFET5のソースと抵抗4との接続端に接続され、ドレインが直流電源1の入力マイナス端子に接続される。駆動回路8および制御回路9にはDC/DCコンバータ10からの電源が供給され、MOSFET5およびMOSFET6のゲートには駆動回路8からの制御信号が入力される。
MOSFET 6 has a source connected to the connection end of the source of
以下、動作を説明する。図1に示されるように外部スイッチ2がOFF状態のとき、コンデンサ3には充分な電荷が充電されていない。また、外部スイッチ2がOFF状態のとき、DC/DCコンバータ10には直流電源1からの電力が供給されないため、駆動回路8および制御回路9が動作せずMOSFET5およびMOSFET6がOFF状態である。
The operation will be described below. As shown in FIG. 1, when the
電源保護回路20が直流電源1に正常に接続された場合(逆接続されていない場合)において、外部スイッチ2がONされたとき、図2に示されるように、直流電源1からの電力がDC/DCコンバータ10に供給されると共に、コンデンサ3に充電される電流(すなわち突入電流)が外部スイッチ2、コンデンサ3、抵抗4、MOSFET6のボディダイオード6a、および直流電源1の順で流れる。
When the power
図2には、コンデンサ3に充電される電流の経路I1aとDC/DCコンバータ10へ電力を供給する電流の経路I2aとが示されている。図示例ではMOSFET5およびMOSFET6はOFF状態にあるため、コンデンサ3に充電される電流は抵抗4を流れることにより、その大きさが抑制される。すなわち、コンデンサ3に電荷がたまっていない状態で電源投入されたときの突入電流の大きさが抑えられる。
FIG. 2 shows a current path I1a charged in the capacitor 3 and a current path I2a for supplying power to the DC /
次に図3を用いて外部スイッチ2がONされたときの動作を説明する。外部スイッチ2がONされたとき(時刻t1)、コンデンサ3には突入電流(電流I3)が流れ、コンデンサ3が充電されることによりコンデンサ3の両端電圧V3が経時的に上昇する。DC/DCコンバータ10は、コンデンサ3への充電が開始されたとき(時刻t1)からコンデンサ3が充分に充電されるまでの間(例えば図示例の時刻t2の時点)で起動し、駆動回路8および制御回路9にはDC/DCコンバータ10からの電力が供給される。
Next, the operation when the
DC/DCコンバータ10から供給された電力により制御回路9が起動したとき、制御回路9は、例えばDC/DCコンバータ10が起動した時点(時刻t2)からコンデンサ3が充分に充電される時間が経過したとき(時刻t3)、駆動回路8に対してON信号を送信する。
When the
コンデンサ3が充分に充電される時間は、例えばコンデンサ3の容量と抵抗4の値との積で求められる時定数と等しく、制御回路9にはこの時定数がON信号を送信する時間Tとして設定されている。時間Tが経過したときに制御回路9から出力されるON信号が駆動回路8で受信されたとき、MOSFET5およびMOSFET6がONになる。なお、制御回路9に設定される時間Tはコンデンサ3の容量と抵抗4の値との積で求められる時定数に限定されるものではなく、時定数より長い時間であってもよい。
The time for which the capacitor 3 is sufficiently charged is equal to, for example, the time constant obtained by the product of the capacitance of the capacitor 3 and the value of the
図4には、制御回路9からのON信号によりMOSFET5およびMOSFET6がON状態になった際、コンデンサ3から放電される電流の経路I1bが示されている。MOSFET5およびMOSFET6がON状態であるため、コンデンサ3から放電された電流は、コンデンサ3、MOSFET5、MOSFET6、および直流電源1の順で流れる。すなわち、コンデンサ3から放電された電流は、抵抗4とMOSFET6のボディダイオード6aとに流れないため、無駄な電力損失が生じることがない。
FIG. 4 shows a path I1b of a current discharged from the capacitor 3 when the
次に、電源保護回路20に直流電源1が逆接続された場合(電源逆接続時)の動作を説明する。図1に示されるように外部スイッチ2がOFF状態のときに電源逆接続が行われ、その後に外部スイッチ2がONされた場合、MOSFET6のボディダイオード6aは、電源電流が流れる方向に対して逆極性に接続される。従って、DC/DCコンバータ10や負荷側回路11への電流通過を防止することができる。
Next, the operation when the DC power supply 1 is reversely connected to the power supply protection circuit 20 (when the power supply is reversely connected) will be described. As shown in FIG. 1, when the
以上に説明したように本実施の形態に係る電源保護回路20は、直流電源1のプラス側端子に接続されるコンデンサ3と、コンデンサ3に直列に接続される抵抗4と、抵抗4に並列に接続される第1のMOSFET(MOSFET5)と、直流電源1のマイナス側端子と抵抗4との間に接続される第2のMOSFET(MOSFET6)と、直流電源1からの電力の供給を受けて第1のMOSFETと第2のMOSFETとをON/OFF制御する駆動制御部21(DC/DCコンバータ10、制御回路9、および駆動回路8)とを備え、駆動制御部21は、駆動制御部21の起動から所定時間が経過するまで第1のMOSFETと第2のMOSFETとをOFF状態にさせ、所定時間が経過した後には第1のMOSFETと第2のMOSFETとをON状態にさせるように構成されている。この構成により、電磁接続器によって機械接点を開閉させるような機構を用いなくても簡易な回路構成で突入電流の抑制と電源逆接続時の回路保護とを同時に実現することができる。また逆接続時の回路保護に従来のダイオードではなく半導体スイッチのMOSFET6を用いることによって、回路の小型化を図ることができ、回路寿命を格段に延ばすことができ、さらには定常時の電力損失を抑えることができる。
As described above, the power
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2に係る電源保護回路の構成図である。実施の形態1と異なる点は、コンデンサ3に抵抗分割回路7が平行に接続されている点である。以下、実施の形態1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
FIG. 5 is a configuration diagram of a power protection circuit according to
抵抗分割回路7はコンデンサ3の両端電圧V3を分圧し、分圧された電圧値はコンデンサ3の充電電圧値7aとして制御回路9に入力される。この充電電圧値7aにより制御回路9ではコンデンサ3の充電電圧が検出され、制御回路9はコンデンサ3の充電電圧に応じた任意のタイミングで駆動回路8へのON信号を生成して出力する。具体的に説明すると、制御回路9には予め所定の電圧値が設定されており、この所定の電圧値は、例えばDC/DCコンバータ10が動作し続けることができる電圧の下限値で規定される。制御回路9は、抵抗分割回路7で検出されたコンデンサ3の充電電圧値7aが所定の電圧値を超えるまで駆動回路8に対するON信号を送信せず、充電電圧値7aの値が所定の電圧値を超えたときにON信号を送信する。実施の形態2に係る制御回路9はこのように構成されているため、駆動回路8に対してON信号を送信するための時間Tを設定する必要がない。
The
また、実施の形態2の構成では抵抗分割回路7によってコンデンサ3の充電電圧を検出することができるため、例えば外部スイッチ2がON状態のときに何らかの要因によって外部スイッチ2が短時間だけOFF状態となり再びON状態に戻るような動作をした場合でも、突入電流の大きさを抑えることができる。すなわち、ON状態の外部スイッチ2が短時間だけOFF状態となったときには充電電圧値7aが低下し、充電電圧値7aの値が予め制御回路9に設定された所定の電圧値を下回ったとき、制御回路9は駆動回路8に対するON信号の送信を停止する。その後、再び外部スイッチ2がON状態に戻った際、制御回路9では充電電圧値7aの値が所定の電圧値を超えるまでON信号が送信されないため、外部スイッチ2がON状態になったときの突入電流が抵抗4によって抑制される。
Further, in the configuration of the second embodiment, since the charging voltage of the capacitor 3 can be detected by the
そして、充電電圧値7aの値が所定の電圧値を超えたとき、制御回路9から駆動回路8にはON信号が送信される。
When the charging
以上に説明したように本実施の形態に係る電源保護回路20は、コンデンサ3に平行に接続されコンデンサ3に印加される電圧の値(充電電圧値7a)を検出する電圧検出部(抵抗分割回路7)を備え、駆動制御部21は、電圧検出部で検出された電圧の値が所定の電圧値を超えるまでMOSFET5とMOSFET6とをOFF状態にさせ、電圧の値が所定の電圧値を超えた後にはMOSFET5とMOSFET6とをON状態にさせるように構成されている。この構成により、実施の形態1の効果に加えて、何らかの要因で外部スイッチ2が短時間だけON/OFFを繰り返す動作をした場合でも、突入電流の大きさを抑えることができる。
As described above, the power
実施の形態3.
図6は、本発明の実施の形態3に係る電源保護回路の構成図である。実施の形態2と異なる点は、制御回路9がコンデンサ3の寿命による容量低下を検知してコンデンサ3の寿命をユーザに知らせるための信号9aを出力するように構成されている点である。以下、実施の形態2と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 6 is a configuration diagram of a power protection circuit according to Embodiment 3 of the present invention. The difference from the second embodiment is that the
コンデンサ3が充電されていない状態で外部スイッチ2がONされた場合、DC/DCコンバータ10が起動した後に制御回路9が起動する。実施の形態3に係る制御回路9は、制御回路9が起動してから充電電圧値7aが所定の電圧値を下回るまでの時間が計測され、この計測時間と予め制御回路9に設定された所定の時間とが比較される。所定の時間は例えばコンデンサ3の寿命時間で規定される。この比較の結果、計測時間が所定の時間よりも長い場合、制御回路9ではコンデンサ3の寿命による容量低下が検知され、制御回路9はコンデンサ3の寿命をユーザに知らせるための信号9aを出力する。信号9aは例えば電源保護回路20の外部に設けられた表示装置(図示せず)に送信され、信号9aを受信した表示装置では例えばコンデンサ3の寿命が近づいたことを促す警告メッセージの表示が行われる。
When the
以上に説明したように本実施の形態に係る電源保護回路20では、駆動制御部21が抵抗分割回路7で検出された充電電圧値7aに基づいてコンデンサ3の容量低下を検知し、コンデンサ3の容量低下を報知する信号(情報表示信号9a)を生成して出力するように構成されている。この構成により、実施の形態2の効果に加えて、ユーザはコンデンサ3の寿命が近づいたことを知ることができ、コンデンサ3を交換することにより電源保護回路20の正常な動作を維持させることができる。
As described above, in the power
なお、実施の形態1から3に係る電源保護回路20で用いられるMOSFET5およびMOSFET6の少なくとも一方は、GaN(窒化ガリウム)、SiC(シリコンカーバイド)、またはダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体で構成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、Si(ケイ素)半導体に比べて、耐熱温度、絶縁破壊強度、熱伝導率などが大きく、また、電流二乗時間積で表される短絡耐量がSi半導体より低い。従って、MOSFET5およびMOSFET6の少なくとも一方にワイドバンドギャップ半導体を採用することにより、突入電流のピークを抑えることができ、短絡耐量の制約を受けることなく、低ON抵抗の電源保護回路20を実現することができる。
Note that at least one of the
また、本発明の実施の形態は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。 Further, the embodiment of the present invention shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and a part thereof is not deviated from the gist of the present invention. Of course, it is possible to change the configuration such as omission.
以上のように、本発明は、電源保護回路に適用可能であり、特に、直流電源逆接続時の保護と直流電源投入時の突入電流の抑制とを行いながら回路の小型化を図ることができる発明として有用である。 As described above, the present invention can be applied to a power supply protection circuit, and in particular, it is possible to reduce the size of the circuit while performing protection when the DC power supply is reversely connected and suppressing inrush current when the DC power supply is turned on. It is useful as an invention.
1 直流電源、2 外部スイッチ、3 コンデンサ、4 抵抗、5,6 MOSFET、5a,6a ボディダイオード、7 抵抗分割回路、7a 充電電圧値、8 駆動回路、9 制御回路、9a 信号、10 DC/DCコンバータ、11 負荷側回路、20 電源保護回路、21 駆動制御部。
1 DC power supply, 2 external switch, 3 capacitor, 4 resistor, 5 and 6 MOSFET, 5a and 6a body diode, 7 resistance dividing circuit, 7a charge voltage value, 8 drive circuit, 9 control circuit, 9a signal, 10 DC / DC Converter, 11 load side circuit, 20 power protection circuit, 21 drive control unit.
Claims (5)
一端が前記直流電源のマイナス側端子を介さずに前記コンデンサの他端に接続され、他端が前記マイナス側端子に接続される抵抗と、
前記抵抗に並列に接続される第1のMOSFETと、
前記直流電源のマイナス側端子と前記抵抗との間に接続される第2のMOSFETと、
前記直流電源からの電力の供給を受けて前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとをON/OFF制御する駆動制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、駆動制御部の起動から所定時間が経過するまで前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとをOFF状態にさせ、前記所定時間が経過した後には前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとをON状態にさせるON信号を前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとに送信することを特徴とする電源保護回路。 A capacitor having one end connected to the positive terminal of the DC power supply;
One end is connected to the other end of the capacitor without going through the negative terminal of the DC power supply, and the other end is connected to the negative terminal,
A first MOSFET connected in parallel to the resistor;
A second MOSFET connected between the negative terminal of the DC power source and the resistor;
A drive control unit that performs ON / OFF control of the first MOSFET and the second MOSFET in response to power supply from the DC power supply;
With
The drive control unit turns off the first MOSFET and the second MOSFET until a predetermined time elapses from activation of the drive control unit, and after the predetermined time elapses, A power supply protection circuit , wherein an ON signal for turning on the second MOSFET is transmitted to the first MOSFET and the second MOSFET .
一端が前記直流電源のマイナス側端子を介さずに前記コンデンサの他端に接続され、他端が前記マイナス側端子に接続される抵抗と、
前記抵抗に並列に接続される第1のMOSFETと、
前記直流電源のマイナス側端子と前記抵抗との間に接続される第2のMOSFETと、
前記直流電源からの電力の供給を受けて前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとをON/OFF制御する駆動制御部と、
前記コンデンサに平行に接続されコンデンサに印加される電圧の値を検出する電圧検出部と、
を備え、
前記駆動制御部は、前記電圧検出部で検出された電圧の値が所定の電圧値を超えるまで前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとをOFF状態にさせ、前記電圧の値が所定の電圧値を超えた後には前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとをON状態にさせるON信号を前記第1のMOSFETと前記第2のMOSFETとに送信することを特徴とする電源保護回路。 A capacitor having one end connected to the positive terminal of the DC power supply;
One end is connected to the other end of the capacitor without going through the negative terminal of the DC power supply, and the other end is connected to the negative terminal,
A first MOSFET connected in parallel to the resistor;
A second MOSFET connected between the negative terminal of the DC power source and the resistor;
A drive control unit that performs ON / OFF control of the first MOSFET and the second MOSFET in response to power supply from the DC power supply;
A voltage detector connected in parallel to the capacitor to detect the value of the voltage applied to the capacitor;
With
The drive control unit turns off the first MOSFET and the second MOSFET until the voltage value detected by the voltage detection unit exceeds a predetermined voltage value, and the voltage value is a predetermined value. After the voltage value is exceeded, an ON signal for turning on the first MOSFET and the second MOSFET is transmitted to the first MOSFET and the second MOSFET. .
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