JP2005117784A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電圧を帰還して所定の出力電圧を発生するように制御する昇圧型のスイッチング電源装置において、電源装置の各所でのオープン故障の発生に直ちに応答して、過電圧などの異常状態を未然に抑制すること。
【解決手段】出力電圧を帰還して昇圧された所定の出力電圧を発生するように制御する一方、出力電圧に応じて検出されるべき第２検出電圧を監視する。この第２検出電圧が入力電圧より若干低い第２基準電圧を下回ったことによって、実装不良等に原因するオープン故障の発生を検出する。この故障発生に応じてスイッチング信号の供給を直ちに停止して、出力電圧の異常な上昇（即ち、過電圧の発生）を未然に抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源入力電圧をスイッチングすることにより、電源入力電圧が基準電圧に応じて昇圧された電源出力電圧を発生するスイッチング電源装置に関する。

電源入力電圧をコイルを介してスイッチによりオンオフし、発生する電圧をダイオードとコンデンサによって整流平滑して、昇圧された出力電圧を発生するスイッチング電源装置が知られている。このスイッチング電源装置では、出力電圧を所定値に保つために、出力電圧に比例した帰還電圧が基準電圧に等しくなるようにフィードバック制御して、定電圧に制御を行っている。

このスイッチング電源装置の定電圧制御は、スイッチング電源用ＩＣにより行われる。そのスイッチング電源用ＩＣにおいて、帰還電圧形成用の分圧回路や整流用の外付けダイオード等が実装不良等の原因でオープン状態になった場合や、出力回路が短絡した場合には、昇圧不足と判断し、出力電圧を高くする方向に動作する。この結果、出力電圧として異常な高電圧が出力されてしまったり、過大電流が流れてしまうという問題があった。

また、昇圧トランスを用いたディジタル制御方式のスイッチング電源装置において、アーク放電である負荷異常状態を検出して保護するために、出力電圧をモニタし、このモニタ値が異常負荷状態を示す所定閾値以下で、かつ前回のモニタ値が今回のモニタ値よりも小さい場合を異常負荷状態として検出し、この異常負荷状態が２回連続して検出された場合にＰＷＭ信号のデューティを最小値に設定するものが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−００８４４６号公報

特許文献１のスイッチング電源装置では、負荷異常状態を出力電圧が所定閾値以下で且つ前回のモニタ値より今回のモニタ値が小さい場合が連続して観測される必要があり、少なくとも３回以上のモニタ値を必要とするから、異常状態の検出にどうしても時間遅れを生じてしまう。また、負荷異常状態を判定するために出力電圧の所定閾値を決める必要があるが、負荷状態等に応じてその最適値を個別に設定することになるから、その調整に手数を要する等の課題がある。

そこで、本発明は、出力電圧を帰還して所定の出力電圧を発生するように制御する昇圧型のスイッチング電源装置において、電源装置の各所でのオープン故障の発生に直ちに応答して、過電圧などの異常状態を未然に抑制することを目的とする。また、電源装置での故障発生を、負荷状態などに関わらず、固定した閾値で判断することを目的とする。

請求項１のスイッチング型電源装置は、電源入力電圧をスイッチング信号に応じて昇圧し、昇圧された出力電圧を出力するとともに、前記スイッチング信号が供給されない時に前記電源入力電圧に略近い電圧を出力電圧として出力する昇圧回路と、
前記出力電圧に応じて検出されるべき第１検出電圧と第１基準電圧とが入力され、前記第１検出電圧が前記第１基準電圧に等しくなるように、前記第１検出電圧と前記第１基準電圧との差電圧に応じて制御された前記スイッチング信号を出力する制御回路と、
前記出力電圧に応じて検出されるべき第２検出電圧と第２基準電圧とを比較し、前記第２基準電圧が前記第２検出電圧を上回った時に前記スイッチング信号の供給を停止させるための故障検出信号を発生し、前記制御回路に入力する故障検出回路と、を有することを特徴とする。

請求項２のスイッチング型電源装置は、請求項１記載のスイッチング型電源装置において、前記昇圧回路は、コイルと、このコイルに直列接続され、前記スイッチング信号によってオンオフ制御されるスイッチ手段と、前記コイルと前記スイッチ手段との直列接続点の電圧を整流し平滑して前記出力電圧を出力する整流平滑回路を含むことを特徴とする。

請求項３のスイッチング型電源装置は、請求項１、２記載のスイッチング型電源装置において、前記故障検出回路は、前記第２検出電圧と前記第２基準電圧とが入力され、前記故障検出信号を発生する比較器を含むことを特徴とする。

請求項４のスイッチング型電源装置は、請求項１〜３記載のスイッチング型電源装置において、前記制御回路は、前記差電圧に応じてデューティ比が制御されている前記スイッチング信号を出力することを特徴とする。

請求項５のスイッチング型電源装置は、請求項４記載のスイッチング型電源装置において、前記第１基準電圧は動作開始信号によってスタート電圧から所定電圧まで徐々に増加するものであることを特徴とする。

請求項６のスイッチング型電源装置は、請求項１〜５記載のスイッチング型電源装置において、前記第１検出電圧と前記第２検出電圧は同じ電圧であることを特徴とする。

請求項７のスイッチング型電源装置は、請求項１〜６記載のスイッチング型電源装置において、前記故障検出信号が発生されたことを警報するための警報手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、出力電圧を帰還して所定の出力電圧を発生するように制御する昇圧型のスイッチング電源装置において、出力電圧に応じて検出されるべき第２検出電圧を監視し、この第２検出電圧が入力電圧（あるいはそれに応じた電圧）より若干低い第２基準電圧を下回ったことによって、実装不良等に原因するオープン故障の発生を検出する。この故障発生に応じてスイッチング信号の供給を直ちに停止するから、出力電圧の異常な上昇（即ち、過電圧の発生）を未然に抑制できる。

また、本発明によれば、出力電圧は、スイッチング信号が供給されないときも含めて常に略電源入力電圧以上であるから、故障検出のための第２基準電圧は、負荷状態などに関わらず、固定した電圧（略電源入力電圧に応じた電圧以下の電圧）に設定できる。したがって、第２基準電圧の設定が容易である。

以下、本発明のスイッチング電源装置の実施例について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係るスイッチング電源装置の回路構成を示す図であり、図２はその動作を説明するための特性図である。

図１において、電源入力電圧Ｖｃｃとグランド間にコイルＬｏとスイッチ手段Ｑｏとが直列に接続される。スイッチ手段Ｑｏは、ＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタが好適である。この例では、スイッチ手段Ｑｏとして、Ｎ型ＭＯＳトランジスタが使用されている。

そのコイルＬｏとスイッチ手段Ｑｏとの直列接続点Ａに整流用ダイオードＤｏのアノードが接続される。整流用ダイオードＤｏは電圧降下の小さいショットキ・バリヤ・ダイオードが好適である。その整流用ダイオードＤｏのカソードとグランド間に平滑用コンデンサＣｏが接続される。これにより、直列接続点Ａの電圧が、整流用ダイオードＤｏと平滑用コンデンサＣｏからなる整流平滑回路で、整流平滑されて出力点Ｂから出力電圧Ｖｏとして、負荷（図示していない）に供給される。

これらコイルＬｏ、ダイオードＤｏ、コンデンサＣｏは外付け部品で構成されることが多く、スイッチ手段Ｑｏを含む制御手段（スイッチング電源用ＩＣ）１０とともに、スイッチング型の昇圧回路が構成される。スイッチ手段Ｑｏのゲートに印加されるスイッチング信号のデューティ比に応じて、スイッチ手段Ｑｏのオン期間とオフ期間が変更されて、電源入力電圧Ｖｃｃが昇圧された出力電圧Ｖｏが出力される。

また、この昇圧回路では、スイッチング信号が供給されないとき、即ちスイッチ手段Ｑｏがオフ状態のときには、コイルＬｏ、ダイオードＤｏを介して、コンデンサＣｏは略電源入力電圧Ｖｃｃに近くまで充電される。具体的には、電源入力電圧ＶｃｃからダイオードＤｏの降下電圧Ｖｆを引いた電圧に充電される。ダイオードＤｏの降下電圧Ｖｆは、ショットキーダイオードの場合には比較的小さく、例えば０．２〜０．４ｖ程度である。

出力点Ｂから抵抗２１（抵抗値Ｒ１）と抵抗２２（抵抗値Ｒ２）の分圧回路で出力電圧Ｖｏが分圧されて、抵抗２１と抵抗２２との直列接続点から分圧電圧Ｖｆｂ（＝Ｖｏ×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２））が得られる。この分圧電圧Ｖｆｂが、第１検出電圧である帰還電圧になり、また、第２検出電圧になる。

スイッチ手段Ｑｏ及び抵抗２１、２２は、スイッチング電源用ＩＣ１０に形成されている。スイッチ手段Ｑｏ及び抵抗２１、２２を例えばディスクリート部品として、スイッチング電源用ＩＣ１０の外部に設けることも出来る。スイッチング電源用ＩＣ１０の外部にスイッチ手段Ｑｏ及び抵抗２１、２２を設けた場合には、スイッチング電源用ＩＣ１０の耐電圧を低いものにすることが出来る。

スイッチング電源用ＩＣ１０に形成されているその他の構成について、順次説明する。ソフトスタートの充電回路１１がコンデンサ１２と直列に接続されており、その接続点の電圧が第１基準電圧Ｖｒｅｆ１である。ソフトスタートの充電回路１１は、例えば定電流源回路により構成されており、スタート信号ＳＴが印加されると動作を開始する。ソフトスタートの充電回路１１の定電流回路から一定の電流がコンデンサ１２に流れて、コンデンサ１２の充電電圧、即ち第１基準電圧Ｖｒｅｆ１が緩やかに立ち上がっていく。第１基準電圧Ｖｒｅｆ１は、図示しない電圧制御回路による制御により、所定の電圧になった時点で一定値に保たれる。コンデンサ１２は、スイッチング電源用ＩＣ１０の外部に設けてもよい。

誤差増幅回路１３は、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１が正（＋）入力端子に入力され、第１検出電圧である帰還電圧Ｖｆｂが負（−）入力端子に入力され、その二入力の差を増幅して誤差信号として出力する。

発振回路１４は、パルス幅変調に用いる三角波信号を発生する。三角波信号に代えて、鋸歯状波信号でも良い。パルス幅変調（ＰＷＭ）回路１５は、誤差増幅回路１３からの誤差信号が＋入力端子に入力され、発振回路１４からの三角波信号が−入力端子に入力され、その二入力を比較して、ＰＷＭ信号を発生する。

ドライバー回路１６は、パルス幅変調回路１５からのＰＷＭ信号を受けて、これに同期したスイッチング信号を形成し、スイッチ手段Ｑｏのゲートに印加する。したがって、スイッチング信号は、ＰＷＭ信号である。このドライバー回路１６は、他の制御信号（故障検出信号Ｆｄｅｔ）によって、その動作を行わせるか、あるいはその動作を停止させるかが制御される。これらソフトスタートの充電回路１１、コンデンサ１２、誤差増幅回路１３、発振回路１４、パルス幅変調回路１５、ドライバー回路１６は、抵抗２１、抵抗２２とともに、制御回路を構成する。

故障検出用比較器１７は、第２検出電圧である帰還電圧Ｖｆｂと第２基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較し、帰還電圧Ｖｆｂが第２基準電圧Ｖｒｅｆ２より小さいときに故障検出信号Ｆｄｅｔを発生し、ドライバー回路１６に上述の他の制御信号として供給する。第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は、スイッチ手段Ｑｏがオフ状態のときの帰還電圧Ｖｆｂより少し低い電圧になるように設定することがよい。即ち、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は、（Ｖｃｃ−Ｖｆ）×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）より小さい電圧に設定される。また、故障検出用比較器１７には、ヒステリシス特性を持たせておくと、出力電圧変動やノイズの影響を抑えられて良い。故障検出用比較器１７は、抵抗２１、抵抗２２とともに、故障検出回路を構成する。なお、故障検出用比較器１７に供給される第２検出電圧は、帰還電圧Ｖｆｂに代えて、抵抗２２へ印加される印加電圧（即ち、出力電圧Ｖｏ）としても良い。

なお、故障検出信号Ｆｄｅｔは、ドライバー回路１６に限らず、スイッチ手段Ｑｏへのスイッチング信号が停止できれば良いから、制御回路中のいずれかの回路に供給するようにしてもよい。

また、故障検出信号Ｆｄｅｔは、スイッチング電源用ＩＣ１０の外部にも導出するように構成しても良い。この導出された故障検出信号Ｆｄｅｔは、外部に設けられた警報手段３０に供給される。そして、故障検出信号Ｆｄｅｔが発生されたことを警報する。警報手段３０としては、ＬＥＤなどの表示器やブザーなどで良い。

以上のように構成されるスイッチング電源装置の動作を、図１とともに図２を参照して説明する。なお、図２では、出力電圧Ｖｏや帰還電圧Ｖｆｂに含まれる電圧変動は省略している。

まず、スタート信号ＳＴがソフトスタートの充電回路１１に供給される以前、即ちスイッチング電源装置が休止状態にある場合には、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１は零であり、スイッチ手段Ｑｏにはスイッチング信号は供給されていない。したがって、スイッチ手段Ｑｏはオフ状態にある。

この場合に、電源入力電圧Ｖｃｃは印加されているので、コイルＬｏ、ダイオードＤｏを介してコンデンサＣｏが充電される。その充電電圧は、電源入力電圧ＶｃｃからダイオードＤｏの降下電圧Ｖｆを引いた電圧であり、ほぼ電源入力電圧Ｖｃｃに近い値である。この充電電圧が、出力電圧Ｖｏとなっている。また、帰還電圧Ｖｆｂは出力電圧Ｖｏを抵抗Ｒ２１，Ｒ２２で分圧した電圧であり、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１は零である。なお、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は常に一定の電圧である。

時点ｔ１で、スタート信号ＳＴがソフトスタートの充電回路１１に供給されると、コンデンサ１２が定電流で充電が開始され、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１は徐々に上昇していく。第１基準電圧Ｖｒｅｆ１が、時点ｔ２で帰還電圧Ｖｆｂを上回るようになると、誤差増幅回路１３から誤差信号が出力され、その誤差信号と三角波信号とがパルス幅変調回路１５で比較されてＰＷＭ信号を発生する。これにより、ドライバー回路１６を介してスイッチ手段Ｑｏにスイッチング信号が印加されて、出力電圧Ｖｏが上昇していく。

第１基準電圧Ｖｒｅｆ１の上昇に連れて、出力電圧Ｖｏ及び帰還電圧Ｖｆｂが上昇していく。第１基準電圧Ｖｒｅｆ１は、所定の基準値に達した時点ｔ３で、その上昇が終了し、以後その所定の基準値で一定に維持される。帰還電圧Ｖｆｂがこの第１基準電圧Ｖｒｅｆ１に一致するようにスイッチ手段Ｑｏがスイッチング制御されるから、出力電圧Ｖｏもそれらに対応した所定の電圧に維持される。

第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は、スイッチ手段Ｑｏがオフ状態のときの帰還電圧Ｖｆｂより低い電圧になるように設定されているから、休止状態から定常出力状態に掛けて帰還電圧Ｖｆｂを下回っている。したがって、故障検出用比較器１７は、故障検出信号Ｆｄｅｔを出力することはない。

定常出力状態において、時点ｔ４で例えば図１中の故障点Ｆ１で示すように、分圧抵抗Ｒ２への経路において、オープン故障（断線や接続不良等）が発生した場合を想定する。この場合には、その故障点Ｆ１でのオープン故障によって帰還電圧Ｖｆｂは零になる。

帰還電圧Ｖｆｂが零になると、制御回路では第１基準電圧Ｖｒｅｆ１に帰還電圧Ｖｆｂを近づけるようにスイッチ手段Ｑｏへのスイッチング信号（ＰＷＭ制御信号）のデューティ比を高めるように動作するから、出力電圧Ｖｏは図２の時点ｔ４に破線で示すように急激に上昇しようとする。

しかし、本発明では、時点ｔ４で帰還電圧Ｖｆｂが零になると、故障検出用比較器１７において第２基準電圧Ｖｒｅｆ２が帰還電圧Ｖｆｂを上回るから故障検出信号Ｆｄｅｔが発生されて、ドライバー回路１６に印加される。ドライバー回路１６では、故障検出信号Ｆｄｅｔが印加されると、パルス幅変調回路１５からのＰＷＭ信号をスイッチ手段Ｑｏにスイッチング信号として供給することを直ちに停止（遮断）する。

時点ｔ４で帰還電圧Ｖｆｂが零になってから、スイッチ手段Ｑｏへのスイッチング信号の供給停止までに要する時間遅れはほとんどなく、実質上直ちに停止される。また、故障検出信号Ｆｄｅｔが発生されたことは、外部の警報手段３０に通知されるから、表示や音による警報がなされる。

これにより、出力電圧Ｖｏは、図２の時点ｔ４に破線で示すように急激に上昇することはなく、逆に図２に実線で示すように逆に時点ｔ４から低下していくことになる。したがって、出力電圧の異常な上昇（即ち、過電圧の発生）を未然に抑制できる。よって、出力電圧Ｖｏが供給される負荷のみでなく、スイッチング電源用ＩＣ１０を耐電圧の低いものも使用することが出来る。また、警報手段３０による警報によって、故障発生を報知することが出来るから、故障原因の調査が容易になる。

また、スタート信号ＳＴが印加される時点で、既に故障点Ｆ１でオープン故障が発生している場合には、故障検出用比較器１７から故障検出信号Ｆｄｅｔが出力されているから、ドライバー回路３０はその動作が停止されている。したがって、スイッチ手段Ｑｏにスイッチング信号が供給されることはない。この場合も、警報手段３０による警報によって、故障発生を認識できる。

このオープン故障の個所は、図１中の故障点Ｆ１に限らず、ダイオードＤｏのカソードから抵抗Ｒ２の接続点Ｂ間（例えば故障点Ｆ３の故障）のどこでも、また、接続点ＡとダイオードＤｏのアノード間（例えば故障点Ｆ２の故障）のどこであっても、故障点Ｆ１でのオープン故障の場合と同様に動作して、過電圧の発生を未然に抑制できる。したがって、オープン故障としては、経路中の断線や、ダイオードＤｏ等構成素子の実装不良等幅広い故障に対応することが出来る。また、出力回路が短絡したような場合であっても、オープン故障の場合と同様に動作して、過電流を抑制することができる。また、以上の説明では、定常出力状態時やスタート前に故障が発生した場合について説明したが、スタート後の出力電圧の上昇中においても同様に動作する。

なお、昇圧回路としては、電源入力電圧をスイッチング信号に応じて昇圧し、昇圧された出力電圧を出力するとともに、スイッチング信号が供給されない時に電源入力電圧に略近い電圧を出力電圧として出力する昇圧回路であればよい。例えば、チャージポンプ型の昇圧回路にも適用できる。また、ソフトスタートの充電回路１１として、定電流回路のみを示したが、これに限定されない。

本発明の実施例に係るスイッチング電源装置の回路構成を示す図 図１の動作を説明するための特性図

符号の説明

Ｌｏ コイル
Ｑｏ スイッチ手段
Ｄｏ 整流用ダイオード
Ｃｏ 平滑用コンデンサ
Ｖｃｃ 電源入力電圧
Ｖｏ 出力電圧
１０ スイッチング電源用ＩＣ
１１ ソフトスタートの充電回路
１２ コンデンサ
１３ 誤差増幅回路
１４ 発振回路
１５ パルス幅変調回路
１６ ドライバー回路
１７ 故障検出用比較器
２１、２２ 分圧抵抗
３０ 警報手段
Ｖｒｅｆ１ 第１基準電圧
Ｖｒｅｆ２ 第２基準電圧
Ｖｆｂ 帰還電圧
Ｆｄｅｔ 故障検出信号
ＳＴ スタート信号
Ｆ１〜Ｆ３ 故障点

Claims (7)

1. 電源入力電圧をスイッチング信号に応じて昇圧し、昇圧された出力電圧を出力するとともに、前記スイッチング信号が供給されない時に前記電源入力電圧に略近い電圧を出力電圧として出力する昇圧回路と、
   前記出力電圧に応じて検出されるべき第１検出電圧と第１基準電圧とが入力され、前記第１検出電圧が前記第１基準電圧に等しくなるように、前記第１検出電圧と前記第１基準電圧との差電圧に応じて制御された前記スイッチング信号を出力する制御回路と、
   前記出力電圧に応じて検出されるべき第２検出電圧と第２基準電圧とを比較し、前記第２基準電圧が前記第２検出電圧を上回った時に前記スイッチング信号の供給を停止させるための故障検出信号を発生し、前記制御回路に入力する故障検出回路と、を有することを特徴とする、スイッチング型電源装置。
2. 前記昇圧回路は、コイルと、このコイルに直列接続され、前記スイッチング信号によってオンオフ制御されるスイッチ手段と、前記コイルと前記スイッチ手段との直列接続点の電圧を整流し平滑して前記出力電圧を出力する整流平滑回路を含むことを特徴とする、請求項１記載のスイッチング型電源装置。
3. 前記故障検出回路は、前記第２検出電圧と前記第２基準電圧とが入力され、前記故障検出信号を発生する比較器を含むことを特徴とする、請求項１、２記載のスイッチング型電源装置。
4. 前記制御回路は、前記差電圧に応じてデューティ比が制御されている前記スイッチング信号を出力することを特徴とする、請求項１〜３記載のスイッチング型電源装置。
5. 前記第１基準電圧は動作開始信号によってスタート電圧から所定電圧まで徐々に増加するものであることを特徴とする、請求項４記載のスイッチング型電源装置。
6. 前記第１検出電圧と前記第２検出電圧は同じ電圧であることを特徴とする、請求項１〜５記載のスイッチング型電源装置。
7. 前記故障検出信号が発生されたことを警報するための警報手段を有することを特徴とする、請求項１〜６記載のスイッチング型電源装置。

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