JP4535986B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に入力電源に異常があっても電源の使用装置に支障を来たさず安定して電力を供給するスイッチング電源装置に関する。

高性能な通信装置に搭載されるスイッチング電源装置は、高信頼性,高効率,小型であることを特徴とする。特に、入力電源がショート状態またはオープン状態で電力の供給を停止するという入力異常があっても、スイッチング電源装置は、使用装置側の負荷への電源供給を停止しないこと、またはスイッチング電源装置が入力断信号を送出してから負荷が動作している間に使用装置側で情報データや機器の保護を行うための出力保持時間を確保することが望まれる。

従来のこの種の第１の技術は、図６に示すように、直流入力源１と負荷４との間に入力安定化回路を介在させ、直流入力源１が瞬時短絡した際に、通常動作時に充電されているコンデンサ２からの放電を防止して負荷４へ電力を供給するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

通常動作時には、直流入力源１からトランジスタ28とトランジスタ28の寄生ダイオード29を介して負荷４に電力を供給し、またコンデンサ２にエネルギーが蓄えられる。このとき、カレントトランス５の二次側に電圧は発生せずトランジスタ20はオフ状態である。従って、トランジスタ28は、抵抗18，19による分圧電圧でオン状態となって寄生ダイオード29での損出を削減している。

直流入力源１がショート状態で瞬断した場合、コンデンサ２に蓄えられたエネルギーが放電し、直流入力源１への逆電流が流れる。カレントトランス５は、この電流を検出し、二次側に電圧が発生する。この発生した電圧は、ダイオード７により整流、コンデンサ８により平滑され、抵抗16，17により分圧されてトランジスタ20のゲートに印加される。

このため、トランジスタ20がオンするので抵抗19の両端がショートされ、トランジスタ28のゲート電圧がなくなる。これにより、トランジスタ28がオフし、また寄生ダイオード29は逆方向接続であるため、コンデンサ２のエネルギーがショート回路を経由して放電するのを遮断するので、コンデンサ２の放電は微少で済む。

また、従来のこの種の第２の技術は、図７に示すように、交流入力源30からの入力電力ラインにカレントトランス33を設け、交流入力源30がオープン状態で瞬断した際に、カレントトランス33の二次側の比較回路36が入力断信号を瞬時に送出するようにしている（例えば、特許文献２参照）。

通常動作時には、交流入力源30から供給された交流電圧は、コイル31とコンデンサ32の入力フィルタ回路を経由して、ダイオード39とコンデンサ２で整流・平滑した直流電圧となり、DC/DC電源３を動作させ、負荷４に安定した直流電圧を供給し、またコンデンサ２にエネルギーが蓄えられる。このとき、交流入力電流を検出するカレントトランス33の二次側の抵抗34とダイオード35は検出電流を直流電圧に変換し、比較回路36は検出電圧と内部の基準電圧で比較して正常状態と判断する。このため、比較回路36は入力断信号を送出することも、ドライブ回路37によりトランジスタ38を駆動させることもない。

交流入力源30がオープン状態で瞬断した場合、入力電力ラインには交流入力電流が流れなくなるのでカレントトランス33において電流が検出されず、比較回路36は電源入力停止と判断し、入力断信号を瞬時に送出する。また、ドライブ回路37にも信号を送りトランジスタ38を駆動させ、コンデンサ２に蓄積されているエネルギーを強制的に引き抜くことにより危険電圧を瞬時に取り除く。なお、このときの放電電流は通常動作時の電流に対して非常に小さいので、瞬断を検出するのに遅れを生じることはない。

特開２００２−３１５２０１号公報（第３頁−第４頁、図１） 特開平０４−３５１４７０号公報（第３頁、図１）

しかしながら、上述した特許文献１記載の技術では、直流入力源１のショート時に通常時とは逆方向へ流れる入力電流のみを検出して、ショート状態での入力瞬断を検出しコンデンサ２のエネルギーの放電を遮断する回路であるため、直流入力源１のオープン状態での入力瞬断には検出できないという問題点がある。

また、上述した特許文献２記載の技術では、特に高効率の回路において入力が正常状態にも拘わらず、出力が軽負荷または無負荷状態になると入力電流が非常に微小となり、入力断信号の誤送出をする可能性があり信頼性が低下するという問題点がある。更に、引き抜き回路の誤動作による部品破損をする可能性もある。その理由は、入力正常時に流れている入力電流が入力異常時に流れなくなったことを検出して入力断信号を送出しているため、特に高効率の回路において入力が正常状態であっても、出力が軽負荷または無負荷状態になると入力電流が非常に微小となり、入力異常での入力電流状態との区別ができないからである。

そこで、本発明の第１の目的は、入力電力の供給がショートとオープンのいずれの状態で停止しても、情報データや機器の保護を行うために出力保持時間を確保するために、入力断信号を瞬時に送出することができるスイッチング電源装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、軽負荷または無負荷等負荷電流の変動に対しても入力断信号を誤って出力しないスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明のスイッチング電源装置は、直流入力源（図１の１）から供給される直流電圧を安定して負荷へ供給するスイッチング電源装置において、直流電圧を蓄積し所定の事態に負荷に供給して負荷への入力を安定化させる蓄積手段（図１の２）と、通常動作時における直流入力源からの入力電流を検出する入力検出手段（図１の９〜11）と、入力電流が検出されなくなると直流入力源をバイパスすることにより蓄積手段から逆電流を流させて放電する放電路を形成する放電路形成手段（図１の11〜15）と、放電路による蓄積手段から放電された逆電流を検出する手段（図１の５〜８，16〜17）と、逆電流が検出されると直流電圧の分圧比を変化させる分圧可変手段（図１の18〜20）と、分圧比の変化により入力断信号を出力する入力断検出手段（図１の27）を設けたことを特徴とする。

より具体的には、本発明のスイッチング電源装置は、直流入力源（図１の１）から供給される直流電圧を安定して負荷へ供給するスイッチング電源装置において、直流電圧を蓄積し所定の事態に負荷に供給して負荷（図１の４）への入力を安定化させる第１のコンデンサ（図１の２）と、直流入力源（図１の１）と第１のコンデンサとの間の入力電流ラインに挿入されたカレントトランス（図１の５）と、カレントトランスの二次側に通常動作時に発生する電圧で充電され入力電流が検出されなくなると放電する第２のコンデンサ（図１の10）と、第２のコンデンサの充電電圧でオフし放電によりオンして、直流入力源をバイパスすることにより第１のコンデンサから逆電流を流させて放電する放電路を形成する第１のトランジスタ（図１の15）と、カレントトランスの二次側で検出される第１のコンデンサから放電された逆電流によりオン／オフして、直流電圧の分圧比を変化させる第２のトランジスタ（図１の20）と、分圧比の変化により入力断信号を出力する入力断検出回路（図１の27）を設けたことを特徴とする。

本発明の第１の効果は、直流入力源がショート状態で瞬断し場合であっても、オープン状態で瞬断し場合であっても、瞬時に入力断を検出することができるということである。その理由は、直流入力源と蓄積手段の入力電流ラインの間に、入力電流が検出されなくなると蓄積手段の放電路を形成して、蓄積手段から逆電流を流させ、逆電流に起因する信号により入力断信号を送出する構成としたためである。

本発明の第２の効果は、通常動作状態であれば、軽負荷または無負荷等負荷電流の変動に対しても入力断信号という誤動作をしないということである。その理由は、入力断信号を送出するのは、蓄積手段からの逆電流に起因する信号によるが、軽負荷または無負荷であっても、逆電流が流れるということはないからである。

直流入力源から供給された直流電圧を入力し、保持時間を保つためのコンデンサと、負荷へ安定化した直流電圧を供給するDC/DC電源とから構成されるスイッチング電源装置において、直流入力源とコンデンサの入力電流ラインの間にカレントトランスを挿入し、カレントトランスの二次側にオープン状態での入力瞬断検出回路として、カレントトランスに逆電流を発生させるトランジスタと抵抗を備える。このような構成を採用し、軽負荷または無負荷等負荷電流の変動に対しても入力断信号の誤動作しないスイッチング電源装置を提供できる。以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［構成の説明］
図１は本発明のスイッチング電源装置の一実施例を示すブロック図である。この実施例では、直流入力源１は、例えばバッテリから成る直流電源であり負荷４へ直流電圧を供給する。そして、直流入力源１がショート状態で遮断して場合であっても、オープン状態で遮断した場合であっても、その異常を正確に検出し入力断信号を出力することができる。また、軽負荷または無負荷等負荷電流の変動に対しても入力断信号の誤動作をしない。図１において、図６および図７における構成要素と機能が同等の構成要素には同じ参照番号を付している。

このスイッチング電源装置は、直流入力源１からの直流電圧を負荷４へ供給する電圧供給手段と、直流入力源１がショート状態で瞬断したことを感知するショート瞬断感知手段と、直流入力源１がオープン状態で瞬断したことを感知するオープン瞬断感知手段と、直流入力源１が遮断したことを検出する入力断検出手段とを有する。

電力供給手段の主要な構成要素はコンデンサ２とDC/DC電源３である。コンデンサ２は直流入力源１から供給される直流電圧を平滑化し、DC/DC電源３は平滑化された直流電圧を安定化させて負荷４に供給する。

ショート瞬断感知手段の主要な構成要素は、直流入力源１とコンデンサ２の入力電流ラインに挿入したカレントトランス５と、カレントトランス５による通常動作時の入力電流とは逆に流れる電流を電圧化する抵抗６と、電流を整流するダイオード７と、平滑化するコンデンサ８と、その電圧を分圧する抵抗16，17と、分圧電圧によりオンするトランジスタ20と、トランジスタ20のオンによりショート回路を経由した放電路を切断するライン切離しスイッチ21から成る。ライン切離しスイッチ21は、具体的には、図６におけるトランジスタ28およびダイオード29で構成される。なお、カレントトランス５は、一次側に流れる電流が直流であっても二次側に電流を発生する機能を有する。

オープン瞬断感知手段の主要な構成要素は、上記のショート瞬断感知手段の主要な構成要素に加え、コンデンサ10の電荷を放電するための抵抗11と、カレントトランス５に逆電流を流させるための経路を形成するトランジスタ15，抵抗14と、抵抗11と共にトランジスタ15をオンさせるためにカレントトランス５の一次側電圧を分圧する抵抗12，13である。

また、入力断検出手段の主要な構成要素は、直流入力源１の電圧を分圧する抵抗18，19および抵抗22，23と、基準電圧25と、直流入力源１の電圧から基準電圧25を比較回路26へ供給するための抵抗24と、オペアンプ等で構成される比較回路26である。抵抗18，19は直流入力源１の瞬断用、その他の要素は直流入力源１の緩やかな遮断用として機能する。比較回路26は、抵抗22，23による分圧電圧と基準電圧25を比較して、その結果を入力断検出回路27へ出力する。

入力断検出回路27は、上記のように、ショート状態での入力瞬断，オープン状態での入力瞬断または直流入力源１の経時的な劣化等による入力電圧の異常を検出すると入力断信号を出力する。しかし、通常動作時には、軽負荷または無負荷等負荷電流の変動に対しても入力断信号を出力することはない。
［動作の説明］
次に、本実施例の動作について、正常負荷動作時，軽（無）負荷動作時，ショート状態での入力断時およびオープン状態での入力断時の各場合に分けて、図２〜図５をも参照しながら説明する。これらの図において、各場合におけるトランジスタおよびダイオードのオン／オフと、直流入力源１のショート／オープンを実線の有無で示し、また回路要所の電流の方向を矢印で示している。この大胆な図示は、必ずしも実態を正確に表示するものではなく説明を単純化するためである。

図２は、正常負荷動作時における本実施例の実質的な接続を示すように、図１を書き変えたものである。この場合、直流入力源１から供給された直流電圧は、保持時間を保つためのコンデンサ２を経由して、DC/DC電源３を動作させ、負荷４に安定した直流電圧を供給する。直流入力源１とコンデンサ２の入力電流ラインに挿入されているカレントトランス５には、正常動作電流が流れ、カレントトランス５の二次側に電流を発生し、この電流はダイオード９で整流され、コンデンサ10で平滑された電圧となる。

二次側の電流はコンデンサ10を充電し、充電電圧はトランジスタ15のゲートに対してマイナス電位を与えるため、抵抗11，12，13による比例電圧により、トランジスタ15はゲート電圧が動作電圧まで達さずオフ状態となる。また、ダイオード７はオフ状態であるため、トランジスタ20もオフ状態である。このとき、ライン切離しスイッチ21の内のトランジスタ28は抵抗18，19による直流入力源１の分圧電圧によりオン状態となり、寄生ダイオード29での損出を削減している。

抵抗18，19による直流入力源１の分圧電圧は入力断検出回路27に供給されるが、これは正常な電圧であるから入力断検出回路27が入力断信号を出力することはない。

図３は、軽負荷または無負荷動作時における本実施例の実質的な接続を示すように、図１を書き変えたものである。この場合、カレントトランス５が負荷電流の影響を受け、正常負荷状態（図２）に比べて入力電流が非常に微小になる。そのため、カレントトランス５の二次側に発生したコンデンサ10の電圧が無くなったと見做される可能性がある。このときは、トランジスタ15がオンし、抵抗14に電流を流す。

抵抗14を流れる電流は、直流入力源１から流れるため正常負荷動作時と同等に作用し、抵抗18，19による直流入力源１の分圧電圧は入力断検出回路27に供給される。このため、入力断検出回路27から入力断信号を送出しない。抵抗14に流す電流は、軽負荷状態のため入力電流には影響しない。

図４は、直流入力源１が低インピーダンス、つまりショート状態で電力の供給を停止した場合における本実施例の実質的な接続を示すように、図１を書き変えたものである。この場合、出力を保持するためのコンデンサ２に蓄積されたエネルギーは、カレントトランス５を経由して、低インピーダンス側の直流入力源１側に放出しようとする。このとき、カレントトランス５に流れた逆電流が二次側にも発生する。

このカレントトランス５の二次側に発生した電流は、ダイオード７で整流、コンデンサ８で平滑し、抵抗16，17で分圧されて、トランジスタ20のゲートに電圧として印加される。このため、トランジスタ20はゲート電圧の上昇によりオンして、抵抗19がショートされるので、ライン切離しスイッチ21の内のトランジスタ28はゲート電圧が動作電圧まで達さずオフ状態となる。この結果、ライン切離しスイッチ21がオフし、また寄生ダイオード29は逆方向の接続であるため、コンデンサ２のエネルギーがショート回路を経由して放電するのを遮断するので、コンデンサ２の放電は微少で済む。

また、通常動作時にカレントトランス５の二次側に発生したコンデンサ10の電圧が抵抗11へ放電して無くなり、抵抗12，13，11の比例電圧により、トランジスタ15のゲート電圧が動作電圧まで達してオンする。これにより、コンデンサ２の放電路が形成される。

この場合、トランジスタ20のドレイン側に接続している電位は、トランジスタ20のオン動作により通常動作時（図２，図３）とは異なってトランジスタ20のソース電位となるので、入力断検出回路27で異常を検出し入力断信号を送出する。

図５は、直流入力源１が高インピーダンス、つまりオープン状態で電力の供給を停止した場合における本実施例の実質的な接続を示すように、図１を書き変えたものである。この場合、カレントトランス５に電流が流れない状態となる。このとき、通常動作時にカレントトランス５の二次側に発生したコンデンサ10の電圧が抵抗11へ放電して無くなり、抵抗12，13，11の比例電圧により、トランジスタ15のゲート電圧が動作電圧まで達してオンする。

トランジスタ15のオンにより、抵抗14が低インピーダンスとなるため、コンデンサ２からカレントトランス５を経由して逆電流を流す。この電流により、入力がショート状態（図４）と同等の動作となり、入力断検出回路27より入力断信号を送出する。このとき、抵抗14はカレントトランス５が電流を検出できる電流を流し、かつコンデンサ２の放電を最小限に抑える値とする。

次に、直流入力源１からの入力電圧は、図１に示したように、抵抗22，23によっても分圧され、分圧電圧はオペアンプ26の一方の入力に供給されて基準電圧25と比較され、その比較結果が入力断検出回路27へ出力されている。従って、直流入力源１からの入力電圧が、直流入力源１のショート状態（図４）やオープン状態（図５）で遮断するのではなく、徐々に低下した場合であっても、入力断検出回路27で異常を検出し、入力断検出回路27から入力断信号を送出することができる。

本発明のスイッチング電源装置の一実施例を示す構成図 図１の実施例の正常負荷動作時における実質的な接続を示す図 図１の実施例の軽（無）負荷動作時における実質的な接続を示す図 図１の実施例の入力遮断（ショート状態）時における実質的な接続を示す図 図１の実施例の入力遮断（オープン状態）時における実質的な接続を示す図 第１の従来例を示す構成図 第２の従来例を示す構成図

符号の説明

１ 直流入力源
２,８,10 コンデンサ
３ DC/DC電源
４ 負荷
５ カレントトランス
６ 抵抗
11〜14 抵抗
７,９ ダイオード
15,20,28 トランジスタ
16〜19 抵抗
22〜24 抵抗
21 ライン切離しスイッチ
25 基準電圧
26 比較回路
27 入力断検出回路
29 寄生ダイオード

Claims (2)

1. 直流入力源から供給される直流電圧を安定して負荷へ供給するスイッチング電源装置において、
   前記直流電圧を蓄積し所定の事態に前記負荷に供給して前記負荷への入力を安定化させる蓄積手段と、
   通常動作時における前記直流入力源からの入力電流を検出する入力検出手段と、
   前記入力電流が検出されなくなると前記直流入力源をバイパスすることにより前記蓄積手段から逆電流を流させて放電する放電路を形成する放電路形成手段と、
   前記放電路による前記蓄積手段から放電された逆電流を検出する手段と、
   前記逆電流が検出されると前記直流電圧の分圧比を変化させる分圧可変手段と、
   前記分圧比の変化により入力断信号を出力する入力断検出手段を設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 直流入力源から供給される直流電圧を安定して負荷へ供給するスイッチング電源装置において、
   前記直流電圧を蓄積し所定の事態に前記負荷に供給して前記負荷への入力を安定化させる第１のコンデンサと、
   前記直流入力源と前記第１のコンデンサとの間の入力電流ラインに挿入されたカレントトランスと、
   前記カレントトランスの二次側に通常動作時に発生する電圧で充電され前記入力電流が検出されなくなると放電する第２のコンデンサと、
   前記第２のコンデンサの充電電圧でオフし放電によりオンして、前記直流入力源をバイパスすることにより前記第１のコンデンサから逆電流を流させて放電する放電路を形成する第１のトランジスタと、
   前記カレントトランスの二次側で検出される前記第１のコンデンサから放電された逆電流によりオン／オフして、前記直流電圧の分圧比を変化させる第２のトランジスタと、
   前記分圧比の変化により入力断信号を出力する入力断検出回路を設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。

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