JP7054024B2 - 過電流保護回路及び電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、過電流保護回路及び電気機器に関する。

電力を利用して動作する電気機器において、短絡等による過電流から回路を保護することを目的として、過電流発生時に電流の導通を遮断する過電流保護回路が利用されている。

特開２０１９－２１３４０５号公報

過電流保護回路には、導通状態のオン／オフを切り替えるスイッチ回路が利用される。過電流発生時にはスイッチ回路がオフに切り替わることになるが、オフに切り替わるタイミングによっては、スイッチ回路に過大なスイッチング損失が発生し、スイッチ回路が破損する可能性が高くなる。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、スイッチ回路が破損する可能性の低い過電流保護回路及び電気機器を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係る過電流保護回路は、電源と保護対象とを接続する導線の導通状態のオン／オフを切り替えるスイッチ部と、前記スイッチ部と前記保護対象との間を流れる入力電流を検出する電流検出部と、前記電源と前記スイッチ部との間にかかる入力電圧を検出する電圧検出部と、前記電流検出部の検出結果及び前記電圧検出部の検出結果に基づき前記スイッチ部を制御する制御部と、を備え、前記電圧検出部は、前記入力電圧が予め定められた第１閾値より小さいか否かを検出し、前記入力電圧が前記第１閾値より小さい第２閾値より小さいか否かを検出し、前記制御部は、前記入力電圧が前記第１閾値より小さい場合、又は、前記入力電流が予め定められた過電流閾値以上であり且つ前記入力電圧が前記第２閾値より小さい場合に、前記スイッチ部をオフにする、ことを特徴とするものである。

本発明の第２態様に係る電気機器は、交流電圧を所定の電圧に調整して出力するＡＣアダプタと、前記ＡＣアダプタと保護対象とを接続する導線の導通状態のオン／オフを切り替えるスイッチ部と、前記スイッチ部と前記保護対象との間を流れる入力電流を検出する電流検出部と、前記ＡＣアダプタと前記スイッチ部との間にかかる入力電圧を検出する電圧検出部と、前記電流検出部の検出結果及び前記電圧検出部の検出結果に基づき前記スイッチ部を制御する制御部と、を備え、前記ＡＣアダプタは、過電流が検知された場合に、出力する電圧を正常時より低下させる保護動作を行い、前記電圧検出部は、前記入力電圧が予め定められた第１閾値より小さいか否かを検出し、前記入力電圧が前記第１閾値より小さい第２閾値より小さいか否かを検出し、前記制御部は、前記入力電圧が前記第１閾値より小さい場合、又は、前記入力電流が予め定められた過電流閾値以上であり且つ前記入力電圧が前記第２閾値より小さい場合に、前記スイッチ部をオフにする、ことを特徴とするものである。

本発明に依れば、スイッチ回路が破損する可能性の低い過電流保護回路及び電気機器を提供することが可能となる。

図１は、第１実施形態に係る電気機器の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態に係る過電流保護回路の具体的構成の一例を示すブロック図である。 図３は、第１実施形態に係る過電流保護回路によるオフへの切り替え時における処理の一例を示すフローチャートである。 図４は、第１実施形態に係るＡＣアダプタの過電流発生時における保護動作の一例を示すグラフである。 図５は、第１実施形態に係る過電流保護回路によるオンへの切り替え時における処理の一例を示すフローチャートである。 図６は、第１実施形態に係るスイッチ回路のオフへの切り替え時における電圧－電流真理表の一例を示す図である。 図７は、第１実施形態に係るスイッチ回路のオンへの切り替え時における電圧－電流真理表の一例を示す図である。 図８は、第２実施形態に係る電気機器の構成の一例を示すブロック図である。 図９は、第２実施形態に係る過電流保護回路による処理の一例を示すフローチャートである。

以下に、実施形態について図面を参照して説明する。なお、実施形態により開示技術が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電気機器１の構成の一例を示すブロック図である。

電気機器１は、外部から供給される電力を利用して所定の機能を実現する機器である。電気機器１の種類は特に限定されるべきものではないが、例えば、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット端末等であり得る。

電気機器１は、ＡＣアダプタ１０、コネクタ１１、システム回路１２（保護対象）、及び過電流保護回路１３を有する。

ＡＣアダプタ１０は、商用電源等の外部電源から供給される交流電圧を所定の電圧に調整して出力する。コネクタ１１は、ＡＣアダプタ１０と電気的に接続し、ＡＣアダプタ１０から供給される電力を電気機器１の内部へ導く。

システム回路１２は、コネクタ１１を介して入力された電力により所定の処理を行う回路である。システム回路１２の具体的構成は特に限定されるべきものではないが、例えば、プログラムに従い所定の演算処理を行うプロセッサ、データを記憶する記憶装置、コネクタ１１を介して入力された電力を蓄える蓄電装置等であり得る。

過電流保護回路１３は、システム回路１２を過電流から保護するために、コネクタ１１（ＡＣアダプタ１０を含む電源）からシステム回路１２に流れる電流が予め定められた過電流閾値を超えないように動作する回路である。

過電流保護回路１３は、スイッチ回路２１（スイッチ部）、電流検出回路２２（電流検出部）、電圧検出回路２３（電圧検出部）、及び制御回路２４（制御部）を有する。

スイッチ回路２１は、コネクタ１１とシステム回路１２とを接続する導線１８の接続状態のオン（導通状態）／オフ（非導通状態）を切り替える回路である。

電流検出回路２２は、スイッチ回路２１とシステム回路１２との間を流れる電流（入力電流）を検出する回路である。

電圧検出回路２３は、コネクタ１１（電源）とスイッチ回路２１との間にかかる電圧（入力電圧）を検出する回路である。電圧検出回路２３は、入力電圧が予め定められた第１閾値より小さいか否かを検出する。また、電圧検出回路２３は、入力電圧が第１閾値より小さい第２閾値より小さいか否かを検出する。第２閾値は、スイッチ回路２１の破損を回避可能な電圧値として設定された値であることが好ましい。第２閾値は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）の安全動作領域に対応する値であることが好ましい。

制御回路２４は、電流検出回路２２の検出結果及び電圧検出回路２３の検出結果に基づきスイッチ回路２１を制御する回路である。制御回路２４は、入力電流が過電流閾値より小さく且つ入力電圧が第１閾値より小さい場合、又は、入力電流が過電流閾値以上であり且つ入力電圧が第２閾値より小さい場合に、スイッチ回路２１をオフにする。

図２は、第１実施形態に係る過電流保護回路１３の具体的構成の一例を示すブロック図である。

図２に例示するスイッチ回路２１は、第１ＦＥＴ３１、第２ＦＥＴ３２、及び駆動回路３３を有する。第１ＦＥＴ３１及び第２ＦＥＴ３２は、コネクタ１１（ＡＣアダプタ１０）とシステム回路１２との間で直列に接続されている。駆動回路３３は、制御回路２４からの制御信号に応じて第１ＦＥＴ３１及び第２ＦＥＴ３２のそれぞれのオン／オフを切り替えるための駆動信号（ゲート電圧）を出力する。

図２に例示する電流検出回路２２は、抵抗器４１及び増幅器４２を有する。抵抗器４１は、スイッチ回路２１とシステム回路１２との間に接続されている。増幅器４２は、抵抗器４１の両端部の電圧差から抵抗器４１に流れる電流（入力電流）を検出する。増幅器４２からの出力信号は、制御回路２４に入力される。

図２に例示する電圧検出回路２３は、第１比較器５１及び第２比較器５２を有する。第１比較器５１は、コネクタ１１とスイッチ回路２１との間の電圧（入力電圧）と第１閾値としての１６Ｖとを比較する。第２比較器５２は、入力電圧と第２閾値としての１０Ｖとを比較する。第１比較器５１からの出力信号（入力電圧が１６Ｖより小さいか否かを示す信号）及び第２比較器５２からの出力信号（入力電圧が１０Ｖより小さいか否かを示す信号）は、制御回路２４に入力される。

図２に例示する制御回路２４は、増幅器４２からの出力信号（入力電流の検出結果）と、第１比較器５１及び第２比較器５２のそれぞれから出力される出力信号（入力電圧の検出結果）とに基づき、駆動回路３３を制御するための制御信号を出力する。制御回路２４の具体的な回路構成は、後述する処理を実現可能であればどのような構成であってもよい。制御回路２４は、例えば、加算器、乗算器等を適宜組み合わせて構成される論理回路であってもよいし、プログラムに従い所定の演算処理を行うプロセッサを利用した回路であってもよい。

図３は、第１実施形態に係る過電流保護回路１３によるオフへの切り替え時における処理の一例を示すフローチャートである。

制御回路２４は、電流検出回路２２の検出結果（増幅器４２の出力信号）に基づき、入力電流Ｉが過電流閾値Ｉｏｃより小さいか否かを判定する（Ｓ１０１）。入力電流Ｉが過電流閾値Ｉｏｃより小さい場合（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）、制御回路２４は、電圧検出回路２３の検出結果（第１比較器５１の出力信号）に基づき、入力電圧Ｖが１６Ｖ（第１閾値）より小さいか否かを判定する（Ｓ１０２）。入力電圧Ｖが１６Ｖより小さい場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、制御回路２４は、スイッチ回路２１（第１ＦＥＴ３１及び第２ＦＥＴ３２）をオフにするための制御信号を出力する（Ｓ１０３）。入力電圧Ｖが１６Ｖより小さくない場合（Ｓ１０２：Ｎｏ）、ステップＳ１０１が再度実行される。

入力電流Ｉが過電流閾値Ｉｏｃより小さくない場合（Ｓ１０１：Ｎｏ）、制御回路２４は、電圧検出回路２３の検出結果（第２比較器５２の出力信号）に基づき、入力電圧Ｖが１０Ｖ（第２閾値）より小さいか否かを判定する（Ｓ１０４）。入力電圧Ｖが１０Ｖより小さい場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、制御回路２４は、スイッチ回路２１をオフにするための制御信号を出力する（Ｓ１０３）。入力電圧Ｖが１０Ｖより小さくない場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）、ステップＳ１０１が再度実行される。

上記処理により、入力電流Ｉが過電流閾値Ｉｏｃを超えている場合であっても、入力電圧Ｖが第２閾値である１０Ｖより小さくなるまでスイッチ回路２１のオン状態が維持される。換言すれば、入力電圧Ｖがスイッチ回路２１の破損を回避可能な電圧値として設定された１０Ｖまで低下するのを待ってスイッチ回路２１がオフへ切り替えられる。これにより、スイッチ回路２１の損失が一時的に過大となるポイントでスイッチ回路２１がオフになることを回避でき、スイッチ回路２１が破損する可能性を低減できる。

過電流発生後における入力電圧Ｖの低下は、例えば、ＡＣアダプタ１０が行う保護動作により実現される。

図４は、第１実施形態に係るＡＣアダプタ１０の過電流発生時における保護動作の一例を示すグラフである。

図４に示すように、ＡＣアダプタ１０は、過電流を検知すると、出力電圧Ｖを正常時より低下させる保護動作を実行する。上述した図３に示すステップＳ１０２における処理は、例えば、このようなＡＣアダプタ１０による保護動作を利用して実現される。

図５は、第１実施形態に係る過電流保護回路１３によるオンへの切り替え時における処理の一例を示すフローチャートである。

制御回路２４は、電圧検出回路２３の検出結果（第１比較器５１の出力信号）に基づき、Ｖ≧１６Ｖの状態が１秒以上継続しているか否かを判定する（Ｓ２０１）。Ｖ≧１６Ｖの状態が１秒以上継続していない場合（Ｓ２０１：Ｎｏ）、ステップＳ２０１が再度実行される。Ｖ≧１６Ｖの状態が１秒以上継続している場合（Ｓ２０１：Ｙｅｓ）、制御回路２４は、スイッチ回路２１のオンへの切り替えを開始する（第１ＦＥＴ３１又は第２ＦＥＴ３２のうちの一方をオンに切り替える）（Ｓ２０２）。

その後、制御回路２４は、入力電流Ｉが過電流閾値Ｉｏｃより小さいか否かを判定する（Ｓ２０３）。入力電流Ｉが過電流閾値Ｉｏｃより小さい場合（Ｓ２０３：Ｙｅｓ）、制御回路２４は、スイッチ回路２１のオンへの切り替えを継続する（第１ＦＥＴ３１又は第２ＦＥＴ３２のうちの他方をオンに切り替える）（Ｓ２０４）。その後、制御回路２４は、スイッチ回路２１の全てがオンになったか否か（第１ＦＥＴ３１及び第２ＦＥＴ３２の両方がオンになったか否か）を判定する（Ｓ２０５）。スイッチ回路２１の全てがオンになった場合（Ｓ２０５：Ｙｅｓ）、本ルーチンは終了し、スイッチ回路２１の全てがオンになっていない場合（Ｓ２０５：Ｎｏ）、ステップＳ２０３が再度実行される。

入力電流Ｉが過電流閾値Ｉｏｃより小さくない場合（Ｓ２０３：Ｎｏ）、制御回路２４は、スイッチ回路２１をオフにし（Ｓ２０６）、その後ステップＳ２０１が再度実行される。

図６は、第１実施形態に係るスイッチ回路２１のオフへの切り替え時における電圧－電流真理表の一例を示す図である。

図６に示すように、Ｉ≧Ｉｏｃ且つＶ＜１０、又は、Ｉ＜Ｉｏｃ且つＶ＜１６の場合に、スイッチ回路２１はオフに切り替わる。Ｉ≧Ｉｏｃ且つＶ≧１０、又は、Ｉ＜Ｉｏｃ且つＶ≧１６の場合に、スイッチ回路２１はオンに維持される。

図７は、第１実施形態に係るスイッチ回路２１のオンへの切り替え時における電圧－電流真理表の一例を示す図である。

図７に示すように、Ｉ＜Ｉｏｃ且つＶ≧１６の場合に、スイッチ回路２１はオンに切り替わる。Ｉ≧Ｉｏｃ、又は、Ｉ＜Ｉｏｃ且つＶ＜１６の場合に、スイッチ回路２１はオフに維持される。

以上のように、本実施形態によれば、スイッチ回路２１は、入力電流Ｉが過電流閾値Ｉｏｃを超えた場合、入力電圧Ｖが第２閾値まで低下した後にオフへ切り替えられる。これにより、スイッチ回路２１の損失が一時的に過大となるポイントでスイッチ回路２１がオフになることを回避でき、スイッチ回路２１が破損する可能性を低減できる。

以下、他の実施形態について図面を参照して説明するが、第１実施形態と同一又は同様の箇所については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る電気機器１０１の構成の一例を示すブロック図である。

本実施形態に係る電気機器１０１の過電流保護回路１１１は、ラッチ回路１２２を有する。ラッチ回路１２２は、電気機器１０１が現在異常状態にあるか否かを示す状態情報を保持する。例えば、ラッチ回路１２２は、過電流による異常状態が発生したときに異常状態であることを示す状態情報（１ビットデータ等）を保持し、異常状態が解消されたときに正常状態であることを示す状態情報を保持する。

本実施形態に係る制御回路１２１は、電流検出回路２２の検出結果及び電圧検出回路２３の検出結果に加え、ラッチ回路１２２が保持している状態情報に基づき、スイッチ回路２１を制御する。

図９は、第２実施形態に係る過電流保護回路１１１による処理の一例を示すフローチャートである。

本実施形態に係る制御回路１２１は、先ず、ラッチ回路１２２に保持されている状態情報に基づき、電気機器１０１が現在異常状態にあるか否かを判定する（Ｓ３０１）。異常状態でない（正常状態である）場合（Ｓ３０１：Ｎｏ）、制御回路１２１は、スイッチ回路２１のオン／オフを切り替える処理を第１実施形態と同様に（図３に示すＳ１０１～Ｓ１０４及び図５に示すＳ２０１～Ｓ２０６）実行する。一方、異常状態である場合（Ｓ３０１：Ｙｅｓ）、制御回路１２１は、スイッチ回路２１をオフにする（Ｓ３０２）。

本実施形態によれば、異常状態が継続している状況下でスイッチ回路２１がオンに切り替わることを防止でき、異常時においてスイッチ回路２１がハンチングのような現象を起こすことを防止できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１０１ 電気機器
１０ ＡＣアダプタ
１１ コネクタ
１２ システム回路（保護対象）
１３，１１１ 過電流保護回路
１８ 導線
２１ スイッチ回路（スイッチ部）
２２ 電流検出回路（電流検出部）
２３ 電圧検出回路（電圧検出部）
２４，１２１ 制御回路（制御部）
３１ 第１ＦＥＴ
３２ 第２ＦＥＴ
３３ 駆動回路
４１ 抵抗器
４２ 増幅器
５１ 第１比較器
５２ 第２比較器
１２２ ラッチ回路

Claims (3)

1. 交流電圧を所定の電圧に調整した電力を出力するＡＣアダプタと保護対象とを接続する導線の導通状態のオン／オフを切り替えるスイッチ部と、
   前記ＡＣアダプタから出力され、前記スイッチ部と前記保護対象との間を流れる入力電流を検出する電流検出部と、
   前記ＡＣアダプタから出力され、前記ＡＣアダプタと前記スイッチ部との間にかかる入力電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電流検出部の検出結果及び前記電圧検出部の検出結果に基づき前記スイッチ部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記電圧検出部は、前記入力電圧が予め定められた第１閾値より小さいか否かを検出し、前記入力電圧が前記第１閾値より小さい第２閾値より小さいか否かを検出し、
   前記制御部は、前記入力電流が予め定められた過電流閾値より小さく且つ前記入力電圧が前記第１閾値より小さい場合、又は、前記入力電流が前記過電流閾値以上であり且つ前記入力電圧が前記第２閾値より小さい場合に、前記スイッチ部をオフにする、
   過電流保護回路。
2. 前記スイッチ部は、電界効果トランジスタを含み、
   前記第２閾値は、前記電界効果トランジスタの安全動作領域に対応する値である、
   請求項１に記載の過電流保護回路。
3. 交流電圧を所定の電圧に調整した電力を出力するＡＣアダプタと、
   前記ＡＣアダプタと保護対象とを接続する導線の導通状態のオン／オフを切り替えるスイッチ部と、
   前記ＡＣアダプタから出力され、前記スイッチ部と前記保護対象との間を流れる入力電流を検出する電流検出部と、
   前記ＡＣアダプタから出力され、前記ＡＣアダプタと前記スイッチ部との間にかかる入力電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電流検出部の検出結果及び前記電圧検出部の検出結果に基づき前記スイッチ部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記ＡＣアダプタは、過電流が検知された場合に、出力する電圧を正常時より低下させる保護動作を行い、
   前記電圧検出部は、前記入力電圧が予め定められた第１閾値より小さいか否かを検出し、前記入力電圧が前記第１閾値より小さい第２閾値より小さいか否かを検出し、
   前記制御部は、前記入力電流が予め定められた過電流閾値より小さく且つ前記入力電圧が前記第１閾値より小さい場合、又は、前記入力電流が前記過電流閾値以上であり且つ前記入力電圧が前記第２閾値より小さい場合に、前記スイッチ部をオフにする、
   電気機器。

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