(57)【要約】【課題】スイッチング素子の動作状態を精度良く把握し、正確に制御異常を検出でき、これに基づいて警報報知したり運転を強制停止したりできる安全性の高いスイッチング電源回路を提供せんとする。【解決手段】電源11からスイッチング・トランス17の一次巻線17aに供給される直流電流をスイッチング素子16のオン・オフにより断続することで二次巻線17bに現れる脈流を整流するスイッチング電源回路において、スイッチング素子16に流れる電流の大きさが予め与えられている閾値電流値を超えた場合に過電流検出信号を出力する比較回路32と、上記の閾値電流値を設定し、比較回路に出力すると共に、過電流検出信号を受信するとこれに基づき制御異常の有無を判断する保護監視回路33とを設ける。【選択図】図１
2007306757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源からスイッチング・トランスの一次巻線に供給される直流電流をスイッチング素子のオン・オフにより断続することで二次巻線に現れる脈流を整流するスイッチング電源回路であって；
上記スイッチング素子に流れる電流の大きさが予め与えられている閾値電流値を超えた場合に過電流検出信号を出力する比較回路と；
該閾値電流値を設定し、該比較回路に出力すると共に、上記過電流検出信号を受信するとこれに基づき制御異常の有無を判断する保護監視回路と；
を有することを特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項２】
請求項１記載のスイッチング電源回路であって；
上記保護監視回路は、上記過電流検出信号を受けたときに設定してある上記閾値電流値から実際に上記スイッチング素子に流れている電流を把握すると共に、該過電流検出信号を受けたとき以降の該スイッチング素子のスイッチング周波数を把握し、予め定めた演算機能を介して求められる該スイッチング素子のその時の実際の損失が許容範囲を超えたときに制御異常と判断するように構成されていること
を特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項３】
請求項１記載のスイッチング電源回路であって；
上記保護監視回路は、上記過電流検出信号を受けたとき以降において上記スイッチング素子のスイッチング周波数が所定の幅を超える周波数となったことを認識した場合に制御異常と判断するように構成されていること；
を特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項４】
請求項１記載のスイッチング電源回路であって；
上記保護監視回路は上記閾値電流値を可変設定可能なようにマイクロコンピュータにより構成されていること；
を特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項５】
請求項１記載のスイッチング電源回路であって；
上記保護監視回路が上記制御異常と判断した場合、可視的警報、可聴的警報のいずれか一方または双方を発する警報装置を有すること；
を特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項６】
請求項１記載のスイッチング電源回路であって；
上記保護監視回路は、上記制御異常と判断した場合には上記スイッチング素子の動作を停止するように構成されていること；
を特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項７】
請求項６記載のスイッチング電源回路であって；
上記スイッチング素子の上記動作の停止以降において人為的操作により解除操作がなされるか、または上記電源が一旦遮断された後、再投入されたときにのみ、スイッチング素子の再稼働を許すラッチ回路をさらに有すること；
を特徴とするスイッチング電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスイッチング素子をオン・オフすることでスイッチング・トランスの一次巻線に供給される直流電流を断続し、これにより二次巻線に現れる脈流を整流して所望の電圧値の直流電流を得るスイッチング電源回路に関し、特にスイッチング素子の状況を精度良く監視して安全を図るための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述のようなスイッチング電源回路としては、自励発振型、他励発振型のいずれにおいてもこれまで多くの回路形式が提案されてきた。因みに最近では、簡単な構成で廉価な割に効率の良い回路方式として、例えば下記特許文献１等に認められるような、自励発振型に属するRCC(Ringing Choke Converter)方式のスイッチング電源回路(以下、単に“RCC電源回路”と称する）が汎用されるに至っている。
【特許文献１】特開2002-204572号公報
【０００３】
図１には、後述するように、RCC電源回路に対して適用した本発明の望ましい実施形態が示されているが、当該図１中において30番台の符号により指し示される構成要素を除くと既存のRCC電源回路例となるので、まず、このRCC電源回路の動作原理に関し、周知ではあるが簡単に説明する。
【０００４】
商用交流電源11をダイオード・ブリッジ等による整流回路12で整流し、平滑コンデンサ13で平滑化された直流電源電圧は分圧抵抗14，15の接続中点を介しスイッチング素子16の制御端子に印可される。スイッチング素子16が電界効果トランジスタで構成されているときには当該制御端子はゲートであり、バイポーラ・トランジスタで構成されているときにはベースとなる。
【０００５】
制御端子に印可される電圧が所定の大きさ以上になると当該スイッチング素子16はターン・オンし、スイッチング・トランス17の一次巻線17aと直列になっている当該スイッチング素子16の主電流通路が閉成する。主電流通路はもちろん、スイッチング素子16が電界効果トランジスタの場合にはソース−ドレイン間電流通路であり、バイポーラ・トランジスタの場合にはエミッタ−コレクタ間電流通路である。
【０００６】
スイッチング素子16の主電流通路が導通すると、整流回路12からの直流電源電流が当該スイッチング・トランス17の一次巻線17aに供給され、これによりスイッチング・トランス17に設けられている一次巻線と同相の帰還巻線17fにも誘導電圧が生じ、微分型の帰還回路18を介してスイッチング素子16の制御端子にはスイッチング素子16の導通状態をより高める方向に制御電圧が印可され、この正帰還により、一次巻線電流はより増加する。
【０００７】
そして、このように一次巻線17aに通電されている間に、当該一次巻線17aにはエネルギが蓄積されるが、帰還巻線17fに発生する電圧はスイッチング制御回路23にて監視されており、これが所定の電圧になると電界効果トランジスタもしくはバイポーラ・トランジスタで構成された制御トランジスタ24がオンとなり、これがスイッチング素子16の制御端子を例えば接地電位に引き落とす等して、スイッチング素子16をターン・オフする。
【０００８】
これにより、スイッチング・トランス17の一次巻線17aへの供給電流が急激に絶たれると、当該一次巻線17aに蓄積されたエネルギは二次巻線17bに転送され、二次巻線17bに電流を生じさせ、この電流はダイオード19等の整流回路19を介して整流され、平滑コンデンサ20を充電する。
【０００９】
この充電を介して二次巻線エネルギが低減すると、電流はその方向を逆転するように帰還巻線17fに再び電流を生じ、それにより現れる電圧で帰還回路18を介しスイッチング・トランス16がターン・オンし、以降、上述した正帰還を伴うスイッチング動作が繰り返されて、スイッチング・トランス17の二次側に所定の電圧の直流電圧出力が効率良く得られる。
【００１０】
このスイッチング動作下において、二次側に設けられている出力電圧制御回路21は当該二次側の直流電圧がある一定値以上に上昇すると例えばフォト・カプラ22を介する等して制御信号を一次側のスイッチング制御回路23に送り、スイッチング素子16をターン・オフさせるように働き、また、スイッチング素子16の主電流通路に直列に入っているシャント抵抗25は当該スイッチング素子16に流れる電流の増大と共にその両端電圧を上昇させ、これもスイッチング制御回路23にフィードバックされて、予定の大きさ以上になるとスイッチング素子16をターン・オフさせるようになっていて、一連のスイッチング動作を微調整し、得るべき所望の直流電圧値を守るように働く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかるに、従来のRCC電源回路では、上述のようにスイッチング・トランス17の二次側に出力電圧制御回路21を設けて出力電圧を所定の電圧値に制御しようとしたり、あるいはスイッチング素子16の主電流通路に直列に入っているシャント抵抗25の両端電圧を監視してスイッチング素子16の過負荷状態を検出し、安全を図ろうとしている。
【００１２】
しかし、このような保護機能は言わば成り行きの制御であり、結果的にスイッチング素子16のオン時間を長めようと動作することもままあるため、当該スイッチング素子16における通電電流が上昇してしまい、破壊または故障に至ることも考えられないではない。そうなることはこのスイッチング電源回路を搭載した製品そのものが動作しなくなることであり、例えばそれが給湯機を駆動するためのものであった場合、使用者は修理完了までの数日間、風呂に入れないといった状況になる可能性がある。さらに、スイッチング素子16やその周辺部品が発熱することによって、最悪の場合には発火や発煙を招き、使用者に危害が及ぶ可能性も考えねばならない。
【００１３】
ところが、従来はスイッチング素子16での発熱、言い換えると損失が現在どの程度にまで至ったのかを正確にリアルタイムで認識する術が無く、また、入力条件、負荷条件が変われば、シャント抵抗25の定数を変更し、動作点を変えなければならないという問題も有していた。このような点は、上掲の特許文献１に開示の技術等でも変わらないし、また、例示したRCC電源回路以外の形式のスイッチング電源回路であってもスイッチング・トランス一次電流をオン・オフするスイッチング素子を持つ従来回路においては同様の問題である。
【００１４】
本発明はこの点に鑑みて成されたもので、スイッチング素子の動作状態を精度良く把握し、正確に制御異常を検出でき、これに基づいて警報報知したり運転を強制停止したりできる安全性の高いスイッチング電源回路を提供せんとするものであり、また、望ましくはさらに、回路負荷条件ないし最大負荷電流が変わったとしても回路部品の定数変更は必要とせず、一定の基準での保護監視が行えるようなスイッチング電源回路を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明では、
電源からスイッチング・トランスの一次巻線に供給される直流電流をスイッチング素子のオン・オフにより断続することで二次巻線に現れる脈流を整流するスイッチング電源回路であって；
スイッチング素子に流れる電流の大きさが予め与えられている閾値電流値を超えた場合に過電流検出信号を出力する比較回路と；
上記の閾値電流値を設定し、上記の比較回路に出力すると共に、過電流検出信号を受信するとこれに基づき制御異常の有無を判断する保護監視回路と；
を有することを特徴とするスイッチング電源回路を提案する。
【００１６】
本発明ではまた、より精緻な判断のため、保護監視回路は過電流検出信号を受けたときに設定してある閾値電流値から実際にスイッチング素子に流れている電流を把握すると共に、過電流検出信号を受けたとき以降のスイッチング周波数を把握することで、それらの間での予め定めた演算機能を介して求められるスイッチング素子のその時の実際の損失が許容範囲を超えたときに制御異常と判断するように構成されているスイッチング電源回路を提案する。
【００１７】
これは、より簡単な判断手法でも良く、例えば過電流検出信号を受けた時以降においてスイッチング素子のスイッチング周波数が所定の幅を超える周波数となったことを認識した場合に制御異常と判断するように保護監視回路を組むこともできる。
【００１８】
さらに、上記の構成において、保護監視回路は閾値電流値の可変設定が容易になし得るようにマイクロコンピュータにより構成でき、そうすることでスイッチング電源回路に要求される負荷条件ないし最大負荷電流が変わった場合にも、他の回路部品の回路定数を変更することなく、閾値電流値のみを簡単に変えることだけで対応できる。
【００１９】
また、本発明は、望ましい下位態様として、保護監視回路が制御異常と判断した場合には可視的警報、可聴的警報のいずれか一方または双方を発する警報装置も有するスイッチング電源回路も提案する。
【００２０】
さらに、これに加えて、あるいはこれに代えて、保護監視回路はまた、制御異常と判断した場合にはスイッチング素子の動作を停止するように構成されているスイッチング電源回路も提案し、この場合にはまた、望ましくはボタン操作等の人為的操作により解除操作がなされるか、電源が一旦遮断された後、再投入されたときにのみ、スイッチング素子の再稼働を許すラッチ回路を設けることも提案する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、従来の二次側の負荷電流によってスイッチングを制御する基本的制御を維持しつつ、スイッチング素子の損失状態をリアルタイムで監視できるため、発熱状態やスイッチング動作状態を細かく把握でき、使用者に不便を与えるおそれも大幅に緩和できる。また、本発明の特定の態様によれば、回路定数を全く変更することなく、負荷条件に応じて比較回路の閾値電流値を任意可変設定できるため、従来の技術と比較してより精度が良く、信頼性の高い保護機能を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１には本発明を適用して構成されたスイッチング電源回路の望ましい一実施形態が示されており、特にこの実施形態では、既に述べたように、限定的ではないものの、RCC電源回路に対する改良となっている。
【００２３】
RCC電源回路の基本的な動作説明は上述した通りであるので、以下では専ら本発明の適用された回路部分に就いての説明をなすが、スイッチング素子16の主電流通路を流れる電流（以下、単に「素子電流」と略記する）は、シャント抵抗25に流れた電流を電圧変換した値として比較回路32の一入力（この場合、逆相入力）に入力される。比較回路32のもう一つの入力（この場合、正相入力）には保護監視回路33の出力する閾値電流値に対応する閾値電圧値が必要に応じデジタル／アナログ変換器36を介して与えられている。
【００２４】
従って、素子電流が閾値電流値を超えない場合にはスイッチング素子16はそのままに動作を継続するが、閾値電流値を超えると比較回路32の出力は反転し、この場合は略々接地電位に落ちることでフォト・カプラ35を通電することを以て、保護監視回路33に対し、素子電流が閾値電流値を超えた旨を表す過電流検出信号を伝達する。
【００２５】
この過電流検出信号を受信する保護監視回路33には、予め設定した上述の閾値電圧値に基づき、今現在、どの程度以上の素子電流が印加されているかの対応電流値を予め記憶させておくことができるので、その値によって、ないしは過電流検出信号を受信したという事実のみをしても、制御異常と判断できる。
【００２６】
ただし、望ましくは、比較回路32がその出力を反転させた時以降のスイッチング周波数を把握することで、それらの間での予め定めた演算機能を介し、スイッチング素子16のその時の実際の損失を間接的にではあってもかなり正確にリアルタイムで求めることができるので、その損失が許容範囲を超えたときに制御異常と判断するように構成すると良い。より簡単な判断手法でも良く、例えば過電流検出信号を受けた時以降においてスイッチング素子のスイッチング周波数が所定の幅を超える周波数となったことを認識した場合に制御異常と判断することもできる。
【００２７】
いずれにしても、本発明によると、素子電流ないし素子損失をリアルタイムに正確に把握できるようになるので、必要にして十分なる安全マージンを持った範囲で確実に制御異常の有無を判断できる。そして、その異常判断の結果は、さらに合理的に利用することができる。
【００２８】
例えば、保護監視回路33が過電流検出信号を受信した時、あるいはまた、上述の演算機能を介し、スイッチング素子16の動作状況が故障ないし焼損にも通じる程度に至って居ると判断されるときには、可視的警報、可聴的警報のいずれか一方または双方の警報faを警報装置34から発生させるようにすることができる。
【００２９】
このようなスイッチング電源により稼動する昨今の機器ではリモートコントローラを有するものもあるが、そこに例えば液晶ディスプレイ等がある場合には、そのディスプレイを介しての文字表記や点滅表記等をして可視的な警報手段とすることもできるし、可聴的警報には適当なるブザー等を用いることができる。
【００３０】
さらに、発火や発煙等、使用者に重大な危害を及ぼす恐れのある、ある特定条件を満たすと保護監視回路33が判断した場合には、例えばラッチ回路37を用いてスイッチング動作を強制停止させることができる。すなわち、ラッチ回路37の出力がスイッチング制御回路23に作用し、スイッチング素子16を強制的にターン・オフさせ、安全を確保する。
【００３１】
そして、この強制停止は、同じくラッチ回路37の持つ機能により、先に述べた出力電圧制御回路21等による一時的な停止とは異なり、図示しないボタンを操作する等の人為的操作によってのみ解除操作がなされるか、電源が一旦遮断された後、再投入されたときにのみ、スイッチング素子16の再稼働が許されるようにするのが望ましい。
【００３２】
保護監視回路33は、それ自体専用のハード・ウエア装置として構成されてももちろん良いが、昨今の技術事情では、これをマイクロコンピュータによって実質的に構成することができる。そして、そうすると、比較回路32に与える閾値電圧値等は簡単に変更設定できるので、回路の最大負荷電流ないし負荷条件が変わったとしても、当該閾値電圧値（閾値電流値）の可変設定のみで済み、回路部品の定数を変更する必要（回路部品交換の必要）はなくなり、極めて合理的で望ましい結果も得られ、その時々に要求される回路の最大負荷電流に対して常に一定の割合で保護のための各種動作点を設定できる。
【００３３】
以上、本発明の望ましい実施形態に即し説明したが、既に述べた通り、本発明は図示されているRCC電源回路以外のスイッチング電源回路にももちろん適用できる。また、図示の場合にはスイッチング・トランス一次巻線17aに選択的に供給される直流電流は商用交流電源11を整流回路12により整流した直流電源から得られるが、電源として電池等を用いるスイッチング電源回路にもまた適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明スイッチング電源回路の望ましい一実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
11  交流電源
12  整流回路
13  平滑コンデンサ
14，15  抵抗
16  スイッチング素子
17  スイッチング・トランス
17a スイッチング・トランス一次巻線
17b スイッチング・トランス二次巻線
17f スイッチング・トランス帰還巻線
18  帰還回路
19  整流回路
20  平滑コンデンサ
21  出力電圧制御回路
23  スイッチング制御回路
25  シャント抵抗
32  比較回路
33  保護監視回路
34  警報装置
37  ラッチ回路
【図１】
2007306757.tif 000003