JP2011244659A - 絶縁型スイッチングｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】出力短絡時に高速で確実に応答し、１次側へのフィードバック信号を瞬時に伝達できるようにすることで、回路や部品を保護し、しかも効率を損なうことなく且つ安価に作製できるようにする。
【解決手段】スイッチングトランスの２次側に出力電圧の誤差増幅器１０と制御カプラ発光部１２とを組み込み、誤差増幅器により制御カプラ発光部を流れる電流を制御し、制御カプラによって１次側のスイッチング制御ＩＣにフィードバックして１次側スイッチ素子の発振を制御することで２次側出力電圧を安定化する方式の絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータである。前記制御カプラ発光部と２次側出力ラインとの間をＯＲダイオードＤ１と抵抗Ｒ１の直列接続で直接接続した出力短絡保護回路１４を設け、出力短絡時に制御カプラ発光部を流れる電流量を直接変化させるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ関し、更に詳しく述べると、出力短絡時に、１次側へのフィードバック制御のための制御カプラを流れる電流を、出力ラインに接続したＯＲダイオードにより直接大幅に変化させ、それによって出力短絡時の応答を改善するようにした出力短絡保護回路を備えている絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。

絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータは、トランスを用いて１次側と２次側を絶縁し、２次側出力電圧を１次側にフィードバックして１次側のスイッチ素子を制御することで２次側出力電圧を安定化させるスイッチング電源装置である。２次側出力の１次側制御ＩＣへのフィードバックには、制御カプラとして、本質的に電気絶縁機能を備えているホトカプラが使用される。近年、絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータには益々高効率化が要求されており、その内部損失を低減させるために、１次側のスイッチ素子にはＦＥＴが、また２次側にもＦＥＴによる同期整流回路が用いられている。このような絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータでは、もし、負荷である電子機器の故障などにより出力に異常（過電流や出力短絡など）が生じた時には、ＦＥＴ等の回路部品保護のために瞬時に１次側スイッチ素子の発振を制御し、スイッチングを停止させるなどの措置を執る必要がある。そのため、様々な保護回路が組み込まれている。

従来、この種の保護回路としては過電流保護回路がある。これは、２次側の出力ラインに組み込んだ電流検出抵抗で電流／電圧変換を行い、電圧変換した信号を過電流検出アンプ（電流アンプ）に入力して基準電圧と比較し、異常検出時には、その過電流検出アンプの出力信号により制御カプラに流れる電流を引き抜き、その電流量の変化を１次側にフィードバックし、１次側のスイッチング制御ＩＣによってスイッチ素子の発振を制御する構成である。出力短絡時には瞬間的に大電流が流れるので、原理的には過電流保護回路を利用して出力短絡保護を図ることができる。そのため、一般的には、過電流保護回路を利用して出力短絡保護が行われていた。しかし、この回路構成では、過電流検出アンプ及び制御カプラの応答速度よりも出力短絡時に１次側／２次側ＦＥＴが定格電流をオーバーするまでの時間の方が短いため、出力短絡時に１次側／２次側ＦＥＴに過大な電流が流れてしまい、ＦＥＴが破損する恐れがあった。従って、このような過電流保護回路では、迅速な出力短絡保護動作は期待できない。

出力短絡保護回路としては、ダイオードと抵抗の直列接続を、出力ラインとシャントレギュレータのリファレンス電圧端子との間に設ける構成がある（特許文献１参照）。この回路では、出力短絡時に、ダイオードと抵抗の直列回路が動作し、シャントレギュレータのリファレンス電圧を低下させることで該シャントレギュレータをオフにして、シャントレギュレータのカソード−アノード間に電流が流れないようにする。シャントレギュレータに電流が流れなくなると、シャントレギュレータと直列に接続されている制御カプラにも電流が流れなくなる。制御カプラに流れる電流量により、１次側スイッチ素子の発振のパルス幅制御を行っているため、電流が流れなくなるとパルス幅の絞り込みが行われ、最終的には発振が停止し、出力短絡保護を図ることができる。

しかし、シャントレギュレータは、そのリファレンス電圧が、例えば１．２２５Ｖというように低電圧の品種が主流となりつつある。低電圧の方が速く動作させることができるし、ＩＣ等の回路電源電圧Ｖccにおける選択の自由度（回路設計の自由度）が大きくなるからである。他方、ダイオードについて見ると、リーク電流が小さい品種は順方向電圧降下Ｖf が大きいという特性がある。また、シャントレギュレータやダイオードなど使用部品の特性のばらつき、抵抗値のばらつきなども考慮する必要があるし、更には環境温度の変化（例えば−４０℃〜＋８０℃）にも対応できなければならない。そのような条件を考慮したとき、前記のような回路構成で、リファレンス電圧の低いタイプのシャントレギュレータを用い、出力短絡時に１次側の発振を瞬時に確実に止められるかが大きな問題となる。Ｖf の小さなダイオードを使用し、使用部品の更なる選別などを行えば、この問題を解決できる可能性はあるが、低Ｖf ダイオード（ショットキーバリアダイオード）はリーク電流が大きいため効率低下を招くことになり、更にはリーク電流による誤動作誘発の危険性があることから、賢明な手法とは言えない。

特開平５−３０７５３号公報

本発明が解決しようとする課題は、出力短絡時に高速で確実に応答して１次側へのフィードバック信号を瞬時に伝達できるようにすることで、回路や部品を保護し、しかも効率を損なうことなく且つ安価に作製できるようにすることである。

本発明は、スイッチングトランスの２次側に出力電圧の誤差増幅器と制御カプラ発光部とを組み込み、該誤差増幅器により前記制御カプラ発光部を流れる電流を制御し、該制御カプラによって１次側のスイッチング制御ＩＣにフィードバックして１次側スイッチ素子の発振を制御することで２次側出力電圧を安定化する絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記制御カプラ発光部と２次側出力ラインとの間をＯＲダイオードと抵抗の直列接続で直接接続した出力短絡保護回路を設け、出力短絡時に制御カプラ発光部を流れる電流量を直接変化させるようにしたことを特徴とする絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータである。

ここで、前記出力短絡保護回路とは別に、２次側の出力ラインに電流／電圧変換を行う電流検出抵抗を組み込み、電圧変換した信号を過電流検出アンプに入力し、該過電流検出アンプの出力信号により過電流制御用のＯＲダイオードを介して制御カプラ発光部を流れる電流を変化させる過電流保護回路を設けるのがよい。

本発明に係る絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータは、制御カプラ発光部と２次側出力ラインとの間をＯＲダイオードと抵抗の直列接続で直接接続した出力短絡保護回路を設けるだけなので、必要な部品はダイオードと抵抗のみでよく、安価に作製できる。動作的には、出力短絡時に制御カプラ発光部を流れる電流量を直接変化させる方式なので、電流量を瞬時に大幅に増大させることができる。そのため、出力短絡時の応答速度が改善され、１次側／２次側ＦＥＴなどの回路部品に過大な電流が流れるのを阻止でき、それら回路部品の破損の恐れがなくなる。また、回路的には、ダイオードの順方向電圧降下Ｖf が大きくても構わないため、リーク電流が小さい品種のダイオードが使用でき、内部損失を低減できるし、部品特性のばらつきや環境温度の変動にも余裕が生じるので、装置の設計や製作が容易となる。

本発明の要部を示す説明図。 本発明に係る絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータの一実施例を示す回路図。

本発明は、出力短絡保護専用の回路を組み込んだ絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータである。図１では、出力短絡保護回路が組み込まれるスイッチングトランスの２次側を簡略化し、要部のみを示している。

スイッチングトランスの２次側には、出力電圧の誤差増幅器１０と制御カプラ（ホトカプラ）発光部１２とが組み込まれ、該誤差増幅器１０により前記制御カプラ発光部１２を流れる電流を制御し、該制御カプラによって１次側にフィードバックして２次側出力電圧を安定化制御する。出力短絡保護回路１４は、前記制御カプラ発光部１２と２次側出力ラインＶo との間をＯＲダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との直列接続で直接接続するように構成されている。ここで、負荷装置に異常が生じて出力短絡が発生した時は、出力ラインＶo が０Ｖ（ＧＮＤ）に落ちる。すると、回路電源電圧Ｖccラインから抵抗Ｒ２、制御カプラ発光部１２、出力短絡保護回路１４（ＯＲダイオードＤ１と抵抗Ｒ１の直列接続）を通って電流が流れる。つまり、制御カプラ発光部１２の電流量が直接的に急激に増大する。このため、出力短絡を示す１次側へのフィードバック信号が素早く伝達され、より迅速に１次側スイッチ素子の発振を停止させることができる。

図２では、本発明に係る絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータの一実施例を簡略化して示している。なお、説明を分かりやすくするため、図１と共通する部分については同一符号を付している。コンバータ本体は次のような回路構成である。１次側では、ＤＣ入力をコンデンサとコイルからなる平滑回路２０で平滑化し、２個のコンデンサＣ１，Ｃ２と２個のＦＥＴ（スイッチ素子）Ｑ１，Ｑ２からなるハーフブリッジ型のスイッチング部２２でスイッチングする。２個のＦＥＴＱ１，Ｑ２が交互にオン／オフすることによってスイッチングトランス２４の１次巻線にパルス電流が流れる。スイッチングトランス２４は、１次側と２次側の間を絶縁すると共に、必要な電圧変換を行う。２次側では、２個のＦＥＴＱ３，Ｑ４からなる同期整流回路２６で整流し、コイルとコンデンサからなる平滑回路２８で平滑化する。これによって出力端子間にＤＣ出力が生じる。

２次側の出力電圧は、誤差増幅器１０の一方の入力端子に印加され、他方の入力端子の基準電圧Ｖref1と比較される。回路電源電圧Ｖccから抵抗Ｒ２を介して制御カプラ発光部１２が接続され、更にＯＲダイオードＤ２を介して前記誤差増幅器１０の出力端に接続される。誤差増幅器１０での比較結果によって制御カプラ発光部１２の電流が制御され、光信号で１次側にフィードバックされる。

一次側には駆動ＩＣ３０、スイッチング制御ＩＣ３２、制御カプラ受光部３４が設けられており、該制御カプラ受光部３４で２次側からのフィードバック信号を受け、それが前記スイッチング制御ＩＣ３２に入力する。２個のＦＥＴＱ１，Ｑ２は、前記スイッチング制御ＩＣ３２の出力に基づきパルス幅制御される。ここでは、大きな駆動電流がひつようなため、ＦＥＴ駆動ＩＣ３０によって両ＦＥＴを駆動している。これによって出力電圧の定電圧化が図られる。

通常、このような絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータには、過負荷などの出力異常時における回路部品保護のために過電流保護回路が組み込まれている。これは、２次側の出力ラインに直列に低抵抗の電流検出抵抗Ｒ３を組み込み、該電流検出抵抗Ｒ３で電流／電圧変換を行い、電圧変換した信号を過電流検出アンプ３６に入力して基準電圧Ｖref2と比較し、その過電流検出アンプ３６の出力信号によりＯＲダイオードＤ３を介して制御カプラ発光部１２に流れる電流を引き抜き、その電流量の変化を制御カプラ発光部１２と制御カプラ受光部３４で１次側にフィードバックさせ、１次側のスイッチング制御ＩＣ３２によってＦＥＴＱ１，Ｑ２の発振を制御する構成である。

本実施例では、このような過電流保護回路の他に、出力短絡時における回路部品保護専用の出力短絡保護回路１４を設ける。これは、制御カプラ発光部１２と２次側出力ラインとの間を、ＯＲダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との直列接続で直接接続した回路である。出力短絡時には出力ラインが０Ｖ（ＧＮＤ）に落ちるため、回路電源電圧Ｖccから抵抗Ｒ２、制御カプラ発光部１２、ＯＲダイオードＤ１、抵抗Ｒ１を通る経路で電流が流れる。つまり、制御カプラ発光部１２を流れる電流は、過電流保護回路などを経由することなく、直接、出力短絡保護回路１４を通って流れる。この時、制御カプラ発光部１２を流れる電流量は瞬時に大きく変化（増大）する。そのため、制御カプラによる１次側へのフィードバック信号が素早く伝達され、スイッチング制御ＩＣ３２によってスイッチング部２２のスイッチング動作を、より素早く停止させることができる。これによって、１次側／２次側のＦＥＴなどの回路部品に過大な電流が流れるのを防止でき、そのため破損が生じる恐れが無くなるのである。

１０ 誤差増幅器
１２ 制御カプラ発光部
１４ 出力短絡保護回路
Ｄ１ ＯＲダイオード
Ｒ１ 抵抗

Claims (2)

1. スイッチングトランスの２次側に出力電圧の誤差増幅器と制御カプラ発光部とを組み込み、該誤差増幅器により前記制御カプラ発光部を流れる電流を制御し、該制御カプラによって１次側のスイッチング制御ＩＣにフィードバックして１次側スイッチ素子の発振を制御することで２次側出力電圧を安定化する絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記制御カプラ発光部と２次側出力ラインとの間をＯＲダイオードと抵抗の直列接続で直接接続した出力短絡保護回路を設け、出力短絡時に制御カプラ発光部を流れる電流量を直接変化させるようにしたことを特徴とする絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 前記出力短絡保護回路とは別に、２次側の出力ラインに電流／電圧変換を行う電流検出抵抗を組み込み、電圧変換した信号を過電流検出アンプに入力し、該過電流検出アンプの出力信号により過電流制御用のＯＲダイオードを介して制御カプラ発光部を流れる電流を変化させる過電流保護回路が設けられている請求項１記載の絶縁型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ。

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