JP2002512770A - 過電流保護を伴ったスイッチモード電源 - Google Patents

過電流保護を伴ったスイッチモード電源

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Abstract

(57)【要約】 調整されたスイッチモード電源では、トランジスタスイッチにおいてオフとオンの両方のスイッチング遷移期間中に、トランジスタスイッチ(Q3)はゼロ電圧が維持される。調整されたスイッチモード電源は、電流モードで、電流パルス毎の制御基準で動作する。過電流状態が、トランジスタスイッチの所定の電流パルスの期間よりも実質的に長い第1の期間よりも長く継続すると過電流保護回路(200)は、トランジスタスイッチを遮断する。過電流状態が第1の期間よりも短い期間のみ続くときは、トランジスタスイッチの動作は中断されない。

Description

【発明の詳細な説明】 過電流保護を伴ったスイッチモード電源発明の分野 本発明は、スイッチモード電源に関する。発明の背景 典型的なスイッチモード電源(SMPS)は、、入力電源電圧を受けるために 入力電源端子に接続された、インダクタンスと双方向の制御可能なスイッチの直 列接続を有する。スイッチは、トランジスタと制動ダイオードの平行配置により 形成される。駆動又は制御回路は、スイッチを、導通状態と遮断状態の交互に駆 動するために、スイッチングパルスを供する。スイッチの導通状態の継続時間は 、スイッチが遮断時に生成された整流又は発振による出力電圧に応じて、制御可 能である。 ある従来技術のSMPSでは、調整制御回路の変調器は、双方向スイッチの導 通時間の長さを変えるために、誤差増幅器で生成された誤差信号に応答する。そ れによりインダクタンスのピーク電流は制御される。このように、双方向スイッ チが遮断されたときに現れる共振パルス電圧の振幅は、出力電圧調整を行うため に制御される。 SMPSは電流パルス制御原理により、電流パルスにより、電流モード制御で 動作し得る。トランジスタスイッチを流れる電流は、誤差信号により作られたし きい値に達すると止まる。誤差信号は、実際は、トランジスタスイッチと結合し たインダクタンスを流れるピーク電流を制御する。このように、制御回路は、誤 差増幅器のダイナミックレンジを使うこと無しに、瞬時に、フィードフォワード で、入力電圧変動を補正する。 トランジスタスイッチと典型的にはそれに結合しているトランス の巻線は、過電流の期間が短いときには、トランジスタスイッチの許容範囲を超 えるスイッチ電流により、損害を受けないであろう。例えば、ビデオディスクド ライブで使用されているモニタの動作開始期間が短くそして、SMPSにより電 源が与えられているときである。しかし、故障状態が起こり、長い間過電流が流 れるときには、トランジスタスイッチとトランス巻線は損害を受けうる。発明の概要 それゆえ、電流モード制御回路により設定される電流制限よりも低いレベルで の期間の長い過電流に対して、SMPSを保護することが必要である。この様に して、最大電流制限が低いトランジスタスイッチを使用できる。有利なことに、 最大電流制限が低いトランジスタスイッチは安価である。 本発明の実施例のスイッチモード電源装置は、入力電源電圧の供給源と入力電 源電圧の供給源に結合したインダクタンスを有する。第1のトランジスタスイッ チは、インダクタンスに結合し、電源の出力を生成する負荷回路に結合したイン ダクタンスを流れる電流パルスを生成するための周期的スイッチ制御信号に応答 する。変調器は、電流パルス毎の基準で、電流モード制御での電源出力を制御す るスイッチ制御信号を発生する所定の電流パルスを示す信号に応答する。過電流 保護回路は、過電流状態が発生したときに、電源の出力を停止する電流パルス指 示信号に応答する。電流センサは、対応する信号経路で過電流保護回路と変調器 のそれぞれに結合した電流パルス指示信号を発生する所定の電流パルスに応答す る。図面の簡単な説明 図1は、本発明の実施例の、調整されたSMPS(スイッチモード電源)を示 す図である。 図2a、2b、2cは、図1の調整されたSMPSの説明に使用 する波形を示す図である。発明の詳細な記載 図1は、本発明の実施例の調整されたSMPS100を示す。図1では、トラ ンジスタスイッチとして動作するN型の金属酸化物半導体(MOS)パワートラ ンジスタTrは、トランスT1の1次巻線L1を通して、直流(DC)電圧B+ の入力電源の端子20に結合したドレイン電極を有する。回路配置では、図示し ていないが、トランスは、分離トランスとして動作する。電圧B+は、例えば、 図示されていないが、主電源電圧を整流するブリッジ整流器に接続されたフィル タキャパシタから得られる。 トランジスタTrのソース電極は、電流センサ又は、サンプリング抵抗R12 を介してグランド又は、共通端子に接続される。 スイッチとして動作する制動ダイオードD6は、トランジスタTrと平行に接 続され、双方向スイッチ22を構成するためにトランジスタTrと同じパケージ に含まれる。キャパシタC6は、ダイオードD6と平行に接続され、スイッチ2 2が非導通の時に巻線L1のインダクタンスと共振回路22を構成するために巻 線L1と直列に接続される。 トランスT1の2次巻線L2は、ダイオードD8のカソードに接続されたフィ ルタキャパシタC10で出力電圧VOUTを発生するため、ピーク整流ダイオー ドD8のアノードと、グランドに接続される。電圧VOUTは、図示されていな いが、負荷回路に接続される。同様に、フィルタキャパシタC9の出力電圧VO UT’には、整流ダイオードD7によるピーク整流電圧が現れる。 誤差増幅器23は、出力電圧VOUTと基準電圧VREFに応答する。光カプ ラIC1は光放射ダイオードを有する。光カプラIC1のトランジスタのエミッ タ電極は、抵抗R4を介して負のDC電圧V3に接続される。光カプラIC1の トランジスタのコレクタ電 極は、キャパシタC3に接続される。示されていない回路配置では、光カプラは 分離として働く。光カプラIC1の誤差コレクタ電流Ieは、電圧VOUTが基 準電圧VREFよりも大きい量を示し、従って、それらの差である。 コンパレータトランジスタQ2は、ベース電極を有し、抵抗R11を介して、 トランジスタTrのソース電極と電流センサ抵抗R12の接続点に結合している。 トランジスタQ2は、トランジスタQ2のベース電圧VBQ2とトランジスタQ 2のエミッタに現れる誤差電圧VEQ2を比較する。電圧VBQ2はトランジス タTrのソース−ドレイン電流IDに比例する第1部分を有する。DC電圧V2 は、抵抗R6を介してトランジスタQ2のベースに接続され、抵抗R11ト交差 して電圧VBQ2の第2部分を生じる。 DC電圧V2は、抵抗R5を介してキャパシタC3により構成される帰還ルー プフィルタに接続され、キャパシタC2を充電する電流源を構成する。誤差電流 Ieは、キャパシタC3に接続され、キャパシタC3を放電する。ダイオードD 5は、トランジスタQ2のエミッタとグランドの間に接続される。ダイオードD 5は、電圧VEQ2をダイオードD5の順方向電圧に制限し、トランジスタTr の最大電流を制限する。 トランジスタQ2のコレクタ電極は、トランジスタQ1のベース電極に接続さ れ、トランジスタQ1のコレクタ電極は、トランジスタQ2のベース電極に接続 され、再生式のスイッチ31を構成する。トランジスタTrの制御電圧VGは、 再生式スイッチ31の出力端子を構成するトランジスタQ1のエミッタで生じ、 抵抗R10を介してトランジスタTrのゲート電極に結合される。 トランスT1の2次巻線L3は、交流(AC)電圧V1を生成するために、抵 抗R9を介して結合される。電圧V1はキャパシタC4と抵抗R8を介してトラ ンジスタQ1のエミッタにAC結合され、トランジスタTrの駆動電圧VGを発 生する。AC結合された電圧 V1は、コレクタ抵抗R7を介してトランジスタQ2のコレクタ電極と、トラン ジスタQ1のベース電極に接続される。電圧V1は、ダイオードD2により整流 され、電圧V3を発生し、また、ダイオードD3により、電圧V2を発生する。 電圧B+の供給源と巻線L3から離れたキャパシタC4の端子30の間に結合 した抵抗R3は、電源オン又は開始の際にキャパシタC4を充電する。トランジ スタTrのゲート電極の電圧VGが、MOSトランジスタTrのしきい値を超え たとき、トランジスタTrは導通し、トランジスタTrのドレイン電圧VDは減 少する。この結果、電圧V1は正となり、正帰還で、トランジスタTrを維持す るために電圧VGを増強し、完全にオンにする。 図2aから2cは、図1の調整されたSMPS100の動作を説明するのに役 立つ波形である。図1及び、2aから2cで、同じ記号と番号は同じ項目及び、 機能を示す。 図2cの所定の期間Tの期間t0からt1の間に、図1の導通トランジスタT rの電流IDはランプ状に上昇する。従って、巻線L1の電流IL1の対応する 非共振電流パルス部分は、ランプ状に上昇し、トランスT1の巻線L1のインダ クタンスに磁気エネルギーを蓄積する。図2cの時刻t1で、抵抗R12による 電圧より得られたランプ状に上昇する部分を有する図1の電圧VBQ2が、再生 式スイッチ31の電圧VEQ2より決まるトリガレベルを超え、トランジスタQ 2をオンする。電流はトランジスタQ1のベースを流れ、再生式スイッチ31は トランジスタTrのゲート電極を低インピーダンスとする。従って、図2aのゲ ート電極電圧VGは、ゼロボルト付近に減少し、図1のトランジスタTrをオフ する。トランジスタTrがオフすると、図2bのドレイン電圧VDが上昇し、巻 線L3より結合している図1の電圧V1が減少する。ゲート−ソース間キャパシ タンスCGに蓄積されたチャージは、図2bの時刻t2までラッチモード動作を 維持する。 電圧VGが、図1のトランジスタQ1のコレクタ電流を維持するのに必要な電 圧よりも低くなると、トランジスタQ2のベース電極の順方向導通がやみ、従っ て、再生式スイッチ31のラッチ動作モードが停止される。その後、減少し続け る電圧V1は、図2aの電圧VGに負部分40を生じ、図1のトランジスタTr がオフのまま維持される。 トランジスタTrがオフすると、ドレイン電圧VDは、図2bの期間t1から t2に示すように上昇する。キャパシタC6は、電圧VDが完全にゼロ電圧以上 に上昇する前にトランジスタTrが非導通状態になり、電圧VDの上昇を制限す る。これによって、スイッチング損失と放射スイッチングノイズは減少される。 キャパシタC6と巻線L1を有する共振回路21は、図1のトランジスタTrが オフとなり、図2bの期間t1からt3の間に、発振する。キャパシタC6は、 電圧VDのピークレベルを制限する。それゆえ、スナバダイオードと抵抗は不要 であり、効率は改善され、スイッチングノイズは減少される。 図2bの時間t3の前の電圧VDの減少は、図1の電圧V1を正電圧にする。 図2bの時刻t3で、電圧VDはゼロボルト付近になり、僅かに負になり、図1 の制動ダイオードD6をオンし、図2bのクランプ電圧VDをゼロボルトとする 。この様に、図1の共振回路21は半周期の発振を示す。前述の図1の電圧V1 の極性の変化によって、図2bの時刻t3で、図2aの電圧VGは更に正に上昇 する。 その後に続くトランジスタTrのオンは、電圧VDがほぼゼロとなったときに 、図2bの時刻t3後まで、抵抗R8とゲートキャパシタンスCGの時定数で決 まる遅延時間だけ遅延される。これにより、ターンオン損失は最小となり、スイ ッチングノイズは減少される。 フィルタキャパシタンスC3の電圧VEQ2を変えることにより、 電圧VOUTの負帰還調整が行われる。電圧VOUTが電圧VREFよりも大き い時に、電流IeはキャパシタC3を放電し、電圧VEQ2を減少する。それゆ え、コンパレータトランジスタQ2のしきい値レベルは減少する。従って、トラ ンジスタTrの電流IDのピークレベルと、負荷回路(図示していない)に供給 される電力は減少される。一方、電圧VOUTが電圧VREFよりも小さい場合 、電流Ieはゼロであり、抵抗R5の電流は電圧VEQ2を上昇する。従って、 トランジスタTrの電流IDのピーク値と負荷回路(図示していない)に供給さ れる電力は、上昇する。この様に、再生式スイッチ31を有するトランジスタQ 3の制御回路は、電圧VEQ2に従って、トランジスタQ3でデューティーサイ クル変調を行う。 調整されたSMPS100は、電流パルスごとの制御を基に、電流モード制御 で動作する。図2cの期間t0からt1の間の図1のトランジスタTrを流れる 電流IDの電流パルスは、図1のトランジスタQ2の電圧VEQ2により決まる しきい値に達したとき、図2cの時刻t1で止まり、誤差信号を形成する誤差電 流Ieにより確立される。誤差信号は実際に、巻線L1のインダクタンスを流れ る電流IDの電流パルスのピーク電流を制御する。制御回路は、誤差増幅器23 のダイナミックレンジを使用すること無しに、電圧B+の入力電圧変動をフィー ドフォワードで瞬時に補正する。この様に、電流モード調整と調整されたSMP Sの、両方の優位な点が得られる。 本発明の過電流保護回路200は、整流器200aを有する。整流器200a は、電圧VR12が現れる接続端子と積分キャパシタC11の間に接続された整 流ダイオードD19と直列に接続された抵抗18を有する。抵抗R19は、キャ パシタC11と平行に接続され、キャパシタC11に蓄積された電荷の放電経路 を与える。 キャパシタC11の電圧は、ベース電流制限抵抗R20を介して、トランジスタ Q6のベース電極に接続される。トランジスタQ6は、 トランジスタQ5と接続され、R−Sフリップフロップ又は、ラッチ200bを 構成する。トランジスタQ5のエミッタは、トランジスタQ1のベースに接続さ れ、Q5が導通したときにトランジスタQ3を遮断してトランジスタQ1をオン する。 抵抗R18と積分器キャパシタC11の時定数は、抵抗R12による電圧VR 12の長期ピーク値を決定する。過度の負荷電流がトランジスタQ3に過度の電 流IDを生成する場合、十分長い期間、例えば、数100ミリ秒、電流IDのあ るサイクルから次のサイクルで、キャパシタC11の電圧は徐々に上昇する。キ ャパシタC11の電圧が、トランジスタQ6をオンするのに十分高くなったとき 、再生式動作はトランジスタQ5をオンする。この結果、ラッチ200bは、ト ランジスタQ3のゲートから駆動電圧VGを遮断する導通スイッチとして動作す る。従って、電源は発振を止め、負荷への電力供給を止める。 本発明の特徴に従って、過電流状態が、トランジスタQ3の安全動作で許され ているよりも例えば、数100ミリ秒と長い間継続するときには、過電流保護回 路200は、トランジスタQ3を遮断する。逆に、過電流状態が短い期間のみな ら、トランジスタQ3の動作は中断されない。 有利に、電流IDが高い期間の長さが比較的短い条件では、電流IDのピーク レベルが、短い期間の間、所定の安全値を超えることができる。回路200は、 短期間の長さと、所定の長い期間の電流IDの安全値とを設定する。過電流の期 間が短いときには、トランジスタQ3は許容範囲を超える電流IDにより損害を 受けないのでトランジスタQ3の要求される最大電流許容範囲は緩和できる。例 えば、ビデオディスクドライブで使用されるモータのスタート期間が短く、SM PS100により電力が供給されているときなどである。しかし、故障が起き、 潜在的に有害な過電流が長い期間存在するときには、トランジスタQ3はそのよ うな過電流状態から保護さ れる。 電力の遮断に続いて、キャパシタC11は徐々に放電される。トランジスタQ 5とQ6を流れる電流がラッチ条件を維持するレベル以下に低下した場合、導通 は止み、電源は通常の開始シーケンスを始める。オン/オフサイクルは異常な高 負荷が存在する限り継続する。抵抗R19はキャパシタC11に放電経路を提供 し、ラッチ200bのトランジスタがオンすること無しに通常のピークの負荷電 流が供給される。 前述のように、DC電圧V2は抵抗R6を介してトランジスタQ2のベースに 接続され、抵抗R11を通して電圧VBQ2の第2部分を生じる。図2cの期間 t0からt1では、図1の電圧V2は電圧B+にトランスT1の巻線L3とL1 の巻数比を掛けたものに等しい。 トランジスタQ2のしきい値レベルは電圧V2に応じて変わり、そして、それ ゆえ、電圧B+に応じて変わる。この様に、電流IDのピーク値も電圧B+に応 じて変わる。この特徴は、SMPS100の一定な電力供給能力を維持し、それ によって、高AC本線電源(図示していない)で過度の電力供給がされない。 本発明の他の特徴に従って、電圧VR12はデューティーサイクル変調器のコ ンパレータトランジスタQ2及び、トランジスタQ3を含まない信号経路の各々 を経由して過電流保護回路200aへ結合される。デューティーサイクル変調器 と過電流保護回路200aに共通に電圧VR12を発生する電流センサ抵抗R1 2を使用することで、回路は簡単になる。
【手続補正書】特許法第184条の4第4項 【提出日】平成10年8月20日(1998.8.20) 【補正内容】 請求の範囲 1.入力電源電圧の供給源と、 前記入力電源電圧の前記供給源に結合したインダクタンスと、 前記インダクタンスに結合し、前記電源の出力を生成する負荷回路に結合した 前記インダクタンスを流れる電流パルスを生成するための周期的スイッチ制御信 号に応答する第1のトランジスタスイッチと、 電流パルス毎の基準で、電流モード制御での前記電源出力を制御する前記スイ ッチ制御信号を発生する所定の電流パルスを示す信号に応答する変調器と、 過電流状態が複数の前記電流パルスの間に継続したときには、前記電源出力を 減少させる前記電流パルス指示信号に応答し、前記過電流状態が前記複数の電流 パルスよりも少ない数の期間継続したときには、電源出力減少動作を行わない過 電流保護回路と、 対応する信号経路で、前記過電流保護回路と前記変調器のそれぞれに結合した 前記電流パルス指示信号を発生する前記所定の電流パルスに応答する電流センサ とを有するスイッチモード電源装置。 2.各々の前記信号経路(R11経由、R18経由)は前記トランジスタスイッ チ(Q3)を含まない請求項1記載の装置。 12.前記過電流保護回路の信号経路中で結合し、前記変調器の信号経路中で結 合しないパルス積分器を更に有する請求項1記載の装置。 13.前記パルス積分器は前記所定の電流パルスの一部分を積分するキャパシタ を有する請求項12記載の装置。
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.入力電源電圧の供給源(RAW B+)と、 前記入力電源電圧の前記供給源に結合したインダクタンス(L1)と、 前記インダクタンスに結合し、前記電源の出力(VOUT)を生成する負荷回 路に結合した前記インダクタンスを流れる電流パルス(IL1)を生成するため の周期的スイッチ制御信号(VG)に応答する第1のトランジスタスイッチ(Q 3)と、 電流パルス毎の基準で、電流モード制御での前記電源出力を制御する前記スイ ッチ制御信号を発生する所定の電流パルスを示す信号(VR12)に応答する変 調器(Q2)と、 過電流状態が発生したときに、前記電源出力を停止する前記電流パルス指示信 号に応答する過電流保護回路(200)と、 対応する信号経路(R11経由、R18経由)を経由して、前記過電流保護回 路と前記変調器のそれぞれに結合した前記電流パルス指示信号を発生する前記所 定の電流パルスに応答する電流センサ(R12)とを有するスイッチモード電源 装置。 2.各々の前記信号経路(R11経由、R18経由)は前記トランジスタスイッ チ(Q3)を含まない請求項1記載の装置。 3.前記過電流保護回路(200)は、各々の電流パルスが発生したときに、前 記電流パルス指示信号(VR12)に応答し、且つ、前記キャパシタに関連した 時定数(R8,C11)に従って決まるレートの傾斜で立ち上る、ランプ状に立 ち上るキャパシタ電圧を生成するフィルタキャパシタ(C11)に結合した整流 器(D19) と、 前記ランプ状に立ち上るキャパシタ電圧が前記過電流状態に関連したしきい値 に達したときに検出する検出器(Q6)とを有する請求項1記載の装置。 4.前記キャパシタ(C11)は前記第1のトランジスタスイッチの制御端子( ゲート)に接続された再生式スイッチ(Q5,Q6)に接続され、 前記キャパシタ電圧が前記再生式スイッチのトリガレベルに達したときに前記 第1のトランジスタスイッチ(Q3)を遮断する請求項3記載の装置。 5.前記過電流状態が、前記所定の電流パルス(IL1)の期間よりも実質的に 長い間継続するときには、 前記過電流保護回路(200)は電源出力を遮断する請求項1記載の装置。 6.調整された共振回路(21)を構成する前記インダクタンス(L1)に接続 されたキャパシタンス(C6)をさらに有し、 前記第1のトランジスタスイッチ(Q3)がオフされているときには、前記第 1のトランジスタスイッチ(Q3)の主電流導通端子(ソース−ドレイン)の組 の間で実質的にゼロ電圧を維持するように前記スイッチ制御信号が生成される、 請求項1記載の装置。 7.前記第1のトランジスタスイッチの所定のスイッチング期間に、 前記共振回路に半サイクルの発振を起こす前記共振回路(21)に共振パルス (VD)が現れる、請求項6記載の装置。 8.前記第1のトランジスタスイッチ(Q3)がオンしているときに、 前記第1のトランジスタスイッチ(Q3)の前記主電流導通端子間(ソース− ドレイン)を実質的にゼロ電圧に維持するために前記主電流導通端子間に低イン ピーダンスを与える、第1のトランジスタスイッチに結合された第2のスイッチ (D6)を更に有する請求項6記載の装置。 9.前記第2のスイッチ(D6)は、前記第1のトランジスタスイッチ(Q3) に平行に接続された制動ダイオードを有する請求項8記載の装置。 10.第2の信号に従って、前記電源の前記出力(VOUT)を制御する第2の 信号の供給源(23)を更に有し、 前記電流センサ(R12)は、前記所定の電流パルスが前記第2の信号により 決まるしきい値を超えたときに、前記所定の電流パルスの前記ランプ部分の間、 前記第1のトランジスタスイッチ(Q3)に直列に接続され、前記電流パルス (IL1)のランプ部分を示すランプ電圧(VR2)を発生し、且つ、前記変調 器(Q2)に接続され、前記スイッチ制御信号(VG)の状態を変化させる抵抗 を有する請求項1記載の装置。 11.入力電源電圧の供給源(RAW B+)と、 前記入力電源電圧の前記供給源に結合したインダクタンス(L1)と、 前記インダクタンスに結合し、前記電源の出力(VOUT)を生成する負荷回 路に結合した前記インダクタンスを流れる電流パルスを生成するための周期的ス イッチ制御信号(VG)に応答するトランジスタスイッチ(Q3)と、 ランプ状に変化する電流パルス毎の基準で、電流モード制御での前記所定の電 流パルスを制御する前記スイッチ制御信号を発生する所定の電流パルスに応答し 、且つ、前記第1の再生式スイッチのしきい値を超えたとき、前記電流パルスの 各期間で前記トランジスタスイッチを遮断する、前記トランジスタスイッチの前 記制御端子に結合した第1の再生式スイッチ(Q1,Q2)に結合した変調器( Q2)と、 前記電流パルスの振幅が第1の値を超え、且つ、前記所定の電流パルスの期間 よりも実質的に長い第1の期間よりも長く継続するときに、前記過電流状態が発 生し、 前記第1の期間よりも短い期間に前記電流パルスの振幅が第1の値を超えたと きは、前記トランジスタスイッチの動作は中断されない、前記電流パルスに応答 し、過電流状態が発生したときに、前記トランジスタスイッチを遮断する第2の 再生式スイッチ(Q5,Q6)とを有する過電流保護回路(200)とを有する スイッチモード電源装置。
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