JPH0568189B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はスイツチングレギユレータに関し、特
にスイツチング素子にMOSFETを使用した自励
フライバツクコンバータの過電流検出回路に関す
るものである。

（従来の技術分野） スイツチング素子にMOSFETを使用した自励
フライバツクコンバータは、バイポーラのトラン
ジスタを使用したものに比べて、回路の動作マー
ジンが高く、制御信号も小電力で動作させること
ができるため、ハイブリツト化するなどして回路
構成を小型化しやすい。

第３図はスイツチング素子にMOSFETを使用
した従来の自励式スイツチングレギユレータを示
す回路図である。但し、説明を解りやすくするた
め、定電圧動作をさせるための出力電圧検出回路
等は省略している。

１は巻線１０１乃至１０３を有する変圧器、２
は巻線１０１と巻線１０３の間にドレイン及びソ
ースを直列に接続されるMOSFETのスイツチン
グ素子、３は入力される直流電圧Vinから起動電
源を供給するためにスイツチング素子２のゲート
に接続される起動用の抵抗、４は巻線１０３とス
イツチング素子２のゲートとの間に接続され、抵
抗４１及びコンデンサ４２の直列回路から成る時
定数回路、５はスイツチング素子２のゲート及び
ソース間に接続され、トランジスタ５１とそのベ
ース・エミツタ間の抵抗５２とから構成されるオ
フ・スイツチ回路、６は巻線１０２に誘起される
電圧を整流平滑するためにダイオード６１とコン
デンサ６２から構成される整流平滑回路である。

次に動作を説明する。入力端子１０及び１１に
印加された直流電圧Vinが抵抗３及び抵抗４１を
介してコンデンサ４２を充電し、スイツチング素
子２のゲート電圧がオン電圧以上になつたとき、
スイツチング素子２がオンして、ドレイン電流I_D
がオフ・スイツチ回路５の電流検出用抵抗５２に
流れる。電流検出用抵抗５２の端子間の電圧、即
ちトランジスタ５１のベース・エミツタ間電圧
V_BEがそのオン電圧以上になつたとき、トランジ
スタ５１がオンしてスイツチング素子２のゲート
電圧が下がるのでスイツチング素子２はオフす
る。この結果、巻線１０３に逆起電圧が誘起さ
れ、時定数回路４を介してスイツチング素子２の
ゲートに正帰還がかかるので、スイツチング素子
２はブロツキング発振動作を開始する。従つて、
スイツチング素子２は巻線１０１に加わる直流電
圧Vinをスイツチングし、そのスイツチング出力
を巻線１０２に出力するので、整流平滑回路６は
整流平滑して出力端子１２及び１３に出力電圧
V₀を出力して負荷に供給する。

一般に、スイツチングレギユレータは負荷に使
用された機器の故障等の短絡による過電流に対し
て回路を保護するための過電流保護回路が設けら
れる。オフ・スイツチ回路５はこの機能も兼備し
ている。即ち、過電流によつてスイツチング素子
２のドレイン電流I_Dが増加すると、電流検出用の
抵抗５２の端子間電圧が高くなり、トランジスタ
５１がオンして帰還用の巻線１０３からスイツチ
ング素子２のゲートにかかる電圧を下げるため、
スイツチング素子がオフとなる。従つて、回路は
過電流から保護される。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来技術の自励式スイツチング
レギユレータでは、以下に述べる過電流制限特性
に問題点がある。

第４図及び第５図は過電流制限動作時の主な箇
所の電流電圧波形を示す図で、いずれの図もａは
スイツチング素子２のドレイン・ソース間電圧
V_DSの波形、ｂは電流検出用抵抗５２の端子間電
圧、即ちトランジスタ５１のベース・エミツタ間
電圧V_BEの波形、ｃはスイツチング素子２のゲー
ト・ソース間電圧V_GSの波形、ｄはダイオード６
１に流れる電流波形である。第４図は過電流が浅
いときの波形を示す図、第５図は過電流が深いと
きの波形を示す図である。

過電流がまだ浅い場合、第４図ｃに示すよう
に、スイツチング素子２がオフしたとき、ゲート
にかかる電圧はマイナスになつており、起動用抵
抗３からの電流が常時流れ続けるため、抵抗４１
を介してコンデンサ４２を充電する。従つて、ゲ
ート電圧V_GSは時間と共に増加する。

更に、過電流が深くなると、出力電圧V₀が更
に小さくなり、変圧器１のコアに蓄えられるエネ
ルギーは一定であるため、オフ期間は更に伸びて
第５図に示すようになる。従つて、第５図ｃに示
すように、スイツチング素子２がオフしたときの
ゲート電圧V_GSは第４図ｃの場合より小さいマイ
ナス電圧になる。この電圧からコンデンサ４２が
充電される。従つて、帰還回路４の時定数は同じ
であるため、スイツチング素子２が変圧器１のコ
アに蓄えられたエネルギーを放出する途中で、ゲ
ート電圧V_GSはスイツチング素子２のオンする電
圧、即ち閾値電圧まで上昇する。従つて、わずか
ながらドレイン電流I_Dが流れる（第５図に示す期
間ｔ）。このとき、ドレイン・ソース間には少な
くとも入力電圧Vinよりも高い電圧がかかつてい
るため、わずかな電流でも大きな損失となる。更
に、ゲート電圧V_GSが上昇すると、スイツチング
素子２は変圧器１に蓄えられたエネルギーを完全
に放出しないうちにオンするので、変圧器１に流
れる電流は直流重畳がかかる。従つて、スイツチ
ング素子２のオフ期間T_OFFはこれ以上伸びる事は
できない。一方、過電流を検出している抵抗５２
の端子間電圧、即ちトランジスタ５１のベース電
圧V_BEはピーク値であるため、更に過電流が深く
なつても直流重畳分が増加するだけである。直流
出力電流I₀はダイオード６１に流れる電流の量に
比例するので直流重畳がかかつた分だけ出力電流
が増加するため、電流制限作用が極端に悪くな
る。

第６図は以上説明した過電流制限特性を示す図
である。電流制限の始まる電流Iaは過電流検出用
抵抗５２で定められ、これ以上の出力電流が流れ
始めると、過電流保護回路５が過電流保護動作を
開始する。更に、過電流が深くなつて出力電流が
電流Ib以上になると、第５図で説明したように、
直流重畳がかかつて過電流制限作用が悪くなるこ
とを示している。スイツチング素子２の
MOSFETはゲートのオン電圧、即ち閾値電圧に
バラツキがあるため、回路定数の設定が非常に難
しい。

本発明は、前記従来技術が持つていた問題点を
解決した安定した過電流制限特性を有する自励式
スイツチングレギユレータを提供するものであ
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明は変圧器と、該変圧器の１次巻線と帰還
巻線との間に接続され、１次巻線に与えられる直
流入力電圧をスイツチングするスイツチング素子
と、該スイツチング素子に対して直流入力電圧か
ら起動時の起動信号を与える起動回路と、前記ス
イツチング素子と変圧器の帰還巻線との間に接続
され、所定の時定数で該スイツチング素子に対し
て正帰還をかける時定数回路と、前記スイツチン
グ素子に流れる電流を検出して該スイツチング素
子をオフさせるオフ・スイツチ回路と、前記変圧
器の２次巻線に誘起する電圧を整流平滑して負荷
に供給する整流平滑回路とを有するスイツチング
レギユレータにおいて、前記起動回路及び時定数
回路とスイツチング素子との間に設けられ、該起
動回路及び時定数回路の出力信号に基づいて該ス
イツチング素子をオンさせるオン・スイツチ回路
を有することを特徴とするスイツチングレギユレ
ータである。

（作 用） 本発明によれば、以上のようにスイツチングレ
ギユレータを構成したので、スイツチング素子
は、起動回路及び時定数回路の出力信号に基づい
てスイツチ動作するオン・スイツチ回路を介し
て、オン動作するように働き、従つて前記問題点
を解決できるのである。

（実施例） 本発明による実施例を添付図面を参照して説明
する。

第１図は本発明によるスイツチングレギユレー
タの実施例を示すブロツク図、第２図は第１図の
実施例を詳細に示した電気回路図である。各図面
において、第３図と同一の参照符号は同一性のあ
る構成部分を示している。５′は従来例で省略し
ていた定電圧動作を行なわせるために、トランジ
スタ５１のベースと、電流検出用抵抗５２を介し
てそのエミツタとの間に、コンデンサ５３及び抵
抗５４を付加したオフ・スイツチ回路である。７
は起動時に起動電源を供給する起動回路、８はス
イツチング素子２をオンさせるためのオン・スイ
ツチ回路、９は従来例で省略していた出力電圧検
出回路である。１４は発光ダイオード１４１及び
フオトトランジスタ１４２から構成される光結合
素子である。

起動回路７は入力端子１０，１１に印加される
直流入力電圧Vinを入力端子１０，１１間に直列
に接続される抵抗７１及びツエナーダイオード７
４により起動電圧を定め、ツエナーダイオード７
４のカソードからダイオード７３を介してコンデ
ンサ１５に充電することによりオン・スイツチ回
路８に起動電源を供給する。また、抵抗７２を介
してオン・スイツチ回路８に起動電圧を与えてい
る。

オン・スイツチ回路８は、PNP形トランジス
タ８１、NPN形トランジスタ８２及び抵抗８３
乃至８５で構成される。トランジスタ８１のエミ
ツタはコンデンサ１５の＋端子及びダイオード１
６のカソードに接続し、そのベースは抵抗８４を
介してトランジスタ８２のコレクタに接続し、ト
ランジスタ８１のコレクタはスイツチング素子２
のゲートに接続する。また、トランジスタ８２の
ベースは抵抗７２に接続し、そのエミツタは、ド
レイン電流I_Dの検出用抵抗５２及びスイツチング
素子２のソースに接続する。トランジスタ８１の
エミツタに電源電圧が供給され、トランジスタ８
２のベースにベース電流が与えられると、トラン
ジスタ８２はオンしてトランジスタ８１のベース
の電圧を下げるので、トランジスタ８１がオンす
る。この結果、トランジスタ８１のエミツタから
コレクタへ電流が流れ、抵抗８５を通つてスイツ
チング素子２のゲートの電位が高くなるため、ス
イツチング素子２がオンする。

出力電圧検出回路９は、誤差増幅器９１、基準
電圧発生器９２、分圧用抵抗９３，９４及び出力
抵抗９５とから構成される。この回路は出力電圧
V₀を抵抗９３及び９４で分圧した電圧と、基準
電圧発生器９２からの基準電圧とを誤差増幅器９
１により比較して誤差増幅する。誤差増幅器９１
から出力される誤差電圧は出力抵抗９５により電
流に変換して光結合素子１４の発光ダイオード１
４１に供給している。

光結合素子１４は出力電圧検出回路９とオフ・
スイツチ回路５′との間を光結合している。発光
ダイオード１４１は出力電圧検出回路９の出力と
リターンラインとの間に接続している。フオトト
ランジスタ１４２のコレクタはコンデンサ１５の
＋端子に接続し、そのエミツタはトランジスタ５
１のベースに接続している。

次に、出力電圧を一定に保つための定電圧動作
について説明する。負荷電流の減少、入力電圧の
上昇等により、出力電圧V₀が上昇したとする。
出力電圧V₀が所定の電圧より増加すると、出力
電圧検出回路９の出力電流は増加して、光結合素
子１４の発光ダイオード１４１を駆動する。従つ
て、光結合されているフオトトランジスタ１４２
が飽和する方向に変化して、オン・スイツチ回路
５′のトランジスタ５１にオンバイアスを与える
のでスイツチング素子２のゲート電圧が下がり、
スイツチング素子２がオフとなる。この結果、出
力電圧が低下して所定の出力電圧となるように働
く。また、出力電圧V₀が低下した場合は前記の
逆の動作をして出力電圧を一定に保つように動作
する。

次に、ブロツキング発振動作について説明す
る。直流入力電圧Vinが入力端子１０及び１１に
印加されると、起動回路７は抵抗７１及びダイオ
ード７３を介してコンデンサ１５を充電してオ
ン・スイツチ回路８のトランジスタ８１のエミツ
タに電源を供給し、また、抵抗７２を介してトラ
ンジスタ８２のベースにベース電流を与える。従
つて、前述したようにオン・スイツチ回路８はト
ランジスタ８２がオンしてトランジスタ８１がオ
ンするため、スイツチング素子２のゲート電圧を
高くして、スイツチング素子２をオンさせる。こ
の結果、オフ・スイツチ回路５′の電流検出用抵
抗５２にドレイン電流I_Dが流れて、トランジスタ
５１のベース・エミツタ間電圧V_BEがそのオン電
圧以上になると、トランジスタ５１がオンする。
従つて、スイツチング素子２のゲート電圧が下が
るので、スイツチング素子２がオフする。この結
果、変圧器１の巻線１０１に流れていた電流によ
り巻線１０３に起電力が生じ、その起電力は時定
数回路４を通じてオン・スイツチ回路８のトラン
ジスタ８２のベースにベース電流を供給し、ま
た、ダイオード１６及びコンデンサ１５により整
流平滑して、トランジスタ８１のエミツタに電源
電圧を供給する。従つて、オン・スイツチ回路８
のトランジスタ８１及び８２がオンして、スイツ
チング素子２のゲートに正帰還がかかるため、ス
イツチング素子２はブロツキング発振を開始す
る。

本実施例では、起動回路７及び時定数回路４に
流れる電流が直接スイツチング素子２のゲートに
流さず、オン・スイツチ回路８のトランジスタ８
２のベースに流しているため、スイツチング素子
２がオフのときでも、そのゲート電位が除々に上
昇するということがない。即ち、起動回路７及び
時定数回路４とスイツチング素子２との間にオ
ン・スイツチ回路８を設けたので、スイツチング
素子のゲート・ソース間電圧V_GSの波形はオフ期
間が平担な波形になるため、スイツチング素子２
の閾値電圧のバラツキによる過電流特性の変化が
なく、負荷短絡時にも、スイツチング素子が異常
発熱するということもなくなる。

（発明の効果） 以上に説明したように、本発明によれば、過電
流保護機能を有するオフ・スイツチ回路の部品定
数を容易に設定でき、スイツチング素子の閾値電
圧のバラツキによる過電流制限特性の変化がな
く、負荷短絡時にもスイツチング素子の損失はほ
とんど増加しないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自励式スイツチングレギ
ユレータの実施例を示すブロツク図、第２図は第
１図の実施例を詳細に示す回路図、第３図は従来
の自励式スイツチングレギユレータを示す回路
図、第４図は過電流が浅いときの電流電圧波形を
示す図、第５図は過電流が深いときの電流電圧波
形を示す図、第６図は従来の過電流制限特性を示
す図である。 １…変圧器、１０１乃至１０３…巻線、２…ス
イツチング素子、４…時定数回路、５′…オフ・
スイツチ回路、６…整流平滑回路、７…起動回
路、８…オン・スイツチ回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 変圧器と、該変圧器の１次巻線と帰還巻線と
   の間に接続され、１次巻線に与えられる直流入力
   電圧をスイツチングするスイツチング素子と、該
   スイツチング素子に対して直流入力電圧から起動
   時の起動信号を与える起動回路と、前記スイツチ
   ング素子と変圧器の帰還巻線との間に接続され、
   所定の時定数で該スイツチング素子に対して正帰
   還をかける時定数回路と、前記スイツチング素子
   に流れる電流を検出して該スイツチング素子をオ
   フさせるオフ・スイツチ回路と、前記変圧器の２
   次巻線に誘起する電圧を整流平滑して負荷に供給
   する整流平滑回路とを有するスイツチングレギユ
   レータにおいて、前記起動回路及び時定数回路と
   スイツチング素子との間に設けられ、該起動回路
   及び時定数回路の出力信号に基づいて該スイツチ
   ング素子をオンさせるオン・スイツチ回路を有す
   ることを特徴とするスイツチングレギユレータ。