JP2020137349A - 温度保護回路、及び、スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】容易な構成で、スイッチング電源の温度保護を可能とすること。【解決手段】スイッチング電源１は、温度センサー８を備える温度保護回路７を有する。温度保護回路７は、スイッチング電源１の一次側に設けられている。温度センサー８は、スイッチング電源１の一次側に設けられたスイッチング素子２用のヒートシンク９に接触されている。温度保護回路７は、さらに、バイポーラトランジスタＱ１〜Ｑ３、抵抗Ｒ６〜Ｒ１０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源の温度保護回路、及び、スイッチング電源に関する。

従来のフライバック式のスイッチング電源の温度保護回路において、温度センサーによる二次側のダイオードの監視、又は、二次側にある部品で、一次側のＭＯＳＦＥＴの温度が監視されていた。特許文献１においては、温度センサーにより、二次側のダイオードの監視が行われている発明が開示されている。

特開２０１７−１３９８３７号公報

しかしながら、大きな出力を持つフライバック型のスイッチング電源では、二次側のダイオードよりも、一次側のＭＯＳＦＥＴの方が、温度上昇が早く、高負荷時には、大きな温度差ができる。このため、一次側のＭＯＳＦＥＴを保護できない状況となることがある。また、二次側の部品で、一次側のＭＯＳＦＥＴを監視する場合、構造上可能な場合もあるが、一般的には、安全距離、及び、絶縁を取ることが難しい。

本発明の目的は、容易な構成で、スイッチング電源の温度保護を可能とすることである。

第１の発明の温度保護回路は、温度センサーを備え、前記スイッチング電源の一次側に設けられることを特徴とする。

本発明では、本発明では、温度保護回路は、スイッチング電源の一次側に設けられている。これにより、安全距離、絶縁を保った状態で、温度センサーを一次側のヒートシンクに接触させることができる。このように、本発明によれば、容易な構成で、スイッチング電源の温度保護を行うことができる。

第２の発明の温度保護回路は、第１の発明の温度保護回路において、前記温度センサーは、スイッチング電源の一次側に設けられたスイッチング素子用のヒートシンクに接触されていることを特徴とする。

第３の発明の温度保護回路は、第１又は第２の発明の温度保護回路において、ベースが、前記温度センサーの出力端子に接続され、エミッタが、第２バイポーラトランジスタのエミッタと、第１抵抗と、に接続され、コレクタが、基準電位に接続された、ｐｎｐ型の第１バイポーラトランジスタと、ベースが、第２抵抗と第３抵抗との間に接続され、エミッタが、第１バイポーラトランジスタのエミッタと、前記第１抵抗と、に接続され、コレクタが、第４抵抗を介して、基準電位に接続された、ｐｎｐ型の第２バイポーラトランジスタと、ベースが、第５抵抗を介して、前記第２バイポーラトランジスタのコレクタと前記第４抵抗との間に接続され、コレクタが、制御回路のフィードバック端子に接続され、エミッタが、基準電位に接続された、ｎｐｎ型の第３バイポーラトランジスタと、カソードが、前記第１抵抗と、前記第２抵抗と、に接続され、アノードが、基準電位に接続された、ツェナーダイオードと、をさらに備えることを特徴とする。

第４の発明のスイッチング電源は、第１〜第３のいずれかの発明の温度保護回路を備えることを特徴とする。

本発明によれば、容易な構成で、スイッチング電源の温度保護を行うことができる。

本発明の実施形態に係るスイッチング電源の回路構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源の回路構成を示す図である。スイッチング電源１は、コンデンサＣ１と、スイッチング素子２と、制御ＩＣ３と、トランス４と、ダイオードＤ１と、コンデンサＣ２と、シャントレギュレーター５と、フォトカプラ６と、を備える。

図示しない整流回路は、交流電源から入力される交流電圧を整流する。コンデンサＣ１は、整流回路が整流した電圧を平滑する。平滑された電圧は、スイッチング素子２に供給される。制御ＩＣ３（制御回路）は、スイッチング素子２を制御する。制御ＩＣ３の電源端子ＶＣＣは、トランス４の補助巻線４３に接続されている。制御ＩＣ３は、補助巻線４３から出力された電圧を整流した電源電圧によって動作する。スイッチング素子２は、制御ＩＣ３により制御され、任意の周波数でスイッチングすることにより、任意の周波数の交流電圧をトランス４の一次巻線４１に供給する。スイッチング素子２は、例えば、ｎ型のＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子２は、コンデンサＣ１からの電圧、又は、接地電位の電圧を一次巻線４１に供給する。トランス４は、一次巻線４１に供給された電圧を変圧して二次巻線４２から出力する。ダイオードＤ１は、二次巻線４２からの交流電圧を整流する。コンデンサＣ２は、ダイオードＤ１が整流した電圧を平滑する。コンデンサＣ２が平滑した電圧が、スイッチング電源１の出力電圧である。スイッチング電源１からの出力電圧は、例えば、図示しない増幅器に供給される。スイッチング電源１と増幅器とで増幅装置が構成される。

シャントレギュレーター５は、スイッチング電源１の二次側でフォトカプラ６に接続されている。また、シャントレギュレーター５は、スイッチング電源１の出力電圧に応じて、フォトカプラ６に流れる電流を変化させる。シャントレギュレーター５のリファレンス端子は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間に接続されている。シャントレギュレーター７のカソードは、フォトカプラ８（発光ダイオードのカソード）に接続されている。シャントレギュレーター７のアノードは、接地電位に接続されている。

フォトカプラ６（フィードバック素子）は、発光ダイオードと、フォトトランジスタと、を有する。発光ダイオードのアノードには、抵抗Ｒ４を介して、スイッチング電源１の出力電圧が供給される。発光ダイオードのカソードは、シャントレギュレーター５に接続されている。フォトトランジスタのコレクタは、制御ＩＣ３のフィードバック端子ＦＢに接続されている。フォトトランジスタのエミッタは、接地電位に接続されている。また、スイッチング電源１の出力電圧は、抵抗Ｒ４、Ｒ５を介して、シャントレギュレーター７に供給される。制御ＩＣ３は、フォトカプラ６にスイッチング電源１の一次側で接続されている。

シャントレギュレーター５は、リファレンス端子に入力される、スイッチング電源１の出力電圧の抵抗Ｒ１、Ｒ２と抵抗Ｒ３とによる分圧に応じて、カソードの吸い込み電流が増減する。シャントレギュレーター５は、リファレンス端子の電圧が高いほど、カソードの吸い込み電流が増加する。また、シャントレギュレーター５は、リファレンス端子の電圧が低いほど、カソードの吸い込み電流が減少する。

フォトカプラ６においては、シャントレギュレーター５の吸い込み電流の増減に応じて、発光ダイオードの電流が増減する。フォトトランジスタの電流の増減は、制御ＩＣ３のフィードバック端子ＦＢの電圧を変化させる。ここで、制御ＩＣ３のフィードバック端子ＦＢには、抵抗を介して、電源が接続されている。このため、フォトトランジスタの電流が増加するほど、フィードバック端子ＦＢの電圧は、減少する。制御ＩＣ３は、フィードバック端子ＦＢの電圧に応じて、スイッチング素子２によるオン／オフのデューティーを変化させて、スイッチング電源１の出力電圧を調整する。

スイッチング電源１は、さらに、温度保護回路７を備える。温度保護回路７は、温度センサー８と、バイポーラトランジスタＱ１〜Ｑ３と、等を備える。温度センサー８は、ヒートシンク９に接触されている。ヒートシンク９は、スイッチング素子２用のヒートシンクである。スイッチング素子２の温度が上昇すると、ヒートシンク９の温度が上昇する。ヒートシンク９の温度が上昇すると、温度センサー８からの出力が上昇する。温度センサー８の電源端子Ｖは、トランス４の補助巻線４３に接続されている。温度センサー８のグラウンド端子Ｇは、接地電位に接続されている。温度センサー８の出力端子Ｏは、バイポーラトランジスタＱ１に接続されている。

バイポーラトランジスタＱ１（第１バイポーラトランジスタ）は、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ１のベースは、温度センサー８の出力端子Ｏに接続されている。バイポーラトランジスタＱ１のエミッタは、バイポーラトランジスタＱ２のエミッタと、抵抗Ｒ６（第１抵抗）と、に接続されている。バイポーラトランジスタＱ１のコレクタは、接地電位（基準電位）に接続されている。バイポーラトランジスタＱ２は、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ７（第２抵抗）と抵抗Ｒ８（第３抵抗）との間に接続されている。バイポーラトランジスタＱ２のエミッタは、バイポーラトランジスタＱ１のエミッタと、抵抗Ｒ６と、に接続されている。バイポーラトランジスタＱ２のコレクタは、抵抗Ｒ９（第４抵抗）を介して、接地電位に接続されている。

バイポーラトランジスタＱ３は、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ３のベースは、抵抗Ｒ１０（第５抵抗）を介して、バイポーラトランジスタＱ２のコレクタと抵抗Ｒ９との間に接続されている。バイポーラトランジスタＱ３のコレクタは、制御ＩＣ３（制御回路）のフィードバック端子ＦＢに接続されている。バイポーラトランジスタＱ３のエミッタは、接地電位に接続されている。

ヒートシンク９の温度が上昇すると、温度センサー８の出力端子Ｏの電圧が、特性に応じて上昇する。出力端子Ｏの電圧が上昇すると、ツェナーダイオードＤ２と抵抗Ｒ７、Ｒ８との分圧で設定されたバイポーラトランジスタＱ２のベース電圧に近づく。出力端子Ｏの電圧と、バイポーラトランジスタＱ２のベース電圧とが、等しくなると、バイポーラトランジスタＱ２がオンし、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ９とで分圧された電圧が発生し、バイポーラトランジスタＱ３がオンする。バイポーラトランジスタＱ３がオンすることで、制御ＩＣ３のフィードバック端子ＦＢがローとなり、制御ＩＣ３は、二次側の電圧をオフする。

従来の、温度センサーが二次側に設置される構造に比べて、温度センサーが一次側に設置される構造のメリットは、以下のとおりである。
（１）保護素子の検出の追従性の向上
（２）絶縁距離を最小化できることによる小型化

従来のスイッチング電源の温度保護としては、二次側のダイオードＤ１のヒートシンク１０に温度センサーが接触され、温度が検出されていた。この従来技術では、１／８パワー等の場合は、問題ないが、負荷が重い場合、スイッチング素子２の温度上昇が急になり、本来保護したい目的の素子を保護できない。そのため、スイッチング素子２用のヒートシンク９に温度センサー８を接触させ、温度検出することが、最も効果的である。しかしながら、ヒートシンク９に温度センサー８を接触させるためには、二次側の素子では、空間距離、及び、沿面距離が問題となる。一次−二次間の沿面距離は、厳密には、動作電圧によるが、ＡＣ２４０Ｖ／５０Ｈｚの商用電源の場合、通常、６ｍｍ程度確保する必要がある。

従来技術では、一次側部品に二次側部品を接触させている例もあるが、この場合、ヒートシンクの羽が、基板面に接触していなかったため、パッケージを絶縁体とみなし、接触面から部品に沿った足までの距離を沿面距離とすることで、安全基準をクリアできている。ブリッジダイオードに主に使用されるヒートシンクは、羽が基板に接触する構造であるため、同様の構造とすると、沿面距離を取ることが難しいことがわかる。また、実際に二次側の温度センサーでＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）を監視する例では、羽の先であり、ＭＯＳＦＥＴ近傍に配置できていないため、温度追従性も悪い。

これらの問題を解決するためには、温度保護回路を一次側に設けることで、沿面距離、空間距離の要求を小さくし、より温度上昇の大きいＭＯＳＦＥＴ近傍に設置することが可能となる。また、一次−二次間の沿面距離を考慮して、温度センサーを配置する必要がないため、より小型に配置できるようになる。

以上説明したように、本実施形態では、温度保護回路７は、スイッチング電源１の一次側に設けられている。これにより、安全距離、絶縁を保った状態で、温度センサー８を一次側のヒートシンク９に接触させることができる。このように、本発明によれば、容易な構成で、スイッチング電源１の温度保護を行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明を適用可能な形態は、上述の実施形態には限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることが可能である。

本発明は、スイッチング電源の温度保護回路、及び、スイッチング電源に好適に採用され得る。

１ スイッチング電源
２ スイッチング素子
３ 制御ＩＣ（制御回路）
４ トランス
７ 温度保護回路
８ 温度センサー
９ ヒートシンク
Ｄ２ ツェナーダイオード
Ｑ１ バイポーラトランジスタ（第１バイポーラトランジスタ）
Ｑ２ バイポーラトランジスタ（第２バイポーラトランジスタ）
Ｑ３ バイポーラトランジスタ（第３バイポーラトランジスタ）
Ｒ６ 抵抗（第１抵抗）
Ｒ７ 抵抗（第２抵抗）
Ｒ８ 抵抗（第３抵抗）
Ｒ９ 抵抗（第４抵抗）
Ｒ１０ 抵抗（第５抵抗）

Claims (4)

1. 温度センサーを備え、前記スイッチング電源の一次側に設けられることを特徴とする温度保護回路。
2. 前記温度センサーは、スイッチング電源の一次側に設けられたスイッチング素子用のヒートシンクに接触されていることを特徴とする請求項１に記載の温度保護回路。
3. ベースが、前記温度センサーの出力端子に接続され、
   エミッタが、第２バイポーラトランジスタのエミッタと、第１抵抗と、に接続され、
   コレクタが、基準電位に接続された、ｐｎｐ型の第１バイポーラトランジスタと、
   ベースが、第２抵抗と第３抵抗との間に接続され、
   エミッタが、第１バイポーラトランジスタのエミッタと、前記第１抵抗と、に接続され、
   コレクタが、第４抵抗を介して、基準電位に接続された、ｐｎｐ型の第２バイポーラトランジスタと、
   ベースが、第５抵抗を介して、前記第２バイポーラトランジスタのコレクタと前記第４抵抗との間に接続され、
   コレクタが、制御回路のフィードバック端子に接続され、
   エミッタが、基準電位に接続された、ｎｐｎ型の第３バイポーラトランジスタと、
   カソードが、前記第１抵抗と、前記第２抵抗と、に接続され、
   アノードが、基準電位に接続された、ツェナーダイオードと、をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度保護回路。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度保護回路を備えることを特徴とするスイッチング電源。

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