昇圧型スイッチング電源装置
【課題】 昇圧型スイッチング電源において負荷の短絡あるいは過負荷時に生じる損焼を防止する。
【解決手段】 負荷の短絡あるいは過負荷時に、スイッチ素子に定電流機能動作をさせるとともに、ＰＷＭコントローラのタイマ・ラッチ機能によって主スイッチング素子のスイッチングを停止する。これによってスイッチング電源は昇圧機能を失い、出力が入力電圧まで低下することによってスイッチ素子の導通も停止され、入出力間を遮断する。正常な動作ではスイッチ素子が導通されて、出力に昇圧電圧が得られる。
【解決手段】 負荷の短絡あるいは過負荷時に、スイッチ素子に定電流機能動作をさせるとともに、ＰＷＭコントローラのタイマ・ラッチ機能によって主スイッチング素子のスイッチングを停止する。これによってスイッチング電源は昇圧機能を失い、出力が入力電圧まで低下することによってスイッチ素子の導通も停止され、入出力間を遮断する。正常な動作ではスイッチ素子が導通されて、出力に昇圧電圧が得られる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は昇圧型スイッチング電源装置に係るもので、短絡等の異常の際に装置あるいは素子の損焼を防止する保護機能を具えた昇圧型スイッチング電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に他励式スイッチング電源は、ＰＷＭコントロール（制御回路）ＩＣを用いて構成されている。そのＩＣには、基本機能の他に多くの付帯機能を有しており、出力短絡保護機能はその一つである。この出力短絡保護機能とは、一般にスイッチング電源の負荷が何らかの異常で短絡されたときにスイッチング電源の損焼を防止するものである。その機能を実現する手段には幾つかあるが、タイマ・ラッチ型と呼ばれる方式が広く用いられている。
【０００３】図２はこのようなタイマ・ラッチ方式を採用したＰＷＭコントロールＩＣを利用した昇圧型スイッチング電源の例を示すものである。入力端子VINに接続されたインダクタンス素子Ｌに直列に主スイッチング素子QSを接続し、その接続点からダイオードDによって直流出力を得て、コンデンサで平滑して出力端子VOｕｔから出力を得るものである。直流出力を抵抗分圧によって検出し、ＰＷＭコントロールＩＣのエラーアンプ入力に接続し、該主スイッチング素子のオンデユーティを制御するＰＷＭ制御を行っている。
【０００４】ここで、タイマ・ラッチ式保護回路について簡単に説明しておく。タイマ・ラッチ式短絡保護回路は、スイッチング電源の出力が短絡された時、短絡状態が予め設定された時間内に解除されず、出力電圧が所定の電圧に復帰しない場合、ＰＷＭコントロールＩＣの出力を主スイッチング素子ＱＳが１００％オフデューティとなるパルス出力信号に固定し、該主スイッチング素子や整流ダイオードなどの破壊を防ぐものである。スイッチング電源の出力が短絡され、出力電圧が所定の電圧以下になると、ＰＷＭコントロールＩＣに内付されている基準電源からＳＣＰ端子に接続されたプロテクション・イネーブル・コンデンサCPEへ充電が開始される。充電によって該コンデンサの端子電圧が予め設定された所定の値に達するまでに、出力電圧が所定の値に復帰しないと短絡保護回路がセットされて主スイッチング素子ＱＳの休止期間は100％となる。
【０００５】通常動作時においては、該プロテクション・イネーブル・コンデンサＣＰＥ は充電されることはなく短絡保護回路はセットされないが、スイッチング電源の出力が短絡され、出力電圧が所定の値を下回った時点からプロテクション・イネーブル・コンデンサCPEはＰＷＭコントロールＩＣに内付された基準電圧から充電が開始される。CPEが予め設定された電圧まで充電されるとラッチ回路がセットされ、主スイッチング素子ＱＳの休止期間は100％となる。
【０００６】このような機能を有する図２に示したようなスイッチング電源では、出力が短絡した場合、上記の動作によって主スイッチング素子QSはオフ状態となる。しかし、スイッチング素子QSがオフ状態にあるにもかかわらず、VIN→インダクタンス素子→整流ダイオード→グラウンドと電流経路が形成されるので、インダクタンス素子Ｌ、整流ダイオ−ドD等が損焼してしまうという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、主スイッチング素子がオフ状態になったにもかかわらず形成されてしまう電流経路を遮断し、素子の損焼を防止できるラッチ機能を具えた昇圧型スイッチング電源を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、電流経路に定電流出力機能を有するスイッチ素子を付加することによって上記の課題を解決するものである。
【０００９】すなわち、直列に接続されたスイッチング素子のオンオフ動作によって入力電圧源に接続されたインダクタンス素子に蓄えられたエネルギを整流、平滑して直流出力を得る昇圧型スイッチング電源装置において、整流、平滑手段と出力端子との間に定電流出力機能を有する直流スイッチ素子を具え、その出力電圧の低下した状態が所定時間継続したときには、制御回路に具えた保護機能は昇圧機能が停止したことを検知して作動し、当該直流スイッチ素子がオフに移行して入力電圧および出力電圧を遮断することに特徴を有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明による昇圧型スイッチング電源装置においては、ＰＷＭ方式による出力制御に一般に用いられるＩＣでタイマ・ラッチ機能を具えたＰＷＭコントロールＩＣによって主スイッチング素子のオン・デユーテイを制御するとともに、整流ダイオードと出力端子間に直列に検出抵抗とスイッチ素子（トランジスタ）を接続して、このスイッチ素子のオフによって電流経路を遮断できるようにしたものである。
【００１１】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図1は本発明の実施例で、整流ダイオードDのカソード側に検出抵抗RSとスイッチ素子Q2を直列に接続する。この例では、抵抗RSにスイッチ素子（トランジスタQ2）のエミッタを接続し、そのコレクタを出力端子と接続する。トランジスタQ2のベースは抵抗R5を介してトランジスタQ3のコレクタに接続され、トランジスタQ2のエミッタは入力端子に接続されるとともに、抵抗R4を介してそのベースに接続される。
【００１２】ダイオードDのカソード側とコンデンサC2の接続点とトランジスタQ3にベースとを抵抗R3を介して接続する、またダイオードDのアノード側とトランジスタQ4のエミッタが接続され、そのコレクタとトランジスタQ2のベースとを接続し、トランジスタQ4のベースは抵抗RSとトランジスタQ2エミッタの接続点に接続される。これらの回路構成によって、電流経路のスイッチが構成される。
【００１３】正常動作時の動作について説明する。上記のＰＷＭコントローラのパルス出力を受けて、主スイッチング素子Q1はオン−オフする。この主スイッチング素子Q1がオンの期間にインダクタンス素子Lに蓄えられたエネルギを、主スイッチング素子Q1がオフ時にダイオードDを介して取り出す。これをコンデンサC2によって平滑することによって、このコンデンサC2の両端には入力電圧VINを昇圧した直流電圧が得られる。
【００１４】このとき、トランジスタQ3のベースには抵抗R3を介して電流が流れ込み、トランジスタQ3のコレクタ・エミッタ間は導通する。トランジスタQ3のコレクタ・エミッタ間が導通するとトランジスタQ2のベース電流路が開通してトランジスタQ2がオンし、出力端子VOｕｔには抵抗R1、R2によってあらかじめ設定された所定の電圧が出力され、負荷RLに電圧が供給される。
【００１５】電流検出抵抗RSにはトランジスタQ4のコレクタ・エミッタ間を導通させるに十分な程度に順バイアス電圧が降下しないように抵抗値が設定しているため、このときトランジスタQ4はオフ状態を維持する。
【００１６】次に、負荷が短絡した場合および過負荷時の動作について説明する。設計仕様により定められた量を超える電流が検出抵抗RSを通過するため、抵抗RSに降下した電圧はトランジスタQ４のコレクタ・エミッタ間を導通させるのに十分なベース順バイアス電圧となる。これによってトランジスタQ４のコレクタ・エミッタ間が導通するため、トランジスタQ２は定電流動作を開始する。
【００１７】すると、これまで出力端子VOｕｔには抵抗R１、R２で設定された電圧が所定の電圧を下回り、電圧の低下時間があらかじめ設定された時間を超えるとＰＷＭコントローラに内蔵されているタイマ・ラッチ機能が作動する。これによって、ＰＷＭコントローラから出力されるパルスはオフデユーテイが100％となり、主スイッチング素子Ｑ１のスイッチングを停止する。
【００１８】このスイッチング素子であるトランジスタＱ１のスイッチング停止に伴い、このスイッチング電源は昇圧機能を失い、コンデンサＣ２の両端の電圧はほぼ入力電圧ＶINまで低下する。コンデンサC２の両端の電圧がほぼVINまで低下すると、抵抗R３によって正バイアスされていたトランジスタQ３のベースは正バイアスを解除され、トランジスタQ３のコレクタ・エミッタ間は不導通となり、それに伴いトランジスタQ２のコレクタ・エミッタ間も不導通となり、出力端子V０の電圧は遮断される。
【００１９】タイマ・ラッチ機能が一度作動すると、負荷短絡や過負荷を解除しても自動的に出力電圧は復帰せず遮断状態を維持するため、所定の電圧に復帰させるにはタイマ・ラッチの解除が必要であり、最も多く使われている解除方法の一例について説明する。過負荷または短絡状態を取り去った後、ＰＷＭコントローラの電源ＶCCを一度切断し、再投入すればスイッチング電源は正常動作に復帰する。
【００２０】なお、本発明は上記の例に限られず、トランジスタQ３、抵抗R３、R４を除いて、トランジスタQ３のコレクタに接続されていた抵抗R５の一端を入力端子VINに直接接続してもよい。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、ＰＷＭコントローラの有するタイマ・ラッチ型保護機能に加えて、定電流機能付きの電子スイッチを具えたので、単巻コイルを用いた昇圧型スイッチング電源において、短絡を含めた過負荷時に生じるスイッチング電源の損焼を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す回路図
【図２】 従来のスイッチング電源を示す回路図
【符号の説明】
Ｌ：インダクタンス素子（単巻コイル）
Ｑ１、ＱＳ：主スイッチング素子（トランジスタ）
Ｑ２：スイッチ素子（トランジスタ）
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は昇圧型スイッチング電源装置に係るもので、短絡等の異常の際に装置あるいは素子の損焼を防止する保護機能を具えた昇圧型スイッチング電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に他励式スイッチング電源は、ＰＷＭコントロール（制御回路）ＩＣを用いて構成されている。そのＩＣには、基本機能の他に多くの付帯機能を有しており、出力短絡保護機能はその一つである。この出力短絡保護機能とは、一般にスイッチング電源の負荷が何らかの異常で短絡されたときにスイッチング電源の損焼を防止するものである。その機能を実現する手段には幾つかあるが、タイマ・ラッチ型と呼ばれる方式が広く用いられている。
【０００３】図２はこのようなタイマ・ラッチ方式を採用したＰＷＭコントロールＩＣを利用した昇圧型スイッチング電源の例を示すものである。入力端子VINに接続されたインダクタンス素子Ｌに直列に主スイッチング素子QSを接続し、その接続点からダイオードDによって直流出力を得て、コンデンサで平滑して出力端子VOｕｔから出力を得るものである。直流出力を抵抗分圧によって検出し、ＰＷＭコントロールＩＣのエラーアンプ入力に接続し、該主スイッチング素子のオンデユーティを制御するＰＷＭ制御を行っている。
【０００４】ここで、タイマ・ラッチ式保護回路について簡単に説明しておく。タイマ・ラッチ式短絡保護回路は、スイッチング電源の出力が短絡された時、短絡状態が予め設定された時間内に解除されず、出力電圧が所定の電圧に復帰しない場合、ＰＷＭコントロールＩＣの出力を主スイッチング素子ＱＳが１００％オフデューティとなるパルス出力信号に固定し、該主スイッチング素子や整流ダイオードなどの破壊を防ぐものである。スイッチング電源の出力が短絡され、出力電圧が所定の電圧以下になると、ＰＷＭコントロールＩＣに内付されている基準電源からＳＣＰ端子に接続されたプロテクション・イネーブル・コンデンサCPEへ充電が開始される。充電によって該コンデンサの端子電圧が予め設定された所定の値に達するまでに、出力電圧が所定の値に復帰しないと短絡保護回路がセットされて主スイッチング素子ＱＳの休止期間は100％となる。
【０００５】通常動作時においては、該プロテクション・イネーブル・コンデンサＣＰＥ は充電されることはなく短絡保護回路はセットされないが、スイッチング電源の出力が短絡され、出力電圧が所定の値を下回った時点からプロテクション・イネーブル・コンデンサCPEはＰＷＭコントロールＩＣに内付された基準電圧から充電が開始される。CPEが予め設定された電圧まで充電されるとラッチ回路がセットされ、主スイッチング素子ＱＳの休止期間は100％となる。
【０００６】このような機能を有する図２に示したようなスイッチング電源では、出力が短絡した場合、上記の動作によって主スイッチング素子QSはオフ状態となる。しかし、スイッチング素子QSがオフ状態にあるにもかかわらず、VIN→インダクタンス素子→整流ダイオード→グラウンドと電流経路が形成されるので、インダクタンス素子Ｌ、整流ダイオ−ドD等が損焼してしまうという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、主スイッチング素子がオフ状態になったにもかかわらず形成されてしまう電流経路を遮断し、素子の損焼を防止できるラッチ機能を具えた昇圧型スイッチング電源を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、電流経路に定電流出力機能を有するスイッチ素子を付加することによって上記の課題を解決するものである。
【０００９】すなわち、直列に接続されたスイッチング素子のオンオフ動作によって入力電圧源に接続されたインダクタンス素子に蓄えられたエネルギを整流、平滑して直流出力を得る昇圧型スイッチング電源装置において、整流、平滑手段と出力端子との間に定電流出力機能を有する直流スイッチ素子を具え、その出力電圧の低下した状態が所定時間継続したときには、制御回路に具えた保護機能は昇圧機能が停止したことを検知して作動し、当該直流スイッチ素子がオフに移行して入力電圧および出力電圧を遮断することに特徴を有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明による昇圧型スイッチング電源装置においては、ＰＷＭ方式による出力制御に一般に用いられるＩＣでタイマ・ラッチ機能を具えたＰＷＭコントロールＩＣによって主スイッチング素子のオン・デユーテイを制御するとともに、整流ダイオードと出力端子間に直列に検出抵抗とスイッチ素子（トランジスタ）を接続して、このスイッチ素子のオフによって電流経路を遮断できるようにしたものである。
【００１１】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図1は本発明の実施例で、整流ダイオードDのカソード側に検出抵抗RSとスイッチ素子Q2を直列に接続する。この例では、抵抗RSにスイッチ素子（トランジスタQ2）のエミッタを接続し、そのコレクタを出力端子と接続する。トランジスタQ2のベースは抵抗R5を介してトランジスタQ3のコレクタに接続され、トランジスタQ2のエミッタは入力端子に接続されるとともに、抵抗R4を介してそのベースに接続される。
【００１２】ダイオードDのカソード側とコンデンサC2の接続点とトランジスタQ3にベースとを抵抗R3を介して接続する、またダイオードDのアノード側とトランジスタQ4のエミッタが接続され、そのコレクタとトランジスタQ2のベースとを接続し、トランジスタQ4のベースは抵抗RSとトランジスタQ2エミッタの接続点に接続される。これらの回路構成によって、電流経路のスイッチが構成される。
【００１３】正常動作時の動作について説明する。上記のＰＷＭコントローラのパルス出力を受けて、主スイッチング素子Q1はオン−オフする。この主スイッチング素子Q1がオンの期間にインダクタンス素子Lに蓄えられたエネルギを、主スイッチング素子Q1がオフ時にダイオードDを介して取り出す。これをコンデンサC2によって平滑することによって、このコンデンサC2の両端には入力電圧VINを昇圧した直流電圧が得られる。
【００１４】このとき、トランジスタQ3のベースには抵抗R3を介して電流が流れ込み、トランジスタQ3のコレクタ・エミッタ間は導通する。トランジスタQ3のコレクタ・エミッタ間が導通するとトランジスタQ2のベース電流路が開通してトランジスタQ2がオンし、出力端子VOｕｔには抵抗R1、R2によってあらかじめ設定された所定の電圧が出力され、負荷RLに電圧が供給される。
【００１５】電流検出抵抗RSにはトランジスタQ4のコレクタ・エミッタ間を導通させるに十分な程度に順バイアス電圧が降下しないように抵抗値が設定しているため、このときトランジスタQ4はオフ状態を維持する。
【００１６】次に、負荷が短絡した場合および過負荷時の動作について説明する。設計仕様により定められた量を超える電流が検出抵抗RSを通過するため、抵抗RSに降下した電圧はトランジスタQ４のコレクタ・エミッタ間を導通させるのに十分なベース順バイアス電圧となる。これによってトランジスタQ４のコレクタ・エミッタ間が導通するため、トランジスタQ２は定電流動作を開始する。
【００１７】すると、これまで出力端子VOｕｔには抵抗R１、R２で設定された電圧が所定の電圧を下回り、電圧の低下時間があらかじめ設定された時間を超えるとＰＷＭコントローラに内蔵されているタイマ・ラッチ機能が作動する。これによって、ＰＷＭコントローラから出力されるパルスはオフデユーテイが100％となり、主スイッチング素子Ｑ１のスイッチングを停止する。
【００１８】このスイッチング素子であるトランジスタＱ１のスイッチング停止に伴い、このスイッチング電源は昇圧機能を失い、コンデンサＣ２の両端の電圧はほぼ入力電圧ＶINまで低下する。コンデンサC２の両端の電圧がほぼVINまで低下すると、抵抗R３によって正バイアスされていたトランジスタQ３のベースは正バイアスを解除され、トランジスタQ３のコレクタ・エミッタ間は不導通となり、それに伴いトランジスタQ２のコレクタ・エミッタ間も不導通となり、出力端子V０の電圧は遮断される。
【００１９】タイマ・ラッチ機能が一度作動すると、負荷短絡や過負荷を解除しても自動的に出力電圧は復帰せず遮断状態を維持するため、所定の電圧に復帰させるにはタイマ・ラッチの解除が必要であり、最も多く使われている解除方法の一例について説明する。過負荷または短絡状態を取り去った後、ＰＷＭコントローラの電源ＶCCを一度切断し、再投入すればスイッチング電源は正常動作に復帰する。
【００２０】なお、本発明は上記の例に限られず、トランジスタQ３、抵抗R３、R４を除いて、トランジスタQ３のコレクタに接続されていた抵抗R５の一端を入力端子VINに直接接続してもよい。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、ＰＷＭコントローラの有するタイマ・ラッチ型保護機能に加えて、定電流機能付きの電子スイッチを具えたので、単巻コイルを用いた昇圧型スイッチング電源において、短絡を含めた過負荷時に生じるスイッチング電源の損焼を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す回路図
【図２】 従来のスイッチング電源を示す回路図
【符号の説明】
Ｌ：インダクタンス素子（単巻コイル）
Ｑ１、ＱＳ：主スイッチング素子（トランジスタ）
Ｑ２：スイッチ素子（トランジスタ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】 直列に接続されたスイッチング素子のオンオフ動作によって入力電圧源に接続されたインダクタンス素子に蓄えられたエネルギを整流、平滑して直流出力を得る昇圧型スイッチング電源装置において、整流、平滑手段と出力端子間に複数の定電流機能を具えた出力電圧検出回路を具備し、出力電圧が低下した状態が所定時間継続したとき、制御回路に具えた保護機能が作動するとともに、該出力電圧検出回路が昇圧機能が停止したことを検知して作動し、入力電圧および出力電圧を遮断することを特徴とする昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項２】 直列に接続されたスイッチング素子のオンオフ動作によって入力電圧源に接続されたインダクタンス素子に蓄えられたエネルギを整流、平滑して直流出力を得る昇圧型スイッチング電源装置において、整流、平滑手段と出力端子間に定電流出力機能および出力電圧検出機能を有する直流スイッチ素子を具え、出力電流が過負荷のため、あらかじめ設定した値を超えた際にその定電流出力機能によって出力電圧を低下させ、その低下した状態があらかじめ設定した時間を超えて継続したときには、制御回路に具えた保護機能が作動し、当該直流スイッチ素子がオフに移行して入力電圧および出力電圧を遮断することを特徴とする昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項３】 整流、平滑手段と出力端子間に直列に接続された検出抵抗と定電流出力機能および出力電圧検出機能を有する直流スイッチ素子を具える請求項２記載の昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項４】 整流、平滑手段と出力端子間に直列に接続された検出抵抗と定電流出力機能および出力電圧検出回路を具える請求項１記載の昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項１】 直列に接続されたスイッチング素子のオンオフ動作によって入力電圧源に接続されたインダクタンス素子に蓄えられたエネルギを整流、平滑して直流出力を得る昇圧型スイッチング電源装置において、整流、平滑手段と出力端子間に複数の定電流機能を具えた出力電圧検出回路を具備し、出力電圧が低下した状態が所定時間継続したとき、制御回路に具えた保護機能が作動するとともに、該出力電圧検出回路が昇圧機能が停止したことを検知して作動し、入力電圧および出力電圧を遮断することを特徴とする昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項２】 直列に接続されたスイッチング素子のオンオフ動作によって入力電圧源に接続されたインダクタンス素子に蓄えられたエネルギを整流、平滑して直流出力を得る昇圧型スイッチング電源装置において、整流、平滑手段と出力端子間に定電流出力機能および出力電圧検出機能を有する直流スイッチ素子を具え、出力電流が過負荷のため、あらかじめ設定した値を超えた際にその定電流出力機能によって出力電圧を低下させ、その低下した状態があらかじめ設定した時間を超えて継続したときには、制御回路に具えた保護機能が作動し、当該直流スイッチ素子がオフに移行して入力電圧および出力電圧を遮断することを特徴とする昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項３】 整流、平滑手段と出力端子間に直列に接続された検出抵抗と定電流出力機能および出力電圧検出機能を有する直流スイッチ素子を具える請求項２記載の昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項４】 整流、平滑手段と出力端子間に直列に接続された検出抵抗と定電流出力機能および出力電圧検出回路を具える請求項１記載の昇圧型スイッチング電源装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００３−３１９６４１（Ｐ２００３−３１９６４１Ａ）
【公開日】平成１５年１１月７日（２００３．１１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００２−１１７７５９（Ｐ２００２−１１７７５９）
【出願日】平成１４年４月１９日（２００２．４．１９）
【出願人】（０００００３０８９）東光株式会社 (243)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１５年１１月７日（２００３．１１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１４年４月１９日（２００２．４．１９）
【出願人】（０００００３０８９）東光株式会社 (243)
【Ｆターム（参考）】
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