JPH06133544A - スイッチング式電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は例えばモーター等の比較的に定常電流に対して
投入電流等のピーク電流値の供給能力を要求される直流
電源装置において、モーターロック等の負荷異常に対し
て、確実な電源装置ならびに負荷回路を保護を実現する
為の過負荷保護回路である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は過負荷保護を行なったス
イッチング式電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、各種の電子機器の電源装置と
してスイッチング方式の電源装置が用いられている。特
に直流電源として、スイッチング方式は小型、軽量、高
効率であると言う利点から広く採用されている。

【０００３】このような従来型のスイッチング式直流電
源装置にあっては図７に示すように入力電源端子１およ
び２に電源を接続すると、トランスフォーマーＴ１の１
次巻線Ｎ１に対する電圧印加がスイッチングトランジス
タＱ１により断続される。

【０００４】スイッチングトランジスタＱ１の断続によ
り発生した交流出力はトランスフォーマーＴ１により絶
縁ならびに変圧される。交流出力は、ダイオードＤ１に
より整流される。整流出力は平滑コンデンサＣ２によっ
て平滑された後、出力端子３、４から負荷に供給され
る。

【０００５】負荷電圧は、抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧して電
圧検出回路５に入力される。

【０００６】電圧検出回路５は、入力された電圧と基準
電圧を比較して、ＰＷＭ回路６に対して電圧信号を出力
する。

【０００７】ＰＷＭ回路６は電圧検出回路５からの入力
によって、パルス出力にＰＷＭ、ＰＦＭ等の制御を行な
う。制御されたパルス出力で、スイッチングトランジス
タＱ１のベースを駆動してスイッチングの時比率、周波
数等を制御して定電圧制御を行なう。

【０００８】負荷が重くなり、スイッチングトランジス
タＱ１の電流が大きくなると抵抗Ｒ１に発生する電圧も
大きくなり、しきい値Ｖｔｈ１を越えるとコンパレータ
Ｑ２の出力によって、ＰＷＭ回路６はパルス出力を停止
する。この動作は、パルス毎におこなわれる。

【０００９】このように、スイッチングトランジスタＱ
１の電流を検知してパルスを制御することによって、過
負荷保護を行なう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来例においては、例えば、モーターのように起動電
流が定常電流に比較して非常に大きい負荷の場合、過負
荷の保護設定値は、ピークの電流値に対して設定しなけ
ればならない。

【００１１】したがって、過負荷保護の設定は、定常電
流に対してかなり大きい値となり、負荷回路の異常が発
生しても、過負荷状態が連続して、保護動作せず電源装
置や負荷回路の異常加熱、発煙、発火等の問題があっ
た。

【００１２】また電源装置についてのみ考えてみると、
異常過熱を防ぐためには、放熱板の熱容量を大きくした
り、トランスやコイルのサイズを大きくする必要があ
り、そのために、電源装置の外形が大きくなる、価格が
上昇する等の問題があった。

【００１３】本発明の目的は２重の過負荷保護を行うこ
とにより上記問題を解決しようとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明によれば電源入力をスイッチング素子で断
続し発生する交流電力を直流に変換して電力を所定の負
荷に供給するスイッチング式電源装置において、スイッ
チング動作毎にスイッチング素子のピーク電流を検出し
て動作する第１の保護手段を備えるとともに設定値以上
の負荷電流の流れる時比率を検出してあらかじめ設定し
た時比率以上になると出力を停止させる第２の保護手段
を備えることにより２重の過負荷保護を行うものであ
る。

【００１５】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明を用いた第１の
実施例について詳細に説明する。ただし、以下では前述
した従来例と同様の部分には同一符号を付し、その詳細
な説明は省略する。

【００１６】図１において、符号１、２で示すものは入
力電源端子であり、入力電源端子１は入力コンデンサＣ
１ならびにトランスフォーマーＴ１の１次巻線Ｎ１に接
続されている。ＶＣＣ端子は、別電源または入力電源端
子１に接続されている。

【００１７】１次巻線Ｎ１の一方は、スイッチングトラ
ンジスタＱ１のコレクタに接続され、エミッタは、抵抗
Ｒ１を介して入力端子２に接続される。抵抗Ｒ１とエミ
ッタの接続点からコンパレータＱ２の＋端子に接続され
る。

【００１８】スイッチングトランジスタＱ１のベース
は、ＰＷＭ回路６の出力端子に接続される。

【００１９】Ｔ１の２次巻線Ｎ２は、整流用のダイオー
ドＤ１を介して平滑用のコンデンサＣ２に導かれてい
る。このフィルタ回路による平滑出力は出力端子３、４
を介して所定の負荷に供給される。

【００２０】負荷に対する出力電圧を検出するため、出
力端子３、４に接続される不図示の負荷に並列に抵抗Ｒ
２、Ｒ３が接続され、出力電圧を分圧して電圧検出回路
５に入力され、この電圧検出回路５の出力は、ＰＷＭ回
路６に入力される。またコンパレータＱ２の出力はＰＷ
Ｍ回路６に入力される。これらにより第１の保護手段が
構成される。

【００２１】さらに、負荷と直列に負荷電流検出用の抵
抗Ｒ４、電流検出用のコンパレータＱ３、ＣＲフィルタ
ー７並びにラッチ回路８が備えられ、このラッチ回路８
の出力はＰＷＭ回路６に入力される。これらにより第２
の保護手段が構成される。

【００２２】次に、上記回路における動作を説明する。

【００２３】入力電源端子１および２に電源を接続する
と、トランスフォーマーＴ１の１次巻線Ｎ１に対する電
圧印加がスイッチングトランジスタＱ１により断続され
る。

【００２４】スイッチングトランジスタＱ１の断続によ
り発生した交流出力はトランスフォーマーＴ１により絶
縁ならびに変圧される。交流出力は、ダイオードＤ１に
より整流される。整流出力は平滑コンデンサＣ２によっ
て平滑された後、出力端子３、４から負荷に供給され
る。

【００２５】負荷電圧は、抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧して電
圧検出回路５に入力される。

【００２６】電圧検出回路５は、入力された電圧と基準
電圧を比較して、ＰＷＭ回路６に対して電圧信号を出力
する。

【００２７】ＰＷＭ回路６は電圧検出回路５からの入力
によって、パルス出力にＰＷＭ、ＰＦＭ等の制御を行な
う。制御されたパルス出力で、スイッチングトランジス
タＱ１のベースを駆動してスイッチングの時比率、周波
数等を制御して定電圧制御を行なう。

【００２８】負荷が重くなり、スイッチングトランジス
タＱ１の電流が大きくなると抵抗Ｒ１に発生する電圧も
大きくなり、しきい値を越えるとコンパレータＱ２の出
力によって、ＰＷＭ回路６はパルス出力を停止する。こ
の動作は、パルス毎におこなわれる。

【００２９】このように、スイッチングトランジスタＱ
１の電流を検知してパルスを制御することによって、過
負荷保護を行なう。

【００３０】一方、電流検出用コンパレータＱ３の出力
はＣＲフィルタ７に加えられ、ＣＲフィルター７は、コ
ンデンサＣ３の両端電圧を出力として取り出し、ラッチ
回路８に入力させる。

【００３１】ラッチ回路８の入力は、しきい値より大き
い電圧が入力されるとＰＷＭ回路６に信号を出力してそ
の状態を保持する。ラッチ回路８の出力がＰＷＭ回路６
に入力されると、ＰＷＭ回路６のパルス出力は停止状態
となる。

【００３２】次に、ＣＲフィルター７について説明す
る。正常に動作している時の負荷電流波形を図２に示
す。

【００３３】定常的な電流はＩ１、起動電流等によるピ
ーク電流はＩ２である。

【００３４】ここで、第一の保護手段のしきい値は、Ｉ
２よりやや大きな値ＬＭ１に設定されている。

【００３５】第二の保護手段のしきい値は、Ｉ１とＩ２
の間の任意の値ＬＭ２に設定されている。

【００３６】ここで、ＣＲフィルター７の出力に発生す
る電圧について説明する。

【００３７】ピーク電流の流れている時間をｔ１、定常
電流の期間をｔ２、周期をＴとして抵抗Ｒ５、Ｒ６、コ
ンデンサＣ３で構成される一次フィルターの出力を計算
すると、周期Ｔの値がフィルター時定数よりも十分に小
さく、Ｖｃｃの値が十分に大きくダイオード等の電圧降
下が無視できるとすれば、鳳テブナンの定理より、ｔ１
期間では、

【００３８】

【外１】 ただし、ｉ３はコンデンサＣ３への充電電流，Ｖｃｃは
コンパレータの電源電圧、Ｖｃ３はコンデンサＣ３の両
端電圧とする。

【００３９】ｔ２期間では、

【００４０】

【外２】 ただし、ｉ３′はＣ３への充電電流とする。

【００４１】以上の式が成立する。

【００４２】ここで、平衡条件は、コンデンサＣ３に充
電される電荷量と放電される電荷量が等しくなればよ
い。

【００４３】よって、 ｉ３＊（ｔ１／Ｔ）＝−ｉ３′＊（ｔ２／Ｔ） となる。

【００４４】先の式に代入して、更に式の変形を行なう
と

【００４５】

【外３】 となる。

【００４６】このように、フィルターの出力電圧Ｖｃ３
は、ｔ１、ｔ２の関数となることがわかる。

【００４７】よって、保護をかけたい時比率に応じて定
数を設定することによって、保護レベルが設定できる。

【００４８】例えば、ｔ１＝ｔ２、Ｒ５＝Ｒ６ならば、
Ｖｃ３＝Ｖｃｃ／３となりラッチ回路８のしきい値をＶ
ｃｃの１／３に選べば、図３や図４に示すような過負荷
状態が５０％以上になるような、負荷異常の時に第二の
保護手段が動作して装置の動作を停止する。

【００４９】以上の様に本発明によれば、モーター等の
パルス的な電流の流れる負荷を対象とした電源装置に於
て、ピーク電流では、半導体素子の電圧、電流のみ考慮
すれば良く、発熱に対する考慮が不要となる。

【００５０】定常電流値での発熱のみを考慮すれば良い
ので、定常電流の１．５倍〜３倍のピーク電流容量を必
要とする、パルス負荷用の電源装置に於て大幅な小型化
が実現できる。

【００５１】なお、本実施例では、非絶縁型の装置を例
に挙げたが、絶縁型の装置に於ても同様である。この場
合、絶縁素子としてはホトカプラ等が使用される。

【００５２】また、第二の保護手段に用いる電流検出回
路としては、コンパレータ等の集積回路をはじめ、ディ
スクリートの差動アンプ、トランジスタのＶＢＥなど、
他の方法を用いても良い。

【００５３】以上の第１の実施例においてはパルス電流
検出に抵抗を用いていたが、本発明の第２実施例では図
５の如く負荷電流の検出にトランジスタのＶＢＥを使用
して、Ｖｃｃとしては、出力電圧をそのまま使用した。

【００５４】その他は、第１の実施例と同一である。負
荷電流検出のしきい値は、 （負荷電流）＊Ｒ４＝ＶＢＥ となり、しきい値は、Ｑ４のＶＢＥに支配される。

【００５５】ＶＢＥは、一般的に−２ｍＶ／℃の温度係
数を持つため、安定性は悪いが、回路は簡単であるた
め、比較的に電力の小さい電源に向いている。

【００５６】また、第１の実施例では、抵抗とコンデン
サで構成した１次フィルターを用いて時比率と電圧の変
換回路を構成したが、本発明の第３の実施例は図６の如
く、定電流回路と半導体スイッチを用いて構成したもの
である。この様な方式によっても同様の効果を得ること
ができる。変換式については省略する。

【００５７】定電流回路や半導体スイッチは、集積回路
化した場合に、抵抗に比較してチップ面積を小さくでき
るので、本実施例は、回路を集積化する場合に最適であ
る。

【００５８】本発明によれば、パルス負荷用のスイッチ
ング式電源装置に於て、瞬時のピーク負荷電流に対して
は、あらかじめ設定した値以内であれば保護動作せずピ
ーク負荷電流が連続したり、正常な値を越える時比率と
なると、第二の保護手段が動作して、電源装置の出力停
止させる。

【００５９】また、瞬時のピーク電流値が非常に大き
く、第一の保護手段で設定した値を越える場合は、第一
の保護手段の動作によってスイッチングのパルス幅が制
限され、垂下型の電流制限特性によって、半導体素子の
動作状態が規格値を越えることを防ぐ。また、このよう
な場合においても、定常値を越える時比率が大きくなる
と、第二の保護手段が動作して、電源装置の出力停止さ
せる。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、スイッチ
ング式電源装置、特にモーター等を負荷とする電源装置
において、スイッチング素子のスイッチングパルス毎に
電流検出して動作する第１の保護手段と、ピークの負荷
電流の時比率を検出して動作する第２の保護手段を有
し、第一の保護手段は、半導体素子等の電圧、電流に対
する保護を行ない、第二の保護手段によって熱的な保護
を行なう構成により、従来、起動電流等のピーク電流の
連続で熱設計しなければならなかった、放熱板、トラン
ス等を定常的な電流値で熱設計することが可能となり、
小型化、低価格化とともに、高い火災安全性を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るスイッチング式電
源装置の回路図である。

【図２】図１の回路が正常に動作している時の負荷電流
波形図である。

【図３】図１の回路が負荷異常である時の一例を示す電
流波形図である。

【図４】図１の回路が負荷異常である時の他の例を示す
電流波形図である。

【図５】本発明の第２の実施例に係るスイッチング式電
源装置の回路図である。

【図６】本発明の第３の実施例に係るスイッチング式電
源装置の回路図である。

【図７】従来のスイッチング式電源装置の回路図であ
る。

【符号の説明】

１、２ 入力電源端子 ３、４ 出力端子 ５ 電圧検出回路 ６ ＰＷＭ回路 ７ フィルター ８ ラッチ回路 Ｔ１ トランス Ｑ１ スイッチングトランジスタ Ｑ２ コンパレータ Ｑ３ コンパレータ Ｑ４ トランジスタ Ｄ１、Ｄ２ ダイオード Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ コンデンサ Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６ 抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源入力をスイッチング素子で断続し発
   生する交流電力を直流に変換して電力を所定の負荷に供
   給するスイッチング式電源装置において、 スイッチング動作毎にスイッチング素子のピーク電流を
   検出して動作する第１の保護手段を備えるとともに設定
   値以上の負荷電流の流れる時比率を検出してあらかじめ
   設定した時比率以上になると出力を停止させる第２の保
   護手段を備えることにより２重の過負荷保護を行うこと
   を特徴とするスイッチング式電源装置。