JPH0246130A - スイッチングレギュレータの過負荷保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は種々の電子装置等に給電する直流安定回路電源
として用いられるスイッチングレギュレータ、すなわち
変圧器の入力側に供給する断続電流の通流率を制御する
ことにより出力側電圧を一定に調整するスイッチングレ
ギュレータを過負荷から保護するための保護回路に関す
る。

〔従来の技術〕

上述のスイッチングレギュレータから電子装置等の負荷
に対して、それに通する単一ないしは複数個の出力電圧
が供給され−るが、なんらかの原因で負荷回路に短絡が
発生したり負荷に流れる電流が過大になることがあり、
かかる短絡や過電流からスイッチングレギュレータ自体
はもちろん負荷も守るために、従来から過負荷保護回路
がスイッチングレギュレータ内に組み込まれている。第
３図は過負荷保護回路を組み込んだスイッチングレギュ
レータの従来例を示すものである。

まず、スイッチングレギュレータの概要を説明する０図
示の例では変圧器１としていわゆるフライバック形が用
いられており、入力側回路２は直流の入力電圧ｖ１を受
けてそのスイッチング回路２ｃによって変圧器ｌの一次
コイルに流す電流を断続する、この例は２出力の場合で
あって、２個の出力側回路３および４は変圧器ｌの二次
コイルから受ける断続する誘起電圧をそれぞれダイオー
ド３ａおよび４ａで整流し、かつ二次コイルのインダク
タンスとキャパシタ３ｂおよび４ｂで平滑化した上で、
ふつうは互いに異なる出力電圧Ｖｏをそれぞれ出力する
。

出力側回路３がいわば主出力回路であって、制御回路５
０はこの出力側回路３の出力電圧の実際値Ｖを受け、入
力側回路２のスイッチング回路２Ｃを操作して実際値Ｖ
が所定の目標値になるように変圧器１の入力側に流す断
続＠流の通流率を制御する。出力側回路４はいわば軸出
力回路であって、その出力電圧は上の制御回路５０によ
り一応は制御されているがその負荷の条件によっては主
出力回路とは別の電圧変動が生じうるので、ふつうは補
助的な電圧制御手段としていわゆる３端子レギユレータ
６０が図示のようにこの軸出力回路に組み込まれる。こ
の３端子レギユレータ６０は、いわゆるシリーズドロッ
パであるトランジスタ６１．そのベース電位設定用のツ
ェナダイオード６２およびツェナダイオードＴｉ流とト
ランジスタのベース電流を供給する抵抗６３を含む。

過電流や短絡等の過負荷状態を検出するため、出力側回
路３内には電流検出抵抗３Ｃが挿入されており、それか
ら電ｉｔを表す電流信号が制御回路５０に与えられる。

制御回路５０は、この電流信号の値か過電流検出のため
の設定値を越えるとき、入力側回路２のスイッチング回
路２Ｃを介して前述の断続電流の通流率を低下させない
しは抑制するごとにより電流ｉを制限する。出力側回路
４にも同様に電流検出抵抗４ｃが挿入されているが、こ
れからの電流信号は３端子レギユレータ６０のツェナダ
イオード６２を図ではＭ略に示されたスイッチ６４によ
って短絡し゛ζ出力電圧を強制的に降下させるために用
いられる。スイッチ６４は所定の動作しきい値をもつト
ランジスタ回路である。

この第３図の従来例では出力側回路に過電流を検出する
ための電流検出抵抗を挿入しているが、充分な過電流検
出感度を得るには電流検出抵抗の抵抗値をかなり大きく
取る必要があり、この抵抗内に常時電力損失が発生して
スイッチングレギュレータの効率が低下する問題がある
。この例のように出力側回路が複数個あるとき、効率低
下はとくに大きくなる１次の第４図に示す従来例はこの
点の解決を図ったものである。

第４図には第３図と同じ部分に同じ符号が付けられてお
り、この例では図示のように入力側回路２内に単一の電
流検出抵抗２ｄが挿入される。ふつうスイッチングレギ
ュレータへの入力電圧Ｖｉの方が出力電圧Ｖｏよりもず
っと高いので、入力側電流は出力側電流よりもかなり小
さく、過電流時に所望の電圧降下を発生するようにこの
電流検出抵抗２ｄの抵抗値を選んでも電力損失が少なく
なり、また単一の抵抗で済むことからもスイッチングレ
ギュレータの効率向上に有利になる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の第３図の従来例Ｃは前述のように電流検出抵抗内
の電力損失が大きくスイッチングレギュレータの効率が
低下する問題があったが、第４図の従来例にも短絡電流
がかなり大きくなる問題がまだ残っ′ζいる。以下、こ
れを第２図を参照して説明する。

第２図には上述の従来例における過負荷保護時の電圧・
電流特性がＢおよびＣで示されている。

特性Ｂは第３図の出力側回路４の３端子レギユレータ６
０を利用した場合でありで、電流ｉが定格電流Ｉｎより
大きく設定された過電流検出のための設定値ｉｏに達し
たとき、電圧Ｖが強制的に下げられるので電流ｌも同時
に減少することになり、従って短絡電流ｉｂは図示のよ
うに定格電流ｉｎよりもさらに低い値になる。

これに対して、特性Ｃは第４図および第３図の出力側回
路３の場合であって、制御回路５０は電流検出抵抗２ｄ
ないしは３ｃで検出された電流ｌの値が過電流検出設定
値ｉｏを上回ったことをあくまで条件として電流抑制動
作を行なうので、原理上からも短ｖＩＩ電［１ｃを設定
値ｉｏ以下に抑えることは不可能で、ふつう短絡：ｌｉ
流ｉｃの値が図のように定格電流ｉｎの１．５倍以上に
も増えてしまう。

この短絡時には電圧Ｖがないので電力損失はあまり大き
くはならないが、短絡電流が変圧器ｌの二次コイルや整
流ダイオード等を流れるので、これらに大電流に連続的
に耐える定格容量を持たせねばならな（なって非常に不
経済になる。なお、第３図および第４図ではダイオード
３ａおよび４ａは簡略に単一のダイオードで示されてい
るが、ふつう全波整流回路が用いられるので、最低４個
のダイオードが必要である。また、スイッチングレギュ
レータがフライバック形でない場合は、出力側回路にふ
つう平滑リアクトルを挿入する要があるので、その定格
容量をも増加させなければならないことになる。

本発明は従来技術がもつかかる問題点を解決して、電流
検出抵抗内の電力損失を少なく、かつ短絡電流を小さく
することができるスイッチングレギュレータの過負荷保
護回路を得ることを目的とする。

（課題を解決するための手段〕 この目的は本発明によれば、冒頭記載のように変圧器の
入力側に供給する断続電流の通流率の制御により出力側
電圧が調整されるスイッチングレ覧 ギュレータを過負荷から保護するための回路を、入力側
電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検
出された電流値が過電流検出設定値を上回ったとき入力
側断続電流の通流率を抑制する第１の通流率抑制回路と
、出力側電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段
により検出された電圧値が所定の下限値を下回ったとき
入力側断続電流の通流率を抑制する第２の通流率抑制回
路とで構成することにより達成される。

上記構成中の第１および第２の通流率抑制回路は、原理
的には互いに独立にかつ相加的に通流率制限動作を行な
うようにすることができるが、回路構成を筒車化する上
では、第２の通流率抑制回路によって第１の通流率抑制
回路の動作を強めるように、とくに第１の通流率抑制回
路の動作しきい値である過電流検出設定値を下げること
によって強めるようにするのが有利である０両道流率抑
制回路中のそれぞれに行なわせる抑制動作の強さも、所
望の保護特性が得られるように互いに独立に選択するこ
とができるが、多くの場合第２の通流率抑制回路の抑制
動作の方を第１の通流率抑制回路のそれよりも強めるの
が望ましい。

〔作用〕

本発明では、まず上記構成中の第１の通流率抑制回路に
入力側断続電流の通流率抑制動作を開始させるための過
電流状態を、上記構成にいうように電流検出手段によっ
て変圧器への入力側電流から検出させることにより、電
流検出手段内に発生する電力損失を低く抑える。従って
、本発明の場合のスイッチングレギュレータの効率は前
の第４図の従来例差みに向上される。

しかし、過電流状態を条件とするこの第１の通流率抑制
回路による通流率の制限動作だけでは、前述のように短
絡電流を過電流検出設定値以下に減少させることは原理
的に不可能なので、本発明においては出力側電圧が入力
側電流の増加とともに減少する特性をもつことに着目し
て、上記構成にいう電圧検出手段と第２の通流率抑制回
路とを設け、電圧検出手段により検出された出力側電圧
が所定の下限値を下回っ吹とき第２の通流率抑制回路に
よって入力側断続電流の通流率をさらに抑制させる。

もちろん、スイッチングレギュレータであるからには常
時は出力側電圧が下がると入力側断続電流の通流率を上
げることによって出力側電圧を回復さ゛せるのではある
が、出力電圧値が上記の下限値を下回ったときに限って
、それまでとは逆に通流率を抑制して減少させることに
より出力電圧を低下させる。

この電圧検出手段と第２の通流率抑制回路とにより、過
負荷保護回路に過電流状態を条件としない電流抑制効果
を新しく付与することができ、これによって短絡電流を
少な（とも過電流検出設定値以下に制限し、あるいは前
の第２図のＢで示したと同等な過負荷保護特性をこれに
もたせて短絡電流を定格電流値以下のごく低い値にまで
減少させることができる。

〔実施例〕

以下、図を参照しながら本発明の詳細な説明する。第１
図は本発明による過負荷保護回路の一実施例をスイッチ
ングレギュレータに組み込んだ状態で示すもので、この
例ではスイッチングレギュレータは前の第３図および第
４図と同じくフライバック形でかつ他励形であるが、本
発明回路はもちろんこれに限らずフォワード形や自助形
のスイッチングレギュレータにも同様に適用することが
できる。なお、第１図の第３図および第４図と同じ部分
には同じ符号が付されている。

第１図において、入力側回路２には変圧器ｌの一次コイ
ルを流れる入力側電流を断続するスイッチングトランジ
スタ２ａとそのベースを駆動する駆動回路２ｂが含まれ
ており、これらは前の第３図および第４図のスイッチン
グ回路２ｃに対応するものである。この入力側回路２に
は、本発明における電流検出手段ｌＯの電流検出抵抗１
１が挿入されており、それを流れる入力側電流ｌを表す
信号を発生するが、入力側電流量が断続電流なので、そ
の平滑回路１２ないしはピークホールド回路を介して脈
動のない安定した直流の電流信号の形で電流検出手段Ｉ
Ｏから出力される。

この実施例においても、スイッチングレギュレータは２
個の出力側回路３および４を変圧器１の出力側に備えて
おり、この例では両出力側回路に本発明にイ、ける電圧
検出手段３０が設けβれる。この電圧検出手段３０は出
力側回路３について詳しく示されたようにその１対の出
力端子間にフォトカプラ４２のフォトダイオード４２ａ
と直列に接続された抵抗３１とツェナダイオード３２と
からなり、出力電圧Ｖｏの値が第２の通流率抑制回路４
０が動作開始する下限値ｖｍ以上のときは、ツェナダイ
オード３２が導通してフォトダイオード４２ａが点灯し
ているが、出力電圧Ｖｏが下限値ｖｗを下回ると、ツェ
ナダイオード３２が不導通状態になってフォトダイオー
ド４２ａが消灯するようになっている。

なお、スイッチングレギュレータの主出力回路であるこ
の出力側回路３については、上のような形で電圧検出回
路３０を設ける要は必ずしもなく、そのかわりに出力電
圧の実際値Ｖを作るための電圧分割回路３ｄを用いて、
その出力電圧の実際値Ｖを第２の通流率抑制回路４０に
与えるようにすることもできる。

しかし、スイッチングレギュレータの軸出力回路である
出力側回路４には、上と同構成の電圧検出手段３０を設
けるのが望ましく、その出力電圧値がそれに対する下限
値以上か否かを、これからフォトダイオードの点滅の形
で第２の通流率抑制回路４０に送らせる。なお、この出
力側回路４内には前述の３端子レギエレータ６０および
その入側のキャパシタ４ｄが設けられている。

第１図には前の第３図および第４図では簡略に示されて
いた制御回路５０の内部が示されているので、まずこれ
を簡単に説明する。主出力回路である出力側回路３から
の電圧実際値Ｖは差動増幅回路５に与えられ、その電圧
目標値νｒとの差が例えばＰＩＤ動作をする電圧調整回
路６に与えられる。

この電圧調整回路６の出力は入力側断続電流の基準通流
率を設定する設定回路７により定電圧Ｖｃから作られた
正の設定電圧と重ね合わされ、ダイオード８ａを介して
コンパレータ８の一方の入力に与えられる。

このコンパレータ８は前述の駆動回路２ｂに通流率を指
定するスイッチング指令を与えるもので、その他方の人
力にはパルス発生回路９ａからのパルスに同期して動作
する三角波発生回路９からその枠内に簡略に示されたよ
うな三角波信号を操り返えして受けており、この例では
三角波信号値が一方の入力に受けている電圧値を上回る
時間だけスイッチングトランジスタ２ａをオンさせるこ
とを指定するＰｌｎ１方式のスイッチング指令を出力す
る。

従って、電圧実際値Ｖが目標値ｖｒより高くてコンパレ
ータ８の一方の入力側子が上がると、駆動回路２ｂに与
えられるスイッチング指令が指定する通流率が下げられ
て出力電圧の減少が指令され、逆に電圧実際値が目標値
より低いときには出力電圧の増加が指令される。

第１の通流率抑制回路２０は、その差動増幅回路２１の
正の出力電圧をダイオード８ｂを介してコンパレータ８
の一方の人力に与えることにより、通流率を減少させる
ものである。差動増幅回路２１はその非反転入力に前述
の電流検出回路１０からの電流信号値を受け、その反転
入力に過電流検出設定値を受けて常に両値の差を出力す
るが、電流信号値の方が過電流検出設定値より高い過電
流状態であって、従ってその出力電圧が正の場合にのみ
、それがダイオード８ｂを介してコンパレータ８に与え
られて通流率が抑制される。

この通流率抑制動作の開始点を指定する過電流検出設定
値は、定電圧Ｖｃをうける直列接続の１対の抵抗２２お
よび２３からなる電圧分割回路によって作られる。ただ
し、この実施例ではこれらの抵抗２２および２３の間に
第２の通流率抑制回路４０のフォトカブラ４２のフォト
トランジスタ４２ｂに並列接続された抵抗４１が挿入さ
れているが、出力側回路３および４のいずれもその出力
電圧値が第２の通流率抑制回路４０が動作を開始する下
限値以上である間は、フォトトランジスタ４２ｂがオン
状態で抵抗４１が短絡されているので、過電流検出設定
値は抵抗２２と２３による分圧比で決められる。

この実施例での第２の通流率抑制回路４０は、第１の通
流率抑制回路２０の上述の過電流検出設定値を下げるこ
とにより、通流率を抑制するように構成されている。出
力側回路３および４に設けられた電圧検出回路３０にフ
ォトダイオード４２ａが直列接続されたフォトカプラ４
２のフォトトランジスタ４２ｂは、抵抗４１に例えば図
示のように接続されており、いずれかの出力側回路の出
力電圧が前述の下限値を下回ると、抵抗４１が短絡状態
から釈放されて過電流検出設定値が下がる。これによっ
て、第１の通流率抑制回路２０の差動増幅回路２１の出
力電圧が上がって、通流率がより強力に抑制されること
になる。この第２の通流率抑制回路４０により通流率を
抑制する程度は、もちろん抵抗２２．２３および４１の
抵抗値の比によつて適宜に設定することができる。

第２図には以上の本発明による過負荷保護回路によって
得られる保護特性がＡで示されている。

入力側回路２に流れる電流ｌがその定格電流ｉｎを越え
て第１の通流率抑制回路２０の過電流検出設定値ｔｏに
達したとき、第１の通流率抑制回路２０の動作が開始さ
れるが、その際の保護特性は前述の特性Ｃになり、電圧
Ｖはかなり急激に立ち下がるが電流ｉはまだ若干増加を
続ける。

特性線Ｃに沿って電圧Ｖが下限値Ｖ−にまで下がると、
今度は第２の通流率抑制回路４０が動作を開始する０図
ではこのこの第２の通流率抑制回路４０による抑制を最
大に効かせたときの保護特性がＡＩで、効果が最小のと
きの保護特性がＡ２でそれぞれ示されており、本発明に
おいては両特性線間の図にハツチラグを施した範囲の特
性Ａを例えば前述の３個の抵抗の抵抗値比の設定によっ
て選択することができる。

図かられかるように、第２の通流率抑制回路による最小
効果特性Ａ２は短絡電流が過電流検出設定値ｉｏになる
ように設定するのが望ましく、最大効果特性ＡＩの場合
の短絡電流は前述の特性線Ｂに対応する低い値まで下げ
ることが可能で、この場合の通流率はｌＯ％程度まで落
とすのが適当である。

なお、出力電圧の下限値ｖｓはふつうその定格値ｖｎを
１０％程度下回る値に設定するのがよい。

〔発明の効果〕

本発明においては、変圧器の入力側に供給する断続電流
の通流率の制御により出力側電圧が調整されるスイッチ
ングレギュレータの過負荷保護回路を、入力側電流を検
出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された
電流値が過電流検出設定値を上回ったとき入力側断続電
流の通流率を抑制する第１の通流率抑制回路と、出力側
電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段により検
出された電圧値が所定の下限値を下回ったとき入力側断
続電流の通流率を抑制する第２の通流率抑制回路とで構
成したので、電力損失を電流値の小さな入力側電流を受
ける電流検出手段内で発生する僅かな値に抑えるととも
に、過負荷状態が発生して出力側電圧が下限値を下回る
るまで低下したとき、第２の通流率抑制回路によって入
力側電流の通流率を有効に抑制して短絡電ｆｆｉ値を過
電流検出設定値以下に減少させることができる。

本発明によれば、このようにスイッチングレギュレータ
の効率向上とその出力側回路部品の必要定格値の減少と
の要求を同時に満たすことができるほか、実施例からも
わかるように要求に合わせて過負荷保護回路に種々な保
護特性を持たせて、スイッチングレギュレータやその負
荷を損傷や焼損のトラブルから最も合理的かつ安全に守
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図が本発明に関し、第１図は本発明に
よる過負荷保護回路を組み込んだスイッチングレギュレ
ータを例示する回路図、第２図はその保護特性を従来技
術による場合と対比して示す特性線図である。第３図お
よび第４図はそれぞれ異なる従来の過負荷保護回路を組
み込んだスイッチングレギュレータの回路図である０図
において、 ｌ：変圧器、２：入力側回路、２ａニスイツチングトラ
ンジスタ、２ｂニスイツチングトランジスタ駆動回路、
２Ｃニスイツチング回路、２ｄ：電流検出抵抗、３：出
力側回路ないしは主出力回路、３ａ：整流ダイオード、
３ｂ：キャパシタ、３Ｃ：電流検出抵抗、３ｄ：電圧分
割回路、４：出力側回路ないし軸出力回路、４ａ：整流
ダイオード、４ｂ＝キヤパシタ、４Ｃ：電流検出抵抗、
４ｄ：キャパシタ、５：差動増幅回路、６：電圧調整回
路、７：設定回路、８：コンパレータ、　８ａ、８ｂ：
ダイオード、９　：三角波発生回路、９ａ：パルス発生
回路、ｌＯ：電流検出手段、１１：電流検出抵抗、１２
：平滑回路、２０：第１の通流率抑制回路、２１：差動
増幅回路、２２゜２３：過電流検出値設定抵抗、３０：
電圧検出手段、３１：抵抗、３２：ツェナダイオード、
４０：第２の通流率抑制回路、４１：抑制効果設定抵抗
、４２：フォトカプラ、４２ａ：フォトダイオード、４
２ｂ：フォトトランジスタ、５０：制御回路、６０：３
端子レギユレータ、６１ニジリーズドロツパトランジス
タ、６２：ツェナダイオード、６３：抵抗、６４：トラ
ンジスタスイッチ、Ａ：本発明による保護特性、Ａｌ−
通流率抑制効果最大時の保護特性、Ａ２：通流率抑制効
果最小時の保護特性、Ｂ、Ｃ：従来技術による保護特性
、ｉ：電流、ｉｂ、　ｉｃ　：短絡電流、ｉｎ：定格電
流、ｉｏ＝過電流検出設定値、ｖＣ：定電圧、ｖｉ：入
力電圧、ｖＯ：出力電圧、■＝電圧、ｖ■：第２の通流
率抑制回路が動作開始する下限値、ｖｎ：第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　変圧器の入力側に供給する断続電流の通流率の制御に
   より出力側電圧が調整されるスイッチングレギュレータ
   を過負荷から保護するための回路であって、入力側電流
   を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出さ
   れた電流値が過電流検出設定値を上回ったとき入力側断
   続電流の通流率を抑制する第１の通流率抑制回路と、出
   力側電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段によ
   り検出された電圧値が所定の下限値を下回ったとき入力
   側断続電流の通流率を抑制する第２の通流率抑制回路と
   を備えてなるスイッチングレギュレータの過負荷保護回
   路。