JP4729675B2 - スイッチングモード電源 - Google Patents

Description

【０００１】
【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８５〜２７６Ｖ_ａｃの範囲における線間電圧／入力電圧Ｖ_ｌｉｎｅ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Ｖ_ｌｉｎｅが出力電圧Ｖ_ｏｕｔ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Ｖ_ｏｕｔのレベルは通常必ずしもＶ_ｌｉｎｅ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Ｖ_ｌｉｎｅ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】
Ｖ_ｏｕｔ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Ｉ_ｐを制御することによって制御される。Ｉ_ｐ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。Ｉ_ｐ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、Ｉ_ｐは一次回路内において増加し始める。ｔ_ｏｎ（ｔ_ｏｎはトランジスタの導通期間である）の間にＩ_ｐ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Ｉ_ｓも示している。破線はＶ_ｌｉｎｅを示している。
【０００５】
Ｉ_ｐ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Ｉ_ｐの所定のレベルに依存している。すなわちＩ_ｐ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】
Ｉ_ｐ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Ｉ_ｓを誘導する。Ｉ_ｓ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＝１／２ＬＩ_ｐ ^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／Ｔ_ＰＷＭ＝１／（ｔ_ｏｎ＋ｔ_ｏｆｆ＋ｔ_{ｖａｌｌｅｙ}））、及びＩ_ｐ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Ｉ_ｐ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Ｖ_ｌｉｎｅに依存しているため、最大電力はＩ_ｐに依存しているばかりでなくＶ_ｌｉｎｅ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Ｖ_ｌｉｎｅの状態を示しており、図４は高いＶ_ｌｉｎｅの状態を示している。図３と４とを比較すると、Ｉ_ｐの所定値を得るのに必要とされる期間が、高いＶ_ｌｉｎｅ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Ｖ_ｌｉｎｅ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Ｖ_ｏｕｔ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、Ｖ_ｌｉｎｅの検出及びＶ_ｏｕｔ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Ｖ_ｌｉｎｅ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Ｖ_ｏｕｔは一次回路内の電流Ｉ_ｐを制御することによって制御される。Ｉ_ｐ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。Ｉ_ｐ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、Ｉ_ｐは一次回路１において増加し始める。Ｉ_ｐ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Ｉ_ｓ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Ｖ_ｌｉｎｅ又はＶ_ｏｕｔ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Ｖ_ｌｉｎｅ及びＶ_ｏｕｔ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、ｔ_ｏｎの間次のように、調整回路１０内の電流Ｉ_ｒはＶ_ｌｉｎｅに関係している。
Ｉ_ｒ＝ｋＶ_ｌｉｎｅ／Ｒ （２）
ｔ_ｏｆｆの間、電流は次のようにＶ_ｏｕｔに関係している。
Ｉ_ｒ＝ｍＶ_ｏｕｔ／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Ｖ_ｏｕｔ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Ｖ_ｌｉｎｅ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、Ｖ_ｌｉｎｅに関係し、非導通期間（二次ストローク）の間、Ｖ_ｌｉｎｅに関係している。
【００３１】
Ｖ_ｌｉｎｅ及びＶ_ｏｕｔの符号はＶ_ｄｓ（図２参照）に対して逆なので、ｔ_ｏｆｆ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、ｔ_ｏｎ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Ｖ_ｌｉｎｅ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。Ｖ_ｌｉｎｅ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Ｖ_ｌｉｎｅ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、Ｖ_ｌｉｎｅ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Ｖ_ｏｕｔ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、Ｖ_ｏｕｔに関する情報は二次ストロークの間に利用可能である。Ｖ_ｏｕｔ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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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