JP6562237B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に過負荷保護動作時の再起動に関するものである。

スイッチング電源装置は、負荷が短絡などにより過負荷状態になると、出力に過大な電流が流れることを防止し、また部品を破損から保護するため、過負荷保護回路を設けるのが一般的である。

過負荷保護回路は、出力電流が所定値を超えたら、スイッチング電源の動作を停止させ停止状態を保持することで、出力に過大な電流が流れることを防ぎ、部品を破損から保護する。負荷の短絡などは原因を取り除かないと復旧しないことが多いので、停止状態を保持するとで安全にスイッチング電源および負荷を保護する。しかし、負荷の急変時などでも、瞬時であるが過負荷状態になることがある。このとき停止状態を保持すると、復帰させるためには手動によるリセットが必要になる。

このため、特許文献１は、過負荷により非常停止したら、所定の時間経過後に自動的に再起動させる自動再起動機能を組み込んだ安定化電源装置を提案している。図５に特許文献１の回路構成図を示す。起動時に入力電圧で充電されるキャパシタ１２０の電圧を制御電源電圧とする安定化電源を使用し、制御電源電圧が所定しきい値に達したとき制御系に安定化電源の出力動作を開始させる起動回路１３０と、安定化電源の過負荷状態を検出する過負荷検出回路１４０と、過負荷検出時にキャパシタ１２０を放電させて制御電源電圧を一旦低下させた後に所定速度で回復させる電圧制御回路１５０とを設け、過負荷になると出力動作を停止させ、キャパシタ１２０を放電させて制御電源電圧を一旦は低下させる。その後、起動回路１３０を利用してこの制御電源電圧がそのしきい値まで所定速度で回復回復したとき安定化電源の出力動作を再開させる。これにより過負荷保護回路に安定化電源の自動再起動機能を賦与する。

特許文献１は、キャパシタ充電用の抵抗１２１によって制御電源電圧がしきい値まで回復するあいだ出力動作が停止する。このため、スイッチング動作が停止している時間はあらかじめ設定された固定時間となる。このスイッチング動作が停止している時間が短いと、自動的に再起動するとき部品が十分に冷却される前に出力動作を開始するので部品が過熱することがある。これを避けるため停止時間を長くすると、起動時の起動時間が長くなる。また、過負荷状態が終了してから正常な動作に復帰するまでの時間が長くなり応答性を低下させる。

特開平７−２８５３２号公報

本発明は、スイッチング電源装置において、起動時間を長くすることなく、過負荷状態が解除させたときの正常動作への復帰を迅速に安全に行う事を目的とする。

この目的を達成するため、スイッチ素子をオンオフすることで第１の直流電圧を第２の
直流電圧にトランスを介して変換するスイッチング電源装置において、
前記スイッチ素子を第２の直流電圧に応じてオンオフする電源ＩＣを備え、
前記電源ＩＣは、Ｖｃｃ端子と、起動回路と、起動制御回路と、過負荷保護回路と、遅
延回路と、の内部回路を有し、
前記Ｖｃｃ端子に、外部のコンデンサが接続され、
前記起動回路は、スイッチング電源装置の起動時に前記第１の直流電圧から、前記コン
デンサを定電流で充電し、
さらに前記コンデンサは、定常時には、前記トランスの制御巻線からダイオードを介し
て、第１の電圧より低い第２の電圧以上の電圧で充電され、
前記スイッチ素子に流れる電流が所定の値以上になると、
前記過負荷保護回路は、過負荷状態であることを記憶し、かつ過負荷状態であることを
記憶している期間は前記スイッチ素子のオンオフを停止させ、
前記電源ＩＣの前記Ｖｃｃ端子の電圧が第２の電圧以下になると、前記起動回路から前
記コンデンサが充電され、
前記電源ＩＣの前記Ｖｃｃ端子の電圧が上昇し、前記第1の電圧になると前記起動回路
からの前記コンデンサの充電を停止するとともに前記遅延回路を動作させ、
前記遅延回路は動作してから所定の遅延時間経過後に、前記過負荷保護回路が記憶した
過負荷状態をリセットさせることを特徴とする。

また、前記制御回路は、カウンタと、前記カウンタからの出力信号に応じて前記所定の
遅延時間を延長できる遅延回路を有し、前記過負荷保護回路は過負荷状態になると、過負
荷状態であることを記憶すると共に、過負荷保持信号を前記カウンタへ出力し、前記カウ
ンタは前記過負荷保持信号を計数し、計数した値に応じて前記遅延回路の前記遅延時間を
延長する。
また、前記過負荷保護回路は、前記過負荷保持信号の回数を計数した値が所定値を超え
ると、前記遅延回路の延長された前記遅延時間をこれ以上増加しない、あるいは、過負荷
状態のリセットをしない。

本発明のスイッチング電源回路は、過負荷保護回路が過負荷状態を検出し、これを記憶するとともにスイッチ素子のオンオフ動作を停止する。スイッチ素子のオンオフ動作が停止すると制御電源の電圧が低下し第２の電圧になると再起動するが、このとき、過負荷保護回路が記憶した過負荷状態を所定の遅延時間経過後にリセットするので、起動時間が遅延される。過負荷状態を検出しないときの通常の起動では、起動時間が延長されないので早く起動し、過負荷状態が継続しているときは起動時間を延長するので、過負荷時に十分な停止期間を確保できる。また、過負荷状態をカウントし、その回数に応じて遅延時間を延長する。過負荷状態が早く解除された場合は、遅延時間の延長が少ないので早く通常状態に復帰できる。

図１は本発明の実施例１を示す回路構成図である。 図２は本発明の実施例１の動作波形を示すタイムチャート図である。 図３は本発明の実施例２を示す回路構成図である。 図４は本発明の実施例３を示す回路構成図である。 図５は従来例の回路構成図である。

本発明の実施例１のスイッチング電源装置を図１に示す。直流電源Ｅのプラス側とトラ
ンスＴの一次巻線Ｎｐは直列に接続され、トランスＴの一次巻線Ｎｐの他端は電源ＩＣ１
のＤ端子に接続される。電源ＩＣ１のＳ端子は直流電源Ｅのマイナス側に接続される。ト
ランスＴの２次巻線Ｎｓと整流ダイオードＤｏおよび平滑コンデンサＣｏが直列に接続さ
れる。平滑コンデンサＣｏの両端には直流電源Ｅの電圧を変換した出力電圧が生成され負
荷に供給する。電源ＩＣ１のＤ端子はスイッチング素子ＦＥＴ１のドレインに接続され、
Ｓ端子はスイッチング素子ＦＥＴ１の電流を検出する電流検出回路８を介してスイッチン
グ素子ＦＥＴ１のソースに接続される。

電源ＩＣ１は、ＳｔａｒｔＵｐ端子、Ｖｃｃ端子を備える。ＳｔａｒｔＵｐ端子とＶｃｃ端子間には、抵抗Ｒ１、ＦＥＴＱ１、ダイオードＤ１からなる定電流回路と、定電流回路の動作および非動作を制御するスイッチＱ２からなる起動回路２が接続される。起動回路２は起動時Ｖｃｃ端子に接続された制御電源コンデンサＣｃｃを定電流で充電する。また、Ｖｃｃ端子にはトランスＴの補助巻線ＮｃをダイオードＤｃを介して接続する。

Ｖｃｃ端子には、Ｖｃｃ端子電圧を監視して、第１の閾値Ｖｔｈ１を超えるとＶｏｋ信号を出力し、第１の閾値より小さい第２の閾値Ｖｔｈ２以下になるとＶｏｋ信号を出力しないコンパレータＣｏｍｐ１を電源ＩＣ１の内部に備える。過負荷検出回路６からのＯＬＰ信号でセットされＯＬＰ信号を保持し、Ｖｏｋ信号が停止するとリセットされるフリップフロップＦＦ１を備える。フリップフロップＦＦ１の出力は起動回路２のスイッチＱ２のゲートに入力され、起動回路２の起動および停止を制御する。また、Ｖｏｋ信号が出力されたいときは起動回路２、起動制御回路３、過負荷保護回路４以外は電源の供給を停止し動作しない。

電源ＩＣ１は、また、電流検出回路８からの電流信号が所定値以上になると、過負荷信号ＯＬＰを出力する過負荷検出回路６と、過負荷信号ＯＬＰを保持し、過負荷保持信号ＯＬＰ−Ｌを出力するフリップフロップＦＦ２とからなる過負荷保護回路４を備える。さらに、出力電圧を検出し基準電圧と比較しその差電圧を出力する電圧検出回路１０、電圧検出回路からの差電圧と電流検出回路からのスイッチング素子ＦＥＴ１の電流に基づいて電圧制御信号を出力する電圧制御回路、および電圧制御信号に応じてデューティを調整したパルスを出力しスイッチング素子のオンオフを制御する発振回路７を備える。

また、過負荷保護回路４はフリップフロップＦＦ１の出力ＱがローでありＶｏｋ信号がハイの時ワンショット回路を起動しフリップフロップＦＦ２をリセットする。過負荷保護回路４はさらにアンド回路ＡＮＤ１を備える。アンド回路ＡＮＤ１はＶｏｋ信号が出力され過負荷保持信号ＯＬＰ-Ｌが出力されていないとき発振回路７を動作させる。

このように構成された実施例１のスイッチング電装置は以下のように動作する。
図１を用いて定常時の動作を説明する。定常時は、制御巻線Ｎｃに発生する電圧でＶｃ
ｃ端子は第２の閾値Ｖｔｈ２以上の電圧が供給されるので、コンパレータＣｏｍｐ１の出
力はハイとなり、それぞれの回路には電源が供給される。定常時は過負荷検出回路６から
の信号ＯＬＰは出力されないので、フリップフロップＦＦ１の出力Ｑはローとなりノット
回路ＩＮＶ１はハイを出力するので、アンド回路ＡＮＤ１の出力はハイになり発振回路７
は発振を継続する。スイッチング電源装置の出力電圧に接続されたＶｓ端子から電圧検出
回路１０で出力電圧と基準電圧を比較しその差電圧を電圧制御回路９へ出力する。電圧制
御回路９は、差電圧と電流検出回路８で検出されたスイッチング素子ＦＥＴ１電流に基づ
いて電圧制御信号を生成する。電圧制御信号は発振回路７へ送られ、発振回路７では電圧
制御信号に応じたパルスを生成し、スイッチング素子ＦＥＴ１をオンオフ制御する。

過負荷検出回路６が過負荷を検出すると間欠動作モードになる。間欠動作モードの動作を図１及び図２を用いて説明する。なお、図２はスイッチング素子ＦＥＴ１の電流、過負荷信号ＯＬＰ、過負荷保持信号ＯＬＰ−Ｌ、発振回路７の動作を制御するアンド回路ＡＮＤ１の出力、Ｖｃｃ端子電圧を監視するコンパレータＣｏｍｐ１が出力する信号Ｖｏｋ、Ｖｃｃ端子の電圧であるＶｃｃ、起動制御回路３のフリップフロップＦＦ１の出力Ｑ、フリップフロップＦＦ１のリセット信号を生成するワンショットを制御するアンド回路ＡＮＤ２の出力、ワンショットの入力、ワンショットの出力を表す。

時刻ｔ１において電流検出回路８から出力されるスイッチング素子ＦＥＴ１の電流が所
定値を超えると過負荷検出回路６は時刻ｔ２にて過負荷信号ＯＬＰを出力する。期間ｔ１
からｔ２は、起動時に負荷に過大な電流が流れないにもかかわらずスイッチング素子に過
大な電流が流れるとき過負荷状態であると誤検出することを避けるため、図示しないソフ
トスタート回路が動作する時間より長く設定すると良い。過負荷信号ＯＬＰがフリップフ
ロップＦＦ２のセット端子Ｓに入力されると、フリップフロップＦＦ２はセットされ出力
Ｑがハイになり過負荷保持信号ＯＬＰ−Ｌが出力される。ノット回路ＩＮＶ３を介してア
ンド回路ＡＮＤ１にローが入力され、アンド回路ＡＮＤ１の出力はローになるので、発振
回路７は停止する。発振回路７が停止すると、スイッチング素子ＦＥＴ１はオンオフを停
止するので、制御巻線Ｎｃには電圧が発生せず、制御電源コンデンサＣｃｃは電源ＩＣ１
の内部で消費される電流によって放電し、Ｖｃｃ端子の電圧は低下する。また、フリップ
フロップＦＦ１のセット端子Ｓに過負荷信号ＯＬＰが入力され、フリップフロップＦＦ１
の出力Ｑはハイになる。フリップフロップＦＦ１の出力Ｑは起動回路２のスイッチＱ２に
接続されるので、起動回路２が動作し制御電源コンデンサＣｃｃに電流を流す。しかし、
起動回路２の電流は電源ＩＣ１の内部による消費電流より小さく設定するので、制御電源
コンデンサＣｃｃは充電されず、Ｖｃｃ端子の電圧が上昇することはない。

時刻ｔ３になると、Ｖｃｃ端子の電圧が第２の閾値Ｖｔｈ２以下となり、コンパレータＣｏｍｐ１の出力Ｖｏｋはローを出力する。このとき、起動回路２、起動制御回路３、過負荷保護回路４以外の回路は電源供給を遮断するので、電源ＩＣ１の内部回路による消費電流は起動回路２の電流より小さくなり、制御電源コンデンサＣｃｃは充電される。

Ｖｃｃ端子電圧が上昇し、時刻ｔ４にてＶｃｃ端子の電圧Ｖｃｃが第１の閾値Ｖｔｈ１になると、コンパレータＣｏｍｐ１の出力Ｖｏｋがローからハイに切り換わる。すると、電源ＩＣ１の内部回路は電源を供給され動作を開始する。また、コンパレータＣｏｍｐ１に接続されたフリップフロップＦＦ１のリセット端子Ｒに信号Ｖｏｋが入力されるので、フリップフロップＦＦ１はリセットされ出力Ｑはローになり、起動回路２は停止する。さらに、フリップフロップＦＦ１の出力Ｑに接続されたノット回路ＩＮＶ１がハイを出力するので、フリップフロップＦＦ１の出力ＱとコンパレータＣｏｍｐ１の出力が入力されるアンド回路ＡＮＤ２の出力はハイになり、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ１、ダイオードＤ２からなる遅延回路５が動作する。

遅延回路５は抵抗Ｒ３，コンデンサＣ１の時定数で決まる時間だけ信号を遅延させた後、時刻ｔ５においてワンショットに信号を出力する。このときワンショットは所定の時間パルスを出力する。ワンショットの出力はフリップフロップＦＦ２のリセット端子Ｒに接続されるので、フリップフロップＦＦ２はリセットされ出力ＱはローとなりＯＬＰ−Ｌは出力されない。すると、ノット回路ＩＮＶ３を介してアンド回路ＡＮＤ１の入力にはハイが入力される。アンド回路ＡＮＤ１の他方の入力はＶｏｋ信号が接続されるのでアンド回路ＡＮＤ１の出力はハイになり発振回路７が動作を開始し、スイッチング素子ＦＥＴ１は発振回路７の出力に基づいてオンオフする。

このとき、まだ負荷が過負荷状態のときは、電流検出回路８から出力されるスイッチング素子ＦＥＴ１の電流が所定値を超えるので過負荷保護回路４は時刻ｔ６にて再び過負荷信号ＯＬＰを出力する。以降ｔ２からの動作を繰り返し、電流検出回路８から出力されるスイッチング素子ＦＥＴ１の電流が所定値を超えなくなるまで継続する。

以上のように動作するので、本発明の実施例１では、負荷が過負荷状態が継続するときは再起動時の停止時間を遅延回路が生成する遅延時間だけ長く停止する。本発明は過負荷信号が保持されているときだけ停止時間を延長するので、通常の電源投入による起動では起動時間を延長することが無い。過負荷状態における停止時間を設定できるので、通常の電源投入による起動に影響を与えることなく、部品温度の上昇を抑制できる。
また、実施例１では、遅延回路に積分回路を使用したが、論理回路の応答遅れを等を利用した遅延回路であっても良い。

本発明の実施例２を図３に示す。実施例１に対して、フリップフロップＦＦ３およびＦＦ４で構成されるカウンタを追加し、過負荷保持信号ＯＬＰ−Ｌをカウントする。また、遅延回路５１は、遅延回路５のコンデンサＣ１の代わりに、スイッチＱ５１とコンデンサＣ５１とからなる直列回路とスイッチＱ５２とコンデンサＣ５２とからなる直列回路を追加し、フリップフロップＦＦ３の出力ＱでスイッチＱ５１をオンオフし、フリップフロップＦＦ４の出力ＱでスイッチＱ５２をオンオフする。

実施例２は、過負荷保持信号ＯＬＰ-Ｌが１回の場合はフリップフロップＦＦ３の出力Ｑはハイ、フリップフロップＦＦ４の出力Ｑはローを出力するので、スイッチＱ５１がオンしスイッチＱ５２がオフすることから、遅延時間は抵抗Ｒ３とコンデンサＣ１の時定数で決まる。同様に過負荷保持信号ＯＬＰ-Ｌが２回の場合はフリップフロップＦＦ３の出力Ｑはロー、フリップフロップＦＦ４の出力Ｑはハイを出力するので、遅延時間は抵抗Ｒ３とコンデンサＣ２の時定数で決まる。過負荷保持信号ＯＬＰ-Ｌが３回の場合はフリップフロップＦＦ３の出力Ｑはハイ、フリップフロップＦＦ４の出力Ｑはハイを出力するので、遅延時間は抵抗Ｒ３とコンデンサＣ１およびＣ２の時定数で決まる。コンデンサＣ２の容量をＣ１より大きくすれば、遅延回路５１の遅延時間は過負荷保持信号ＯＬＰ-Ｌが出力された回数に応じて遅延時間を延長できる。つまりスイッチング電源装置の再起動時の停止時間を再起動の回数に応じて延長することができる。

なお、図３に示す内部Ｒｅｇイニシャライズ回路は、スイッチング電源装置に直流電源Ｅが投入されたとき、電源ＩＣ１の内部回路を初期化するための回路であり、フリップフロップＦＦ３および４はこのときリセットされる。
実施例２は過負荷保持信号ＯＬＰ-Ｌが３回入力されるとフリップフロップＦＦ３およびＦＦ４の出力がハイになりナンド回路ＮＡＮＤ１の出力はローになり過負荷保持信号ＯＬＰ-Ｌが伝達されなくなるのでこれ以上遅延時間を延長することはない。また、実施例２は３回であるが、フリップフロップを追加しカウンタの出力数を増やし、スイッチＱ５１とコンデンサＣ５１とからなる直列回路と同様のスイッチとコンデンサの直列回路を増やすことで、遅延時間の延長回数を増やすことができる。
また、遅延回路にデジタルタイマー回路を使用し、カウンタの出力に基づいてタイマー回路の遅延時間を設定しても良い。

本発明の実施例３を図４に示す。実施例２に対して、フリップフロップＦＦ５を追加し、入力ＴをフリップフロップＦＦ４の出力Ｑに接続し、アンド回路ＡＮＤ２を３入力アンド回路ＡＮＤ５２とし、フリップフロップＦＦ５の反転出力をアンド回路ＡＮＤ５２の入力に接続した。
過負荷保持信号ＯＬＰ-Ｌが４回カウントされると、フリップフロップＦＦ４の反転出力がローになり、アンド回路ＡＮＤ５２の出力がローになり、ワンショットに信号が伝わらないので、フリップフロップＦＦ２はリセットされない。過負荷保持信号ＯＬＰ−Ｌがリセットされないので発振回路７は動作せず、スイッチング電源装置は停止する。
なお、図３に示す内部Ｒｅｇイニシャライズ回路は、スイッチング電源装置に直流電源Ｅが投入されたとき、電源ＩＣ１の内部回路を初期化するための回路であり、フリップフロップＦＦ３およびＦＦ４、ＦＦ５はこのときリセットされる。

スイッチング電源装置を安全に過負荷から保護する用途に適用できる。

１ 電源ＩＣ
２ 起動回路
３ 起動制御回路
４ 過負荷保護回路
５、５１ 遅延回路
６ 過負荷検出回路
７ 発振回路
８ 電流検出回路
９ 電圧制御回路
１０ 電圧検出回路
Ｅ 直流電源
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 抵抗
Ｃ１、Ｃ５１、Ｃ５２ コンデンサ
Ｃｏ、Ｃｃｃ コンデンサ
Ｔ トランス
Ｄ１、Ｄ２、Ｄｃ、Ｄｏ ダイオード
ＦＥＴ１ スイッチング素子
Ｑ１ ＦＥＴ
Ｑ２、Ｑ５１、Ｑ５２ スイッチ
ＡＮＤ１、ＡＮＤ２、ＡＮＤ５２ アンド回路
ＩＮＶ１、ＩＮＶ２ ノット回路
Ｃｏｍｐ１ コンパレータ
ＦＦ１、ＦＦ２、ＦＦ３、ＦＦ４、ＦＦ５ フリップフロップ

Claims (4)

1. スイッチ素子をオンオフすることで第１の直流電圧を第２の直流電圧にトランスを介し
   て変換するスイッチング電源装置において、
   前記スイッチ素子を第２の直流電圧に応じてオンオフする電源ＩＣを備え、
   前記電源ＩＣは、Ｖｃｃ端子と、起動回路と、起動制御回路と、過負荷保護回路と、遅
   延回路と、の内部回路を有し、
   前記Ｖｃｃ端子に、外部のコンデンサが接続され、
   前記起動回路は、スイッチング電源装置の起動時に前記第１の直流電圧から、前記コン
   デンサを定電流で充電し、
   さらに前記コンデンサは、定常時には、前記トランスの制御巻線からダイオードを介し
   て、第１の電圧より低い第２の電圧以上の電圧で充電され、
   前記スイッチ素子に流れる電流が所定の値以上になると、
   前記過負荷保護回路は、過負荷状態であることを記憶し、かつ過負荷状態であることを
   記憶している期間は前記スイッチ素子のオンオフを停止させ、
   前記電源ＩＣの前記Ｖｃｃ端子の電圧が第２の電圧以下になると、前記起動回路から前
   記コンデンサが充電され、
   前記電源ＩＣの前記Ｖｃｃ端子の電圧が上昇し、前記第1の電圧になると前記起動回路
   からの前記コンデンサの充電を停止するとともに前記遅延回路を動作させ、
   前記遅延回路は動作してから所定の遅延時間経過後に、前記過負荷保護回路が記憶した
   過負荷状態をリセットさせることを特徴とするスイッチング電源装置。
   
2. 前記過負荷保護回路は、さらに、前記過負荷状態を記憶した回数を計数し、計数した値
   に応じて前記遅延時間を延長することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装
   置。
   
3. 前記過負荷保護回路は、過負荷状態を記憶した回数を計数した値が所定値を超えると、
   前記遅延時間を延長しないことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
   
4. 前記過負荷保護回路は、過負荷状態を記憶した回数を計数した値が所定値を超えると、
   過負荷状態のリセットをしないことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置
   。
   

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