JPH0560185U - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自励型スイッチングレギュレータの過電流保
護を簡単な構成で達成する。 【構成】 トランス４に１次巻線５と２次巻線７と３次
巻線８を設ける。ＦＥＴ６を１次巻線５を介して電源端
子２に接続する。２次巻線７に整流平滑回路１０を接続
する。ＦＥＴ６とグランドとの間に電流検出抵抗８を接
続する。３次巻線８をＦＥＴ６のゲートとグランドとの
間に接続する。値ＦＥＴ６のゲートとグランドとの間に
制御用トランジスタ１６を接続する。制御用トランジス
タ１６のベースとグランドとの間に正特性サーミスタ３
２を介してコンデンサ２９を接続する。このコンデンサ
を出力電圧に対応した電圧で充電する。このコンデンサ
の充電の極性を、過電流検出抵抗８の電圧で制御用トラ
ンジスタ１６を順バイアスする向きと逆にする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、過電流防止回路を有する自励型スイッチング電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

直流電源にトランスの１次巻線を介してスイッチング素子を接続し、トランス の２次巻線に整流平滑回路を接続し、トランスの３次巻線の電圧によってスイッ チング素子を正帰還駆動する自励型スイッチングレギュレータは種々の分野で使 用されている。この種のスイッチングレギュレータは、トランジスタ、ＦＥＴ等 のスイッチング素子を過電流から保護するために、過電流防止回路を備えている 。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、過電流状態にはリレーやモータ等の負荷の起動時等に流れるラッシ ュ電流に基づく過電流状態と、ラッシュ電流よりも小さい一定レベル以上の電流 が連続的に流れる過電流状態との２つがある。もし、前者のラッシュ電流を基準 にして過電流保護のレベルを設定すると、後者の過電流状態が生じた時にスイッ チング素子が破壊する。このため、過電流の大きさと持続時間とを考慮して２系 統の過電流保護回路を設けることがある。しかし、この様に構成すると、回路構 成が複雑になり、且つコスト高になる。

【０００４】 そこで本考案の目的は過電流保護を簡単な構成で達成することができる自励型 スイッチング電源装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するための本考案は、直流電源端子と、トランスと、スイッチ ング素子と、整流平滑回路と、バイポーラトランジスタ又は電界効果トランジス タから成る制御用トランジスタと、電流検出抵抗と、過電流防止制御用コンデン サと、コンデンサ充電手段と、定電圧制御回路と、起動回路と、正特性サーミス タとから成り、前記トランスは相互に電磁結合された１次巻線と２次巻線と３次 巻線とを有し、前記スイッチング素子は第１及び第２の主端子と制御端子とを有 し、前記スイッチング素子の前記第１の主端子は前記１次巻線を介して前記直流 電源端子に接続され、前記スイッチング素子の前記第２の主端子は前記電流検出 抵抗を介してグランド（共通端子又はライン）に接続され、前記３次巻線は前記 スイッチング素子の前記制御端子と前記グランドとの間に接続され、前記整流平 滑回路は前記２次巻線に接続され、前記制御用トランジスタは前記スイッチング 素子の前記制御端子と前記グランドとの間に接続され、前記制御用トランジスタ の制御端子は前記電流検出抵抗に接続され、前記過電流防止制御用コンデンサの 一端は前記グランドに接続され、前記正特性サーミスタは前記過電流防止制御用 コンデンサの他端と前記制御用トランジスタの制御端子との間に接続されている と共に前記スイッチング素子に対して熱的に結合され、前記コンデンサ充電手段 は前記整流平滑回路の出力電圧に対応する電圧で前記過電流防止制御用コンデン サを充電するように構成され、前記定電圧制御回路は前記制御用トランジスタの ベース又は前記スイッチング素子の制御端子に接続され、前記起動回路は前記ス イッチング素子の前記制御端子に接続されていることを特徴とするスイッチング 電源装置に係わるものである。

【０００６】

【作用及び効果】

本考案において使用されている正特性サーミスタは温度上昇に応じて抵抗値が 高くなる。ラッシュ電流のような短時間の過電流の場合にはサーミスタの温度上 昇がほとんど生じないので、サーミスタに基づく電流制限動作は生じない。しか し、ラッシュ電流よりも小さいレベルの過電流であっても、これの流れる期間が 長くなると、スイッチング素子及びサーミスタの温度上昇が生じ、サーミスタの 抵抗値が高くなり、制御用トランジスタのオン開始時点が早くなり、スイッチン グ素子のオン時間幅が短くなり、スイッチング素子の破壊が防止される。従って 、簡単な回路構成によって過電流保護が達成される。

【０００７】

【実施例】 次に、図１〜図３を参照して本考案の実施例に係わるハードディスク装置（Ｈ ＤＤ）用の自励型スイッチング電源装置を説明する。

【０００８】 図１のスイッチング電源装置は、整流回路、電池等の直流電源１に接続された 電源端子２とグランド（共通）端子３とを有し、これ等の間にトランス４の１次 巻線５を介してスイッチング素子としてのＦＥＴ６が接続されている。トランス ４は１次巻線５の他に２次巻線７及び３次巻線８を有し、これ等は互いに電磁結 合されている。ＦＥＴ６はドレイン（第１の主端子）とソース（第２の主端子） とゲート（制御端子）とを有し、ドレインが１次巻線５を介して電源端子２に接 続され、ソースが電流検出抵抗９を介してグランド（共通）ライン３ａに接続さ れている。なお、グランドライン３ａはグランド端子３に接続されている。

【０００９】 ２次巻線７には整流平滑回路１０が接続されている。この整流平滑回路１０は ２次巻線７に接続された整流ダイオード１１と、この整流ダイオード１１を介し て２次巻線７に並列に接続された平滑用コンデンサ１２とから成り、この出力ラ インに負荷１３が接続されている。なお、ダイオード１１はＦＥＴ６のオフ期間 に２次巻線７に誘起する電圧でオンになる方向性を有している。

【００１０】 ３次巻線８の一端はコンデンサ１４と抵抗１５とを介してＦＥＴ６のゲートに 接続され、この他端はグランドライン３ａに接続されている。この３次巻線８の 極性はＦＥＴ６のオン期間に正帰還によってＦＥＴ６をオン駆動する方向の電圧 を発生するように決定されている。なお、この３次巻線８にはＦＥＴ６のオン時 に電源１の電圧に対応した電圧が誘起し、ＦＥＴ６のオフ時に出力電圧に対応し た電圧が誘起する。

【００１１】 ＦＥＴ６をオフ制御するための制御用トランジスタ１６が設けられ、このコレ クタがＦＥＴ６のゲートに接続され、エミッタがグランドライン３ａに接続され 、ベースは抵抗１７を介して電流検出抵抗９の一端（上端）に接続されている。 しきい値以上の電圧に応答してこの制御用トランジスタ１６がオンになると、Ｆ ＥＴ６のゲートがグランドに接続され、ＦＥＴ６のオフ制御が達成される。なお 、抵抗１７には並列に制御用トランジスタ１６の逆バイアス用コンデンサ１８が 接続されている。

【００１２】 定電圧制御回路として電圧検出抵抗１９、２０、誤差増幅用トランジスタ２１ 、基準電圧源用ツエナーダイオード２２、抵抗２３、発光ダイオード２４、抵抗 ２５、ホトトランジスタ２６、コンデンサ２７、及びダイオード２８が設けられ ている。電圧検出抵抗１９、２０は平滑用コンデンサ１２の両端間に接続され、 この分圧点がトランジスタ２１のベースに接続されている。ツエナーダイオード ２２と抵抗２３との直列回路は平滑用コンデンサ１２の両端間に接続され、これ 等の分圧点がトランジスタ２１のエミッタに接続されている。発光ダイオード２ ４は抵抗２５を介して平滑用コンデンサ１２の一端とトランジスタ２１のコレク タとの間に接続されている。発光ダイオード２４に光結合されたホトトランジス タ２６のエミッタは制御用トランジスタ１６のベースに接続されている。電源用 コンデンサ２７はホトトランジスタ２６のコレクタとグランドライン３ａとの間 に接続されている。ダイオード２８はＦＥＴ６のオン期間に３次巻線８に誘起す る電圧で導通する方向性を有して３次巻線８の一端とコンデンサ２７との間に接 続されている。従って、コンデンサ２７は電源１の電圧に対応する電圧に充電さ れる。

【００１３】 過電流防止制御を行うために、コンデンサ２９と、この充電手段としてのダイ オード３０と、抵抗３１と、正特性サーミスタ３２とが設けられている。過電流 防止制御用コンデンサ２９の一端はグランドライン３ａに接続され、この他端は サーミスタ３２と抵抗３１とを介して制御用トランジスタ１６のベースに接続さ れている。ダイオード３０はＦＥＴ６のオフ期間に３次巻線８に誘起する電圧で 導通する方向性を有してコンデンサ２９の他端（上端）と３次巻線８の一端（上 端）との間に接続されている。従って、３次巻線８とダイオード３０は出力電圧 に対応した電圧にコンデンサ２９を充電する手段として機能する。なお、サーミ スタ３２はＦＥＴ６と同一の回路基板上に取付けられ、回路基板を介して熱的に 結合されている。

【００１４】 ＦＥＴ６の起動回路として電源端子２とＦＥＴ６のゲートとの間に起動抵抗３ ３が接続されている。また、周知のスナバー回路を構成するために、ダイオード ３４と抵抗３５とコンデンサ３６が設けられている。

【００１５】

【オン・オフ動作】

電源端子２とグランド端子３との間に電源１を接続すると、起動抵抗３３を介 してコンデンサ１４及びＦＥＴ６のゲート・ソース間寄生容量が充電され、これ がしきい値よりも高くなると、ＦＥＴ６がオンする。１次巻線５はインダクタン スを有するので、１次巻線５とＦＥＴ６と電流検出抵抗９とを通って流れる電流 は時間と共に徐々に増大する。これにより、電流検出抵抗９に生じる電圧降下も 時間と共に徐々に増大する。制御用トランジスタ１６のベースには電流検出抵抗 ９の電圧と、コンデンサ２７に基づく電圧と、コンデンサ２９に基づく電圧との 合成で決まる電圧が印加される。ベースの電圧がしきい値よりも高くなると、制 御用トランジスタ１６がオンになり、ＦＥＴ６は逆にオフに転換する。

【００１６】 ２次側の整流ダイオード１１はＦＥＴ６のオン期間に非導通であるが、ＦＥＴ ６のオフ期間にはトランス４に蓄積されたエネルギーの放出に基づく２次巻線７ の電圧で導通状態になり、平滑用コンデンサ１２が充電される。

【００１７】 トランス４の蓄積エネルギーの放出が終了すると、トランス４の各巻線５、７ 、８に振動電圧が発生し、３次巻線８にＦＥＴ６をオンにする向きの電圧が生じ 、ＦＥＴ６が再びオンになる。

【００１８】

【定電圧制御動作】

出力電圧が目標値よりも高くなった場合には、ツエナーダイオード２２で与え られる基準電圧と検出電圧との誤差信号を形成するトランジスタ２１のコレクタ 電流が増大し、発光ダイオード２４の発光強度が高くなり、ホトトランジスタ２ ６の抵抗値が小さくなる。この結果、コンデンサ２７の電圧の制御用トランジス タ１６のベースに対する寄与度が高くなり、電流検出抵抗９の電圧が前のサイク ルよりも低い値であっても制御用トランジスタ１６がオンになり、ＦＥＴ６がオ フに転換する。即ち、今迄よりもＦＥＴ６のオン時間幅が狭くなる。これにより 、トランス４の蓄積エネルギーが少なくなり、出力電圧が目標値に向って低下す る。出力電圧が目標値よりも高くなった時には、上記と逆の動作になる。

【００１９】

【過電流防止動作】

ＦＥＴ６に流れる電流の平均値が小さい場合には、ＦＥＴ６の温度は所定温度 以下に保たれる。このため、ＦＥＴ６に熱結合されたサーミスタ３２の温度も所 定温度以下に保たれる。サーミスタ３２は図２に示す温度特性を有し、室温（２ ０℃）では２００〜５００Ω程度の低い抵抗値を示すが、１００℃よりも少し高 いキュリー点を過ぎると抵抗値が急激に上昇する。従って、サーミスタ３２の温 度が低い時には、この抵抗値は数ＫΩの抵抗３１に対して極めて小さな値である ので無視することができる。コンデンサ２９はグランド側がプラスになるように 充電されているので、制御用トランジスタ１６を逆バイアスする向きの作用を有 する。制御用トランジスタ１６はコンデンサ２９による逆バイアスの向きの電圧 に打ち勝つ電流検出抵抗９の電圧とコンデンサ２７の電圧に基づいてオンに転換 する。過電流防止制御用コンデンサ２９の過電流防止に対する寄与を更に詳しく 説明すると、コンデンサ２９と電流検出抵抗９と抵抗１７及び３１とサーミスタ ３２とから成る閉回路にコンデンサ２９の電圧に基づく電流が流れる。電流検出 抵抗９にはＦＥＴ６を通る正方向電流とコンデンサ２９に基づく逆方向電流とが 流れ、これ等の差が制御用トランジスタ１６のベース電圧として寄与する。コン デンサ２９に基づく逆方向電流成分はコンデンサ２９の電圧及びサーミスタ３２ の抵抗値によって変化する。今、出力電圧（負荷電圧）が正常値であり、またサ ーミスタ３２の温度も正常値であるとすれば、コンデンサ２９に基づいて電流検 出抵抗９に流れる逆方向電流成分は比較的大きな値になり、制御用トランジスタ １６が主電流Ｉ1 が流れ始めてから制御用トランジスタ１６がオンになるまでの 時間幅を長くするように作用する。制御用トランジスタ１６のオン転換に対する コンデンサ２９の寄与は、出力電圧の少しの変化又はサーミスタ３２の温度の少 しの変化によってほとんど変化しない。従って、この場合には、制御用トランジ スタ１６のオン時点は、ＦＥＴ６を流れる主電流Ｉ1 の変化とホトトランジスタ ２６の抵抗値変化に依存して決まる。

【００２０】 ＦＥＴ６に連続的に所定値以上の過電流が流れ、ＦＥＴ６の温度が上昇すると 、これに熱的に関係付けられたサーミスタ３２の温度も上昇し、サーミスタ３２ の抵抗値が高くなる。サーミスタ３２の抵抗値が高くなると、コンデンサ２９を 電源としてコンデンサ２９と電流検出抵抗９と抵抗１７と抵抗３１とサーミスタ ３２とから成る閉回路に流れる電流が減少し、電流検出抵抗９における主電流Ｉ 1 による電圧降下を打ち消す向きの成分が少なくなり、結局、小さい主電流Ｉ1 に基づいて制御用トランジスタ１６がオンになり、ＦＥＴ６が逆にオフに転換す る。これにより、ＦＥＴ６の電流制限が達成され、ＦＥＴ６が所定温度に上昇し て破壊することを防ぐことができる。また、電流遮断ではなく、電流を制限する 動作となるので、電力供給を連続的に行うことができる。

【００２１】 図３はサーミスタ３２の温度変化による出力電流Ｉ0 と出力電圧Ｖ0 特性の変 化を示す。特性線Ａはサーミスタ３２の温度の低い時のＩ0 −Ｖ0 特性を示し、 特性線Ｂはサーミスタ３２の温度の高い時のＩ0 −Ｖ0 特性を示す。負荷１３が モータであって起動時にラッシュ電流が流れても、過電流は短時間しか流れない ので、ＦＥＴ６及びサーミスタ３２の温度の上昇は殆んど発生せず、図３の特性 線Ａに示すように電圧がフの字形に垂下を開始する電流値は比較的に高い値に保 たれ、定電圧制御状態が維持される。

【００２２】 一方、ラッシュ電流よりも低いレベルの過電流であっても継続的に流れると、 ＦＥＴ６及びサーミスタ３２の温度が上昇し、特性線Ｂになり、この電流値が特 性線Ｂの垂下点よりも大きくなると、フの字状垂下が生じ、電圧Ｖ0 及び電流Ｉ 0 の両方が低下する。電圧Ｖ0 及び電流Ｉ0 の両方が低下し、ＦＥＴ６及びサー ミスタ３２の温度が低くなると、特性線Ａに従う動作になる。

【００２３】

【変形例】

本考案は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なもの である。 （１） 図４に示すようにトランス４に４次巻線８ａ、５次巻線８ｂを追加し 、４次巻線８ａで過電流防止制御用コンデンサ２９を充電し、５次巻線８ｂでコ ンデンサ２７を充電するように構成することができる。また、４次巻線８ａをコ ンデンサ２７、２９の両方の充電に使用し、５次巻線８ｂを省くことができる。 （２） ＦＥＴ６の代りにバイポーラトランジスタを使用することができる。 また、制御用トランジスタ１６をＦＥＴにすることができる。 （３） ＦＥＴ６の代りにバイポーラトランジスタを使用する場合には、コレ クタ電流の増大によってトランジスタが飽和を維持できなくなって、オフに転換 する動作を使用することができるので、トランジスタ１６を主スイッチング素子 のオフ転換に使用しないように構成することができる。この場合には、例えばト ランジスタ１６に並列にベース電流バイパス用トランジスタを接続し、定電圧制 御回路によってベース電流のバイパス量を制御してスイッチングトランジスタの オフ転換時点を制御する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例に係わるスイッチング電源装置
を示す回路図である。

【図２】図１のサーミスタの特性図である。

【図３】図１の回路の出力電流と出力電圧の関係を示す
特性図である。

【図４】変形例を示す回路図である。

【符号の説明】

４ トランス ６ ＦＥＴ ９ 電流検出抵抗 ３２ サ−ミスタ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源端子と、トランスと、スイッチ
   ング素子と、整流平滑回路と、バイポーラトランジスタ
   又は電界効果トランジスタから成る制御用トランジスタ
   と、電流検出抵抗と、過電流防止制御用コンデンサと、
   コンデンサ充電手段と、定電圧制御回路と、起動回路
   と、正特性サーミスタとから成り、 前記トランスは相互に電磁結合された１次巻線と２次巻
   線と３次巻線とを有し、 前記スイッチング素子は第１
   及び第２の主端子と制御端子とを有し、 前記スイッチング素子の前記第１の主端子は前記１次巻
   線を介して前記直流電源端子に接続され、前記スイッチ
   ング素子の前記第２の主端子は前記電流検出抵抗を介し
   てグランド（共通端子又は共通ライン）に接続され、 前記３次巻線は前記スイッチング素子の前記制御端子と
   前記グランドとの間に接続され、 前記整流平滑回路は前記２次巻線に接続され、 前記制御用トランジスタは前記スイッチング素子の前記
   制御端子と前記グランドとの間に接続され、前記制御用
   トランジスタの制御端子は前記電流検出抵抗に接続さ
   れ、 前記過電流防止制御用コンデンサの一端は前記グランド
   に接続され、 前記正特性サーミスタは前記過電流防止制御用コンデン
   サの他端と前記制御用トランジスタの制御端子との間に
   接続されていると共に前記スイッチング素子に対して熱
   的に結合され、 前記コンデンサ充電手段は前記整流平滑回路の出力電圧
   に対応する電圧で前記過電流防止制御用コンデンサを充
   電するように構成され、 前記定電圧制御回路は前記制御用トランジスタのベース
   又は前記スイッチング素子の制御端子に接続され、 前記起動回路は前記スイッチング素子の前記制御端子に
   接続されていることを特徴とするスイッチング電源装
   置。