(57)【要約】    【課題】  過電流保護動作時に、良好な定電流垂下特性が得られる、スイッチング電源を提供する。    【解決手段】  電流検出手段３１は、スイッチ回路Ｑ１０に流れる電流を監視し、その電流の大きさに対応する検出電圧信号Ｖ３を生成する。スイッチ回路Q１は基準電圧源Vrefから供給される基準電圧信号をスイッチングする。第１の時定数回路３２１及び第２の時定数回路３２２は、互いに異なる時定数を有し、基準電圧信号を、スイッチ回路Q１のスイッチング動作に追従して変化させた電圧が供給され、それぞれの時定数によって特定される第１及び第２の微分信号Ｖ２１、Ｖ２２を生成する。比較回路３５は、基準電圧源Vrefから供給される基準電圧信号に、第１及び第２の微分信号Ｖ２１、Ｖ２２を重畳した重畳信号Ｖ２と、検出電圧信号Ｖ３とを比較して、その結果である信号を制御回路ＩＣ１に供給する。【選択図】      図１
2007060880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御回路と、スイッチ素子と、整流平滑回路と、過電流保護回路とを含む、他励型のスイッチング電源であって、
前記スイッチ素子は、前記制御回路から供給される信号によってスイッチング動作をし、
前記整流平滑回路は、スイッチング動作によって得られた電圧を整流し平滑して出力し、
前記過電流保護回路は、電流検出手段と、スイッチ回路と、第１の時定数回路と、第２の時定数回路と、比較回路とを含み、
前記電流検出手段は、前記スイッチ素子に流れる電流を監視し、その電流の大きさに対応する検出電圧信号を生成し、
前記スイッチ回路は、基準電圧信号を、前記制御回路から供給される信号によってスイッチングし、
前記第１の時定数回路及び前記第２の時定数回路は、互いに異なる時定数を有し、前記基準電圧信号を前記スイッチ回路のスイッチング動作に追従して変化させた電圧が供給され、それぞれの時定数によって特定される第１及び第２の微分信号を生成し、
前記比較回路は、前記基準電圧信号に前記第１及び第２の微分信号を重畳させた信号と、前記検出電圧信号とを比較して、その結果である信号を前記制御回路に供給し、
前記制御回路は、前記比較回路から供給される前記信号に基づいて、過電流保護のための動作を、前記スイッチ素子に与える、
スイッチング電源。
【請求項２】
請求項１に記載されたスイッチング電源であって、
前記制御回路は、出力電流が、過電流保護動作の開始時と出力ショート時とでほぼ等しく、その中間では小さくなる過電流保護動作を、前記スイッチ素子に与える、
スイッチング電源。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたスイッチング電源であって、
前記比較回路は、前記重畳信号と比較して前記検出電圧信号が大きいほど、前記オン・デューティを短くする、スイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源として、他励型のスイッチング電源が知られている。他励型のスイッチング電源は、内部に独立した制御回路を有し、制御回路からメインのスイッチ素子に、スイッチング信号を供給し、そのスイッチング動作を制御する。制御回路は、内部にパルス幅変調回路を有しており、メインのスイッチ素子に対し、出力電圧に応じてパルス幅を変調した信号を供給する。これにより、出力電圧が安定化される。
【０００３】
このような他励型のスイッチング電源では、負荷短絡等により過電流が流れ、回路が破損することを防止するため、過電流保護回路が設けられる。例えば、特許文献１は、いわゆるフの字特性の過電流保護回路を備えたスイッチング電源を開示している。しかし、特許文献１に開示されたフの字特性では、回路の再起動性が悪くなるという問題がある。
【０００４】
特許文献２は、いわゆる垂下特性の過電流保護回路を備えた電源を開示している。特許文献２に開示されたスイッチング電源は、垂下特性であるから、回路の再起動性が悪くなるという問題は生じない。
【０００５】
しかし、特許文献２のスイッチング電源は、出力ショート（出力電圧零）時の電流値が、過電流保護動作の開始時よりも大きな電流値となる、いわゆる裾を引いた過電流垂下特性であるから、例えば、出力がショートしたとき、短絡電流（過電流）が大きく延び、転流側整流ダイオードが発熱し、破損するおそれがある。このため、特許文献２のスイッチング電源は、転流側整流ダイオードの破損を回避するため、転流側整流ダイオードを大きくする必要が生じ、小型化の妨げになるという問題がある。
【特許文献１】特開平５−１８４１４３号公報
【特許文献２】特開平８−１８２３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、過電流保護動作時に、良好な定電流垂下特性が得られる、スイッチング電源を提供することである。
【０００７】
本発明のもう一つの課題は、小型化を図り得る、スイッチング電源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明に係るスイッチング電源は、他励型のスイッチング電源であって、制御回路と、スイッチ素子と、整流平滑回路と、過電流保護回路とを含む。スイッチ素子は、制御回路から供給される信号によってスイッチング動作をする。整流平滑回路は、スイッチング動作によって得られた電圧を整流し平滑して出力する。過電流保護回路は、電流検出手段と、スイッチ回路と、第１の時定数回路と、第２の時定数回路と、比較回路とを含む。電流検出手段は、スイッチ素子に流れる電流を監視し、その電流の大きさに対応する検出電圧信号を生成する。前記スイッチ回路は、基準電圧信号を、前記制御回路から供給される信号によってスイッチングする。
【０００９】
前記第１の時定数回路及び前記第２の時定数回路は、互いに異なる時定数を有し、前記基準電圧信号を、前記スイッチ回路のスイッチング動作に追従して変化させた電圧が供給され、それぞれの時定数によって特定される第１及び第２の微分信号を生成する。比較回路は、前記基準電圧信号に前記第１及び第２の微分信号を重畳させた信号(重畳信号）と、検出電圧信号とを比較して、その結果である信号を制御回路に供給する。制御回路は、比較回路から供給される信号に基づいて過電流保護のための動作を、スイッチ素子に与える。
【００１０】
上述したように、本発明に係るスイッチング電源は、過電流保護回路を含むから、検出電圧信号と重畳信号とを比較して、過電流保護動作を実現できる。ここで、重畳信号は、第１、第２の微分信号を含むから、第１、第２の時定数回路の定数を適宜設定することにより、第１、第２の微分信号を所望の値とし、第１、第２の微分信号によって制御調整された定電流垂下過電流保護特性を得ることができる。
【００１１】
具体的には、検出電圧信号と第１の微分信号を含む重畳信号とを比較して行う過電流保護動作、及び、検出電圧信号と第２の微分信号を含む重畳信号とを比較して行う過電流保護動作、という２種類の保護動作により、所望の定電流垂下過電流保護特性を得ることができる。
【００１２】
また、例えば、第１の微分信号を急峻な傾きとし、第２の微分信号を緩やかな傾きとすることにより、出力ショート時（出力電圧零）の出力電流と、過電流保護動作の開始時の出力電流とが、ほぼ等しくなるように、定電流垂下の過電流保護動作ができる。
【００１３】
このように、出力ショート時の出力電流と、開始時の出力電流とがほぼ等しくなれば、特許文献２のような、いわゆる裾を引いた過電流垂下特性ではなくなり、過電流の延びを回避し、回路部品の発熱を抑え、回路部品の破損を回避し得る。
【００１４】
また、本発明では、回路部品の発熱が抑えられるから、大きな整流素子を使用する必要がなくなり、回路部品の小型化、低コスト化が実現される。
【００１５】
更に、本発明では、第１、第２の時定数回路という簡単な回路を用いているから、小型化、低コスト化の妨げになることがない。
【発明の効果】
【００１６】
以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
（ａ）過電流保護動作時に、良好な定電流垂下特性が得られる、スイッチング電源を提供することができる。
（ｂ）小型化を図り得る、スイッチング電源を提供することができる。
【００１７】
本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施例によって更に詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明に係るスイッチング電源の一実施例を示す電気回路図である。本発明に係るスイッチング電源は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御型のフライバック、フォワード、プッシュプル、ハーフブリッジ、フルブリッジなどの他励型のスイッチング電源である。以下、フォワードコンバータ方式を用いて、本発明に係るスイッチング電源の説明をする。
【００１９】
図示のスイッチング電源は、１次側回路１と、２次側回路２と、トランスＴ１と、過電流保護回路３とを含む。トランスＴ１は、１次コイルＬ１と、２次コイルＬ２とを含む。１次側回路１は、制御回路ＩＣ１と、スイッチ素子Ｑ１０と、コンデンサＣ１０と、１次コイルＬ１とを含む。
【００２０】
制御回路ＩＣ１は、例えば、PWM回路を内蔵するＰＷＭコントロールＩＣであり、出力端子ＯＵＴ、デューティ調節端子ＣＳと、接地端子ＧＮＤとを有する。制御回路ＩＣ１は、スイッチング信号Ｓ１を生成し、出力端子ＯＵＴから出力する。スイッチング信号Ｓ１は、一定周波数の信号であり、所定のオン・デューティＴｏｎで断続する。
【００２１】
図２は、デューティ調節端子ＣＳの電圧とスイッチング信号Ｓ１のオン・デューティＴｏｎとの関係を示すグラフである。図２に示すように、制御回路ＩＣ１は、デューティ調節端子ＣＳの電圧が低下すると、スイッチング信号Ｓ１のオン・デューティＴｏｎを狭める動作をする。
【００２２】
スイッチ素子Ｑ１０は、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）である。スイッチ素子Ｑ１０は、単数であっても、複数であってもよい。図示のスイッチ素子Ｑ１０は、一つであって、主回路(ドレイン、ソース）が１次コイルＬ１と直列に接続されている。
【００２３】
スイッチ素子Ｑ１０は、ゲートにスイッチング信号Ｓ１が供給され、スイッチング信号Ｓ１のオン・デューティＴｏｎに応じて、入力端子３１、３２に供給された直流入力電圧Ｖｉをスイッチングする。これにより、トランスの１次コイルＬ１に流れる電流が断続される。
【００２４】
２次側回路２は、整流平滑回路２０と、２次コイルＬ２とを含む。整流平滑回路２０は、ダイオードＤ２１、Ｄ２２と、チョークコイルＬ２０と、コンデンサＣ２１とを含む。２次コイルＬ２には、１次コイルＬ１に供給された電力が伝達される。整流平滑回路２０は、２次コイルＬ２に供給された電圧を整流平滑し、出力端子３３、３４から出力電圧Ｖｏを出力する。
【００２５】
過電流保護回路３は、電流検出手段３１と、スイッチ回路Q１と、重畳信号発生回路３２と、比較回路３５と、電圧調整手段３４とを含む。まず、電流検出手段３１は、スイッチ素子Q１０に流れる電流を監視し、その電流の大きさに対応する検出電圧信号Ｖ３を生成する。このような電流検出手段３１は、例えば、抵抗、カレントトランス等を用いて構成できる。図示の実施例において、電流検出手段３１は、抵抗であり、スイッチ素子Ｑ１０及び１次コイルＬ１と直列に接続され、スイッチ素子Ｑ１０に流れる電流に対応する検出電圧信号Ｖ３を生成する。
【００２６】
重畳信号発生回路３２は、重畳信号Ｖ２を生成するための回路であり、スイッチ回路Ｑ１と、第１の時定数回路３２１と、第２の時定数回路３２２と、抵抗Ｒ１、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６とを含む。
【００２７】
スイッチ回路Q１は、制御回路ＩＣ１から供給される制御信号によって駆動される。図示の実施例では、一個のＦＥＴを用い、そのゲートに制御回路ＩＣ１からの制御信号を供給するようになっている。スイッチ回路Q１を構成するＦＥＴの主回路は、一端がＧＮＤに接続され、他端が抵抗Ｒ１を介して、制御回路ＩＣ１の出力端OUＴに導かれている。但し、このような回路構成には限定されない。
【００２８】
第１、第２の時定数回路３２１、３２２のそれぞれは、異なる時定数τ１、τ２を有する。図において、第１の時定数回路３２１は、コンデンサＣ１、Ｃ２と、抵抗Ｒ２との直列接続回路として構成されているから、その時定数τ１は、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１、Ｃ２の直列接続容量値との積となる。第２の時定数回路３２２は、コンデンサＣ１と、抵抗Ｒ３との直列接続回路であるから、その時定数τ２はコンデンサＣ１と、抵抗Ｒ３との積となる。コンデンサＣ１は、第１、第２の時定数回路３２１、３２２において共用されているので、結局、コンデンサＣ２がコンデンサＣ１と直列に入っている第１の時定数回路３２１の時定数τ１が、第２の時定数回路３２２の時定数τ２よりも小さくなる。
【００２９】
第１、第２の時定数回路３２１、３２２の一端側、つまり、コンデンサＣ１の一端は、比較回路３５に導かれるとともに、抵抗Ｒ５を介して基準電圧源Ｖｒｅｆに接続されている。第１、第２の時定数回路３２１、３２２を構成する抵抗Ｒ３、Ｒ４の他端は、共通に接続され、スイッチ回路Ｑ１を介してＧＮＤに導かれるとともに、抵抗Ｒ１を介して、基準電圧源Ｖｒｅｆに接続されている。
【００３０】
比較回路３５は、検出電圧信号Ｖ３と重畳信号Ｖ２とを比較して、過電流保護動作のための信号を生成する。図において、比較回路３５は、抵抗Ｒ８と、トランジスタＱ２と、トランジスタＱ３と、抵抗Ｒ７とを含む。抵抗Ｒ８は、一端側に基準電圧源Ｖｒｅｆが接続され、他端側がトランジスタＱ２、Ｑ３を介してＧＮＤに導かれている。
【００３１】
電圧調整手段３４は、デューティ調節端子ＣＳに供給される電圧を調整する回路である。図の電圧調整手段３４は、コンデンサＣ３と、抵抗Ｒ９、Ｒ１０と、トランジスタＱ４とを含む。
【００３２】
図３は、本発明に係るスイッチング電源の過電流保動作を説明するタイムチャ−トである。以下、図１に示した電気回路図、及び、図３に示したタイムチャートを参照して、過電流保護回路３の動作について説明する。
【００３３】
図３において、波形ＶＧは、スイッチ回路Ｑ１０のゲート電圧であり、スイッチング信号Ｓ１に対応している。波形ＶＤは、スイッチ回路Ｑ１０のドレイン−ソース間電圧である。スイッチ回路Ｑ１０は、期間ｔ１〜ｔ３、ｔ４〜ｔ６でＯＮ状態となり、期間ｔ０〜ｔ１、ｔ３〜ｔ４、ｔ６〜ｔ７でＯＦＦ状態となっている。
【００３４】
スイッチ回路Ｑ１０がＯＮ状態になると、電流検出手段３１に電流が流れ、図３に示すように、スイッチ回路Ｑ１０に流れる電流の大きさに対応する検出電圧信号Ｖ３が生じる。
【００３５】
図１において、スイッチ回路Ｑ１０がＯＮ状態になると、スイッチ回路Ｑ１がＯＮ状態となり、第１、第２の時定数回路３２１、３２２の他端側は、ＧＮＤに接地される。第１、第２の時定数回路３２１、３２２の他端側がＧＮＤに接地されると、第１、第２の時定数回路３２１、３２２のそれぞれは、異なる時定数で動作する。これにより、第１、第２の時定数回路３２１、３２２の一端側では、第１、第２の微分信号Ｖ２１、Ｖ２２が、基準電圧源Ｖｒｅｆからの基準電圧信号に重畳され、重畳信号Ｖ２が生じる。
【００３６】
図３を参照すると、重畳信号Ｖ２には、スイッチ回路Ｑ１０がＯＮした直後、第１の時定数回路３２１の小さな時定数により、変化率の急峻な第１の微分信号Ｖ２１が表れ、次に、第２の時定数回路３２２の大きな時定数により、変化率の緩やかな第２の微分信号Ｖ２２が表れている。
【００３７】
再び、図１を参照して説明する。比較回路３５において、トランジスタＱ２のベースには重畳信号Ｖ２が供給され、トランジスタＱ３のベースには検出電圧信号Ｖ３が供給される。通常（過電流状態でない）動作時においては、検出電圧信号Ｖ３が重畳信号Ｖ２よりも小さいから、トランジスタＱ３がＯＮ状態となり、トランジスタＱ２はＯＦＦ状態となる。トランジスタＱ２がＯＦＦ状態であれば、電圧調整手段３４は動作せず、デューティ調節端子ＣＳに供給される電圧は調整されない。
【００３８】
一方、過電流状態になると、検出電圧信号Ｖ３が重畳信号Ｖ２よりも大きくなり、トランジスタＱ２がＯＮ状態となる。これにより、抵抗Ｒ７に電流が流れ、トランジスタＱ４がＯＮ状態となり、デューティ調節端子ＣＳに供給される電圧が下がり、スイッチング信号Ｓ１のオン・デューティＴｏｎが狭くなり、過電流保護動作が実現される。そして、過電流状態（負荷ショート状態）が厳しくなればなる程、検出電圧信号Ｖ３が大きくなり、オン・デューティＴｏｎを狭くする方向に働くこととなる。
【００３９】
上述したように、本発明に係るスイッチング電源は、過電流保護回路３を含むから、検出電圧信号Ｖ３と重畳信号Ｖ２とを比較して、過電流保護動作を実現できる。ここで、重畳信号Ｖ２は、第１、第２の微分信号Ｖ２１、Ｖ２２を含む。第１、第２の微分信号Ｖ２１、Ｖ２２は、第１、第２の時定数回路３２１、３２２の定数を設定することにより、所望の波形とすることができるから、結局、重畳信号Ｖ２の電圧も任意に設定できる。そして、重畳信号Ｖ２の電圧を適宜設定することにより、所望の定電流垂下過電流保護特性を得ることができる。
【００４０】
具体的には、検出電圧信号Ｖ３と第１の微分信号Ｖ２１とを比較して行う過電流保護動作、及び、検出電圧信号Ｖ３と第２の微分信号Ｖ２２とを比較して行う過電流保護動作、という２種類の保護動作により、所望の定電流垂下過電流保護特性を得ることができる。
【００４１】
図４は、本発明に係るスイッチング電源の過電流保護特性を説明する図である。図において、実線で示した特性Ｌ１は、本発明に係るスイッチング電源の特性であり、破線で示した特性Ｌ２、Ｌ３は、比較例１、２のスイッチング電源の特性である。比較例１のスイッチング電源は、特許文献１と同様の過電流保護回路を有し、比較例２のスイッチング電源は、特許文献２と同様の過電流保護回路を有している。
【００４２】
本発明に係るスイッチング電源は、第１、第２の時定数回路３２１、３２２の時定数を適宜設定することにより、第１の微分信号Ｖ２１を急峻な傾きとし、第２の微分信号Ｖ２２を緩やかな傾きとしている。これにより、出力ショート（出力電圧零）時Ｐ１の出力電流と、過電流保護動作の開始時Ｐ０の出力電流とがほぼ等しくなる、理想的な定電流垂下型の過電流保護特性を実現している。
【００４３】
このように、出力ショート（出力電圧零）時Ｐ１の出力電流と、開始時Ｐ０の出力電流とがほぼ等しくなれば、特許文献２のような、いわゆる裾を引いた過電流垂下特性ではなくなり、短絡電流（過電流）の延びを回避し、回路部品の発熱を抑え、整流素子等の回路部品の破損を回避し得る。また、厳しい負荷ショート（出力デッドショート状態）でも過大電流を防止し、スイッチング電源回路、及び、負荷回路を確実に過電流保護できる。
【００４４】
これに対し、比較例１のスイッチング電源は、特許文献１と同様のフの字特性であるから、回路の再起動性が悪くなるという問題が生じる。比較例２のスイッチング電源は、出力ショート（出力電圧零）時Ｐ３の出力電流が、開始時Ｐ０の出力電流よりも大きな電流値となっているから、短絡電流（過電流）が大きく延び、回路部品が破損するおそれがある。
【００４５】
また、本発明では、回路部品の発熱が抑えられるから、大きな整流素子を使用する必要がなくなり、回路部品の小型化、低コスト化が実現される。更に、本発明では、第１、第２の時定数回路３２１、３２２という簡単な回路を用いているから、小型化、低コスト化の妨げになることがない。
【００４６】
以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係るスイッチング電源の一実施例を示す電気回路図である。
【図２】デューティ調節端子ＣＳの電圧とスイッチング信号Ｓ１のオン・デューティとの関係を示す特性図である。
【図３】本発明に係るスイッチング電源の過電流保動作を説明するタイムチャ−トである。
【図４】本発明に係るスイッチング電源の過電流保護特性を説明する図である。
【符号の説明】
【００４８】
ＩＣ１                制御回路
Ｑ１０                スイッチ素子
３                    過電流保護回路
３１                  電流検出手段
３２１                第１の時定数回路
３２２                第２の時定数回路
【図１】
2007060880.tif 000003
【図２】
2007060880.tif 000004
【図３】
2007060880.tif 000005
【図４】
2007060880.tif 000006