JP4729675B2 - スイッチングモード電源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、過電力保護回路及び過電圧保護回路を有するスイッチングモード電源に関する。特に、本発明は入力電圧を受け取るための一次回路、出力電圧を供給するための二次回路、及び第一の期間における入力電圧に関する情報及び第二の期間における出力電圧に関する情報を提供するためのモニタリング回路を有するスイッチングモード電源に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、電気装置は広範囲の電気的な環境下で動作するように設計されなければならない。国際用途向けの電源は通常85〜276Vacの範囲における線間電圧/入力電圧Vlineを許容するように設計される。この電圧範囲はヨーロッパ及びアメリカ合衆国を含むほとんどの地理的領域をカバーするために必要とされる。
【0003】
広く使用されている電源の型式は、入力電圧/線間電圧Vlineが出力電圧Voutに変圧される、図1に示されているスイッチングモード電源である。ここでVoutのレベルは通常必ずしもVlineのレベルよりも低くはならない。一次回路1は時間位相の態様で、変圧器3を使用して二次回路2に変圧される線間電圧Vlineを受け取る。変圧器は一次回路と二次回路との間を直流的に分離する。DC状出力電圧を得るために、二次回路は通常出力信号を整流するための手段を含んでいる。図1に示されているように、出力電圧を整流するための手段はダイオードによる整流器及びコンデンサを有していてもよい。
【0004】
Voutのレベルは、制御可能なスイッチ4を使用して一次回路内の電流Ipを制御することによって制御される。Ipは抵抗5の両端の電圧降下を測定することにより決定される。Ipを表す、測定された電圧降下は制御信号としてパルス幅変調回路(PWM(Pulse Width Modulator) circuit)に入力される。PWM回路は所定の電流値を得るように制御可能なスイッチ4の導通期間を調整する。通常、制御可能なスイッチ4はトランジスタである。変圧器の一次巻き線はインダクタンスLを持つ。PWM回路がトランジスタをスイッチオンすると、Ipは一次回路内において増加し始める。ton(tonはトランジスタの導通期間である)の間にIpの増加する様子が図2に示されている。図2は制御可能なスイッチ4の両端の電圧及び二次回路における電流Isも示している。破線はVlineを示している。
【0005】
Ipが所定値に達すると制御可能なスイッチはスイッチオフする。従って、導通期間はIpの所定のレベルに依存している。すなわちIpのレベルを上昇させることによって導通期間が延びる。自明の理由により導通期間は入力電圧のレベル及び変圧器の一次巻き線のインダクタンスLにも依存している。
【0006】
Ipの所定のレベルが達成されたとき制御可能なスイッチ4は遮断され、変圧器3内の磁気的保存エネルギーは二次回路2に変圧される。二次回路へのエネルギーの変圧は二次回路内の電流Isを誘導する。Isは例えばダイオードによる整流器及びコンデンサ7を組み合わせて使用して整流される。
【0007】
一次回路への入力電力は、
P=1/2LIp 2f (1)
で与えられる。ここで、Lは一次巻き線のインダクタンス、fはPWM動作周波数(f=1/TPWM=1/(ton+toff+tvalley))、及びIpは一次回路における電流を示している。
【0008】
従来技術のスイッチングモード電源で生じる一つの問題は、固定された動作周波数において電源を過電力保護するためにはIpが制限されなければならないということである。
【0009】
固定された動作周波数で電源を動作させる代わりに、従来技術では可変動作周波数で動作するシステム、いわゆる自己発振する電源(SOPS(Self−Oscillating Power Supplies))も開示されている。SOPSにおいて、動作周波数はVlineに依存しているため、最大電力はIpに依存しているばかりでなくVlineにも依存している。この依存性は図3及び4に示されている。ここで図3は低いVlineの状態を示しており、図4は高いVlineの状態を示している。図3と4とを比較すると、Ipの所定値を得るのに必要とされる期間が、高いVlineの場合、より短いことは明らかである。図4において必要とされている、より短い期間はより高い動作周波数をもたらす。従来技術SOPSにおいて、より高い動作周波数はより大きい電力が変圧器に供給されることを示している。変圧器に供給される増大した量の電力は破壊レベルに達するかもしれない。
【0010】
しかし、従来技術において、電源のための過電力保護回路が知られている。使用される回路の種類に依存して、従来技術は電源を停止させ、誤った出力を“クロウバー”保護し、又は電源を異なる動作モードに切り替える。従来技術による通常の過電力保護回路は図5に示されている。
【0011】
図5に示されている従来技術の保護回路の不利な点は、四つの追加の外付けの構成部品(R1,R3,R4、及びZ1)が必要とされる点である。このような構成部品は非常に多くのチップ面積を占有してしまうので集積回路内に集積することが困難である。加えて、このような構成部品は消費電力を非常に増大させ、その高いオーミックな回路性に起因してノイズの影響を受け易くなる。更に、図5に示されている従来技術の構成はあまり正確ではない。
【0012】
図1及び5に示されている従来技術の電源の他の不利な点は、出力電圧に関する情報を得るために別個の帰還ループ/制御ループが組まれなければならない点である。このようなループが切られると、出力電圧に関する情報は利用不可能となり、従って二次回路に印加される過電圧に起因する破壊に対する保護が不可能となる。
【0013】
従来技術の保護回路の更なる他の不利な点は、外付けの構成部品につなぐために集積回路上に少なくとも一つの追加ピンが必要とされる点である。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はスイッチングモード電源のための過電圧保護回路及び過電力保護回路を提供することにある。本発明は独立請求項によって規定される。従属請求項は有利な実施例を規定する。
【0015】
【課題を解決するための手段】
有利なことに、外付けの構成部品を必要とする追加のチップを使用しない、集積された過電圧保護回路及び過電力保護回路が集積回路に設けられる。この結果、集積回路上に追加ピンが必要とされないということになる。更に、外付けの帰還ループ/制御ループを不要とすることが可能である。
【0016】
基本的に、エネルギー保存装置は一組の磁気的に結合されたコイルによって形成されてもよい。好ましくは、エネルギー保存装置が変圧器を有してもよい。その場合、第一のコイルが前記変圧器の一次巻き線を有していてもよく、第二のコイルが前記変圧器の二次巻き線を有していてもよい。
【0017】
モニタリング手段が変圧器の第三の巻き線を有していてもよい。この第三の巻き線は第一の巻き線及び第二の巻き線から直流的に分離されていてもよい。第三の巻き線の巻き数は第一の巻き線の巻き数よりかなり少なくてもよい。
【0018】
本発明の第一の態様によるスイッチングモード電源は制御可能な電流スイッチング手段を制御するための制御回路を更に有していてもよい。制御回路は25〜250kHzの間の周波数でスイッチを動作させるPWM回路を有していてもよい。制御回路は通常第三の巻き線からの制御信号に対して応答する。この制御信号はスイッチングモード電源の動作又は状態に関する情報を有していてもよい。好ましくは、制御信号は第一の期間において電源への入力電圧に関する。第二の期間において、制御信号は電源の出力電圧に関する。
【0019】
複数の情報が同じ制御回路を介して提供されるので、制御回路は一つの入力ピンを介して前記情報を受信してもよい。
【0020】
一次回路の部分を形成している制御可能な電流スイッチング手段は一次回路における電流の流れを処理することが可能でなければならない。適切な候補がMOSFETトランジスタ、バイポーラトランジスタ、IGBT、GTO、又はそれらの何れかの組み合わせからなるグループから選択されてもよい。好ましくは、制御可能な電流スイッチング手段は変圧器の一次巻き線と直列に接続される。この回路内の電流の流れを決定するために、抵抗の両端に生成される電圧を測定することによって電流が決定されてもよいようにこの抵抗が回路内に含まれている。
【0021】
本発明はこの場合添付図面に関連して更に詳細に説明されるであろう。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明は制御巻き線を持つ変圧器を有するスイッチングモード電源を最も簡単な形態で提供する。この制御巻き線は線間電圧Vlineに関する情報を提供することによって過電力保護システムの部分を形成している。更に、制御巻き線はスイッチングモード電源の出力電圧Voutをモニタリングすることによって過電圧保護システムの部分を形成している。以下更に詳細に説明されるように、Vlineの検出及びVoutのモニタリングが時間位相の態様で実行される。
【0023】
この場合図6を参照すると、主電源のような電源から電力を供給するためのスイッチングモード電源が示されている。電源は変圧器3の一次巻き線11によって形成される一次回路1、制御可能なスイッチ16、及び一次回路1内の電流を制限するための抵抗6を有している。一次回路は線間電圧Vlineに接続されている。二次回路2は変圧器3の二次巻き線12及びDC状出力電圧を生成するための構成部品によって形成されている。変圧器3は一次回路と二次回路との間に直流的な絶縁を形成している。
【0024】
制御巻き線13と変圧器3の一次巻き線11との間の巻き線比kは
k=制御巻き線数/一次巻き線数
で与えられる。
【0025】
同様に、制御巻き線13と二次巻き線12との間の巻き線比mは
m=制御巻き線数/二次巻き線数
で与えられる。
【0026】
制御巻き線13の一端はグランドに接続され、制御巻き線の他端は抵抗14に接続される。抵抗14の左側を固定された電位にクランプすることによって、この電位が制御巻き線13の両端に生成される電圧と異なるとき電流は抵抗14を通って流れる。抵抗14を通って流れる電流を測定することによって、制御巻き線13の両端に生成される電圧が決定され得る。
【0027】
スイッチング電源の出力電圧Voutは一次回路内の電流Ipを制御することによって制御される。Ipは、駆動回路(図示略)を使用して時間位相の態様でスイッチ16を動作させることによって制御される。Ipは抵抗6の両端に生成される電圧を測定することによって検出される。測定された電圧は、制御信号に応じてスイッチ16の導通期間を制御するゲート駆動回路(図示略)への制御信号として使用される。
【0028】
スイッチ16をスイッチオンした時点で、Ipは一次回路1において増加し始める。Ipが所定のレベルに達するとスイッチ16は遮断される。スイッチ16をスイッチオフした後、変圧器3内に保存されたエネルギーは二次回路2に伝達される。このエネルギー伝達により二次回路2内に電流Isが誘導される。
【0029】
巻き線11又は12の何れかに電流が流れると、調整回路10内にも電流が誘導されるであろう。制御巻き線13の両端に生成される電圧は比率k及びmに基づいてそれぞれVline又はVoutに関係している。検出回路(図示略)は抵抗14を通って流れる電流を測定する。従って、抵抗14の値を知ることによりVline及びVoutはモニタリングされることが可能となる。抵抗14が抵抗Rを有する場合、tonの間次のように、調整回路10内の電流IrはVlineに関係している。
Ir=kVline/R (2)
toffの間、電流は次のようにVoutに関係している。
Ir=mVout/R (3)
【0030】
従って時間位相の態様で制御巻き線13における電圧をモニタリングすることにより、二次回路2内において過電圧保護を提供するためにVoutがモニタリングされることが可能であるばかりでなく、適切な態様でゲート駆動回路を動作させることにより過電力保護を提供するためにVlineもモニタリングされることが可能である。従って、制御巻き線13の両端に生成される制御電圧は導通期間(一次ストローク)の間、Vlineに関係し、非導通期間(二次ストローク)の間、Vlineに関係している。
【0031】
Vline及びVoutの符号はVds(図2参照)に対して逆なので、toffの間に抵抗14内に流れる電流の方向は変圧器から流れ出る方向(正電流)であるのに対し、tonの間に抵抗14内に流れる電流の方向は変圧器へ流れ込む方向(負電流)であることに注意することが重要である。
【0032】
一次ストロークの間及び二次ストロークの間に得られる情報が集積回路上に存在する同一のピンを介して提供され、該情報を受信し処理することによって従来技術で推奨されているような追加の外付けの構成部品を不要とすることが可能であることは本発明の利点である。
【0033】
次に図7を参照すると、スイッチS1はPWM回路からのPWM信号によって制御される。該スイッチは発振器21からのセット信号によってスイッチオンされる。S1を通るあるピーク電流が検出された場合に該スイッチはスイッチオフされる。前述のように、S1を通るピーク電流は、R2の両端に生成される電圧を検出することによって検出される。この検出された電圧はピン22aを通して入力される。コンパレータ23が作動するとすぐにS1はスイッチオフされる。
【0034】
22aからの入力信号の他に、過電力保護回路からの信号もS1及びR2を通るピーク電流を決定するために使用される。この目的のためにVlineに関する情報が使用される。この情報は変圧器の制御巻き線N2から取り出される。Vline情報は‘カーブ(curve)’回路24において処理される。プロセッサは、入力信号を該信号の平方根に変換する乗算器(multiplier)である。このシステムに対して最適な補償を行うため平方根が取られる。代わりに、一次関数も使われるであろうが、そのとき最大出力電力は依然としてかなりいくらかのVline依存性を有している。
【0035】
前記出力信号がピン22bにつながるエラーアンプ25からの信号よりも小さい場合、過電力保護回路からの情報はピーク電流を低減し得る。両方の信号の大きさは最小化回路(minimum circuit)26によって検出される。前述のように、Vlineに関する情報は一次ストロークの間に制御巻き線N2に存在するであろう。それに対して、出力電圧Voutに関する情報は二次ストロークの間に存在するであろう。従って、両方の種類の情報を得るためにIC上の全く同じピンが使用されることが可能となる。
【0036】
前述のように、Voutに関する情報は二次ストロークの間に利用可能である。Voutが所定のレベルより高いレベルまで達したことが確定した場合、回路27においてラッチがセットされる。このラッチは、過電圧が出力端子に発生した場合にスイッチングモード電源を停止するように、スイッチS1が再びスイッチオンすることを防止している。
【0037】
本発明によるスイッチング電源の構成が図8に示されている。過電圧保護回路はブロック17であるのに対して、ブロック15及び18は組み合わせで過電力保護回路を形成している。端子28は図7における抵抗R1の左足に接続されるべきである。過電圧保護回路及び過電力保護回路を実現するいくつかの態様が存在することは当業者にとって明らかであろう。
【0038】
本発明の保護範囲は上述の実施例に限定されるものではなく、当業者が従属請求項の特許請求の範囲からはずれることなく多くの代わりの実施例を設計することができることは注目されるべきである。請求項において、括弧の間に置かれる請求項の参照番号は、いずれも当該請求項の保護範囲を限定するものではない。単語“有する”は、請求項に記載されている構成要素以外の構成要素又は段落の存在を排除するものではない。構成要素に先行する冠詞“a”又は“an”は、複数のこのような構成要素を排除するものではない。いくつかの手段を列挙する装置の請求項において、いくつかのこれらの手段は、ハードウエアの一つ及び同じ構成要素によって具現化されることが可能である。ある手段が相互に異なる従属請求項において再び引用されるという事実は、これらの手段の組み合わせが効果的に使われ得ないことを示すものではないということに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術によるスイッチングモード電源の概略図を示す。
【図2】 図1のスイッチングモード電源の動作周期の間の様々な電流及び電圧を示すグラフである。
【図3】 図2と同様であるが低い線間電圧を持つ自己発振電源に対するグラフを示す。
【図4】 図2と同様であるが高い線間電圧に対するグラフを示す。
【図5】 線間電圧補償手段を有する従来技術のスイッチングモード電源の概略図である。
【図6】 本発明による過電圧保護方式の概略図である。
【図7】 本発明の好ましい実施例の概略図である。
【図8】 本発明によるスイッチング電源の構成の概略図を示す。
Claims (5)
- 第一のコイル及び第二のコイルを有するエネルギー保存装置と、
制御可能な電流スイッチング手段及び前記エネルギー保存装置の前記第一のコイルを有する一次回路であって、前記制御可能な電流スイッチング手段が第一の期間において制御可能な態様で前記エネルギー保存装置にエネルギーを供給するように前記エネルギー保存装置の前記第一のコイルにおける電流を制御するようになっている一次回路と、
第二の期間において前記エネルギー保存装置からエネルギーを開放するための二次回路であって、前記第二のコイルが前記二次回路の部分を形成する二次回路と、
前記制御可能な電流スイッチング手段における電流をセンスして、前記制御可能な電流スイッチング手段にて所定のピーク電流がセンスされた場合には前記制御可能な電流スイッチング手段における電流をスイッチングオフする制御回路と、
制御巻線を有するモニタリング手段と、を備え、
前記モニタリング手段は、前記第一の期間内に、前記制御巻線と前記第一のコイルとの第一の巻数比により、前記一次回路に前記入力電圧に関連した制御信号を供給し、前記第二の期間内に、前記制御巻線と前記第二のコイルとの第二の巻線比により、前記二次回路から前記出力電圧に関連した制御信号を供給し、
前記制御回路は、前記第一の期間内における前記一次回路への前記入力電圧に関連した前記制御信号を用いて、前記制御可能な電流スイッチング手段におけるピーク電流を決定することを特徴とするスイッチングモード電源。 - 前記エネルギー保存装置が変圧器を有し、前記第一のコイルが前記変圧器の一次巻き線を有し、前記第二のコイルが前記変圧器の二次巻き線を有し、前記制御巻線が前記変圧器の第三の巻き線を有する請求項1に記載のスイッチングモード電源。
- 前記モニタリング手段からの前記制御信号が単一の入力ピンを介して前記制御回路によって入力される請求項1に記載のスイッチングモード電源。
- エネルギー保存装置を有するスイッチングモード電源と、制御可能な電流スイッチング手段を有する一次回路と、二次回路とにおける使用のための集積回路であって、
エネルギーが前記エネルギー保存装置に保存される第一の期間内に、前記一次回路への入力電圧に関する制御信号を受信し、エネルギーが前記エネルギー保存装置から開放される第二の期間内に、前記二次回路からの出力電圧に関する制御信号を受信するための単一のピンと、
前記制御可能な電流スイッチング手段における電流をセンスして、前記制御可能な電流スイッチング手段にて所定のピーク電流がセンスされた場合には、前記制御可能な電流スイッチング手段における電流をスイッチングオフする制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記第一の期間内における前記一次回路への前記入力電圧に関連した前記制御信号を用いて、前記制御可能な電流スイッチング手段におけるピーク電流を決定する集積回路。 - スイッチングモード電源の出力電圧及び入力電圧をモニタリングする方法であって、 一次回路の部分を形成する制御可能な電流スイッチング手段を使用して第一の期間においてエネルギーをエネルギー保存装置の前記一次回路に供給するステップと、
第二の期間において二次回路を介して前記エネルギー保存装置からエネルギーを開放するステップと
を有する方法において、前記第一の期間において前記エネルギー保存装置に供給される前記入力電圧がモニタリング回路によってモニタリングされ、前記第二の期間において前記二次回路からの前記出力電圧が前記モニタリング回路と同じモニタリング回路によってモニタリングされる方法であって、
前記制御可能な電流スイッチング手段における電流をセンスして、前記制御可能な電流スイッチング手段にて所定のピーク電流がセンスされた場合には前記制御可能な電流スイッチング手段における電流をスイッチングオフし、
前記第一の期間内に、前記制御巻線と前記エネルギー保存装置の第一のコイルとの第一の巻数比により、前記エネルギー保存装置に前記入力電圧に関連した制御信号を供給し、前記第二の期間内に、前記制御巻線と前記エネルギー保存装置の第二のコイルとの第二の巻線比により、前記二次回路から前記出力電圧に関連した制御信号を供給し、
前記第一の期間内に前記一次回路に供給された前記入力電圧に関連した前記制御信号を用いて、前記制御可能な電流スイッチング手段におけるピーク電流を決定することを特徴とする方法。
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