JP5388239B2

JP5388239B2 - 電気機器

Info

Publication number: JP5388239B2
Application number: JP2011278475A
Authority: JP
Inventors: 昌嗣高橋
Original assignee: NEC Infrontia Corp
Current assignee: NEC Platforms Ltd
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: JP2013132102A

Description

本発明は、過電流保護手段を有する電気機器に関する。

携帯情報端末などの電気機器では、通常、電源回路の短絡などが原因で生じる過電流を抑制する過電流保護手段が設けられている。過電流保護手段としては、温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタを用いて過電流による温度変化を検知し、その温度変化に基づいて、過電流を抑制するものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００３−３１９０２５号公報

電気機器の外部から混入した金属片や電気機器の内部で脱落したネジ部品などの金属物が配線に接触した場合、その金属物と配線の結合が不安定だったり、金属物が比較的大きな抵抗値（例えば、数Ω〜十数Ω程度）を有していたりすると、電源回路が完全な短絡とはならずに、比較的小さな過電流が生じることがある。この場合、サーミスタと短絡箇所との間の距離や伝導率によっては、サーミスタが過電流による温度変化を検知できなかったり、過電流による温度変化を検知するまでに時間がかかったりする。このため、過電流を正確または迅速に抑制することができない。

本発明の目的は、過電流を正確かつ迅速に抑制することが可能な電気機器を提供することである。

本発明による電気機器は、内蔵基板と、前記内蔵基板に配置され、温度を検知するサーミスタを用いて前記内蔵基板への電力供給を制御する保護回路と、を備えた電気機器において、前記内蔵基板に配置され、前記内蔵基板で発生した熱を前記サーミスタに伝導させるための熱伝導層をさらに備える。

本発明によれば、過電流を正確または迅速に抑制することが可能になる。

本発明の第一の実施形態の電気機器に備わった電気回路基板の構成を示す図である。本発明の第一の実施形態の電気機器に備わった過熱検知保護回路の構成を示す図である。本発明の第二の実施形態の電気機器に備わった過電流検知保護回路の構成を示す図である。本発明の第三の実施形態の電気機器に備わった過電流・過熱検知保護回路の構成を示す図である。本発明の第四の実施形態の電気機器に備わった熱伝導層の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

図１は、本発明の第一の実施形態の電気機器に備わった内蔵基板である電気回路基板１００の構成を示す図である。図１に示すように、電気回路基板１００では、多層構造を有し、第一層１０１〜第六層１０６が積層されている。

第一層１０１は、回路素子などの電気部品が実装される実装部２０１と、実装部２０１以外の領域である良熱伝導部２０２とを有する熱伝導層である。良熱伝導部２０２は、良熱伝導体（例えば、銅板）で形成される。

第二層１０２〜第五層１０５は、信号線が配線されている。

第六層１０６は、第一層１０１と同様に、実装部２０１と良熱伝導部２０２とを有する熱伝導層である。

なお、良熱伝導部２０２を有する熱伝導層は、図１では、電気回路基板１００の上面および下面の両方に形成されているが、実際には、電気回路基板１００の上面および下面の少なくとも一方に形成されていればよい。

図２は、電気機器の電気回路基板１００に設置されている、過電流から電気機器を保護する保護回路の一例である過熱検知保護回路の構成を示す図である。

図２に示す過熱検知保護回路は、温度を検知するサーミスタを用いて電気回路基板１００に設置されている負荷回路１１への電力供給を制御する保護回路の一例である。なお、負荷回路１１は、電源端子Ｖｃｃおよび接地端子ＧＮＤの間に設けられている。また、電源端子Ｖｃｃは、例えば、電気機器に搭載された電池（図示せず）に接続されている。

図２に示すように、過熱検知保護回路は、ＦＥＴ（Field effect transistor：電界効果トランジスタ）１２と、トランジスタ１３と、温度検知回路１４と、ゲート制御回路１５とを有する。

ＦＥＴ１２は、負荷回路１１および接地端子ＧＮＤの間に設けられる。より具体的には、ＦＥＴ１２は、Ｎチャネル型であり、そのドレインが負荷回路１１と接続され、そのソースが接地端子ＧＮＤと接続される。

ＦＥＴ１２のゲートは、ＮＰＮ型のトランジスタ１３を介して接地端子ＧＮＤと接続される。トランジスタ１３のベースは、温度検知回路１４と接続される。

温度検知回路１４は、温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタの温度に応じた制御電圧をトランジスタ１３のベースに出力する。

より具体的には、温度検知回路１４では、電源端子Ｖｃｃ、抵抗１４Ａ、ダイオード１４Ｂ、サーミスタ１４Ｃ、接地端子ＧＮＤが順番に直列に接続され、抵抗１４Ａおよびダイオード１４Ｂの間にトランジスタ１３のベースが接続されている。なお、ダイオード１４Ｂは、順方向に接続されている。

サーミスタ１４Ｃは、温度が高いほど抵抗値が大きくなるＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタである。また、サーミスタ１４Ｃは、ＦＥＴ１２の近傍に配置されることが望ましい。

ゲート制御回路１５は、ＦＥＴ１２のゲートと接続され、そのゲートに印加するゲート電圧を制御することで、ＦＥＴ１２のオン／オフを切り替える。

次に過熱検知保護回路の動作を説明する。

先ず、ユーザが電気機器に備わったスイッチ（図示せず）をオンしたことなどにより、電気機器が起動されると、ゲート制御回路１５は、ＦＥＴ１２のゲートにゲート電圧を印加して、ＦＥＴ１２をオンにする。これにより、電源端子Ｖｃｃから負荷回路１１に電力が供給される。

その後、サーミスタ１４Ｃの抵抗値が温度に応じて変化し、その抵抗値の変化に追従して、温度検出回路１４からトランジスタ１３のベースに出力される制御電圧が変化する。これにより、ＦＥＴ１２のゲート電圧も変化して、負荷回路１１に流れる負荷電流も変化する。したがって、ＦＥＴ１２はサーミスタ１４Ｃと熱結合状態となる。

このような状態において、電源端子Ｖｃｃと接地端子ＧＮＤとが金属物などによって短絡し、過電流が発生すると、その過電流によって生じた熱は、熱伝導層である第一層１０１および第六層１０６の良熱伝導部２０２を経由してサーミスタ１４Ｃに速やかに伝導され、サーミスタ１４Ｃの温度が迅速かつ大幅に上昇する。この場合、サーミスタ１４Ｃの抵抗値が大幅に上昇し、トランジスタ１３のベースに出力される制御電圧が高くなり、トランジスタ１３の抵抗値が低くなる。このため、ＦＥＴ１２に印加される電圧が低くなり、ＦＥＴ１２がオフになり、負荷回路１１に流れる電流が停止または低減されるため、過電流が抑制される。

以上の動作の説明から分かるように、ＦＥＴ１２およびトランジスタ１３は、温度検出回路１４から出力された制御電圧を用いて、電気回路基板１００（より具体的には、負荷回路１１）への電力供給を制御する制御部として機能することになる。

以上説明したように本実施形態によれば、サーミスタ１４に熱を速やかに伝導させる熱伝導層が設けられているので、過電流を正確かつ迅速に抑制することが可能になる。

次に第二の実施形態を説明する。

本実施形態では、保護回路の別の例である過電流検知保護回路について説明する。図３は、本実施形態の過電流検知保護回路の構成を示す図である。

図３において、過電流検知保護回路は、図２に示した過熱検知保護回路に加えて、過電流検知回路２１をさらに有する。

過電流検知回路２１は、電気回路基板１００に設置された負荷回路１１に流れる負荷電流を検知し、その負荷電流に応じた制御信号をゲート制御回路１５に出力する。

より具体的には、過電流検知回路２１は、負荷電流が予め定められた閾値以上か否かを検知する。負荷電流が閾値以上の場合、過電流検知回路２１は、負荷電流の停止を示す制御信号をゲート制御回路１５に出力する。

ゲート制御回路１５は、負荷電流の停止を示す制御信号を受け付けると、ＦＥＴ１２に対するゲート電圧の印加を停止して、負荷電流を停止させる。

以上のように本実施形態では、ＦＥＴ１２およびトランジスタ１３に加えて、ゲート制御回路１５および過電流検知回路２１が制御部として機能し、制御部は、温度検出回路１４から出力された制御電圧に加えて、負荷回路１１に流れる負荷電流をさらに用いて、電気回路基板１００への電力供給を制御することになる。

本実施形態でも、第一の実施形態と同様に、サーミスタ１４に熱を速やかに伝導させる熱伝導層が設けられているので、過電流を正確かつ迅速に抑制することが可能になる。

また、過電流検知回路２１でも過電流を検出することができるので、より正確に電流を抑制することが可能になる。

次に第三の実施形態を説明する。

本実施形態では、保護回路の別の例である過電流・過熱検知保護回路について説明する。図４は、本実施形態の過電流検知保護回路の構成を示す図である。

図４において、過電流・過熱検知保護回路は、図２に示した過熱検知保護回路に加えて、温度検知回路３１〜３３と、過電流・過熱検知制御回路３４とを有する。

温度検知回路３１〜３３のそれぞれは、サーミスタを備え、そのサーミスタを用いて、温度を検出する。

より具体的には、温度検知回路３１〜３３のそれぞれは、電源端子Ｖｃｃ、抵抗４１、ダイオード４２、サーミスタ４３、接地端子ＧＮＤが順番に直列に接続され、抵抗４１およびダイオード４２の間から電圧を過電流・過熱検知制御回路３４に出力される。なお、ダイオード４２は、順方向に接続されている。サーミスタ４３は、ＰＴＣサーミスタでもよいし、温度が高いほど抵抗値が小さいＮＴＣ（negative temperature coefficient）サーミスタでもよい。

なお、図４では、温度検知回路を新たに３つ加えたが、実際には、一つ以上加えればよい。また、各温度検知回路３１〜３３のサーミスタ４３は、それぞれ別の箇所に設置されることが望ましい。

以上のような構成の場合、温度検知回路３１〜３３のそれぞれは、サーミスタ４３の温度に応じた制御電圧を過電流・過熱検知制御回路３４に出力することになる。

過電流・過熱検知制御回路３４は、負荷回路１１に流れる負荷電流を検出する。また、過電流・過熱検知制御回路３４は、その負荷電流と、温度検知回路３１〜３３から受け付けた制御電圧とに応じた制御信号をゲート制御回路１５に出力することで、負荷回路１１への電力供給を制御する。

したがって、本実施形態では、ＦＥＴ１２およびトランジスタ１３に加えて、ゲート制御回路１５および過電流・過熱検知制御回路３４が制御部として機能し、制御部は、制御電圧と負荷電流とに基づいて、電気回路基板１００への電力供給を制御することになる。

以下、過電流・過熱検知制御回路３４が行う具体的な処理について説明する。

過電流・過熱検知制御回路３４は、先ず、各制御電圧と負荷電流とを一定時間にわたって集計して、各制御電圧と負荷電流のそれぞれに対する統計的な数値である統計値を算出する。統計値は、例えば、各制御電圧と負荷電流との一定時間における最大値、最小値、平均値および標準偏差と、各集計値の単位時間当たりの変化量の最大値、最小値、平均値および標準偏差との少なくともいずれか一つである。

続いて、過電流・過熱検知制御回路３４は、各統計値に基づいて、電源端子Ｖｃｃおよび接地端子ＧＮＤが短絡したか否かを判断するための閾値を算出して自回路に設定する。閾値には、負荷電流に対する閾値である過電流閾値、制御電圧に対する閾値である過熱閾値、負荷電流の変化量に対する閾値である電流変化量閾値、および、制御電圧の変化量に対する閾値である熱変化量閾値がある。

なお、過電流・過熱検知制御回路３４は、閾値を、統計値の予め定められた定数倍や、複数の種類の統計値を組み合わせることで算出する。また、各閾値は、一定時間ごとに更新されてもよい。また、過熱閾値や熱変化量閾値は、温度検知回路３１〜３３のそれぞれに対して算出されることが望ましい。また、過熱閾値および熱変化量閾値は、第一閾値の一例であり、過電流閾値および電流変化量閾値は、第二の閾値の一例である。

閾値を設定すると、過電流・過熱検知制御回路３４は、それらの閾値と、制御電圧および負荷電流とに基づいて、負荷回路１１への電力供給を制御する。

例えば、負荷電流が過電流閾値以上、制御電圧が過熱閾値以上、負荷電流の変化量が電流変化量閾値以上、または、制御電圧の変化量が熱変化量閾値以上になった場合、過電流・過熱検知制御回路３４は、負荷電流の停止を示す制御信号をゲート制御回路１５に出力して、ゲート制御回路１５にＦＥＴ１２をオフにさせる。

また、負荷電流が過電流閾値以上、かつ、負荷電流の変化量が電流変化量閾値以上の場合、または、制御電圧が過熱閾値以上、かつ、制御電圧の変化量が熱変化量閾値以上になった場合に、過電流・過熱検知制御回路３４は負荷電流の停止を示す制御信号をゲート制御回路１５に出力してもよい。

また、本実施形態によれば、負荷電流や、温度に依存した制御電圧の統計値に基づいて閾値が算出されるので、電気機器の使用環境などに応じて閾値を設定することが可能になり、過電流をより正確に検出することが可能になる。

次に第四の実施形態を説明する。

図５は、本実施形態の電気機器の熱伝導層に含まれる良熱伝導体の配置例を示す図である。

第一〜第三の実施形態では、熱伝導層である第一層１０１および第六層１０６では、電気部品が実装されている実装部２０１以外が良熱伝導体で形成されていたが、図５では、良熱伝導体３０２が、熱伝導層３００のほぼ全面にわたり、サーミスタ３０１を中心に放射状に配置されている。なお、図５では、サーミスタ３０１の数を２つとし、サーミスタ３０１以外の電気部品については記載を省略している。なお、サーミスタ３０１は、図３に示したサーミスタ１４Ｃおよび４３に対応する。

本実施形態では、サーミスタ３０１に熱を速やかに伝導させつつ、熱伝導層の熱容量の増加を軽減することが可能になる。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

１１負荷回路
１２ＦＥＴ
１３トランジスタ
１４、３１〜３３温度検知回路
１４Ａ、４１抵抗
１４Ｂ、４２ダイオード
１４Ｃ、４３サーミスタ
１５ゲート制御回路
２１過電流検知回路
３４過電流・過熱検知制御回路
１０１〜１０６第一層〜第六層
２０１実装部
２０２良熱伝導部

Claims

内蔵基板と、前記内蔵基板に設置されたサーミスタを用いて前記内蔵基板への電力供給を制御する保護回路と、を備えた電気機器において、
前記内蔵基板は、当該内蔵基板で発生した熱を前記サーミスタに伝導させるための熱伝導層を備え、
前記熱伝導層では、良熱伝導体が前記サーミスタを中心とした放射状に形成されていることを特徴とする電気機器。
前記熱伝導層は、前記内蔵基板の上面および下面の少なくとも一方に形成されている、請求項１に記載の電気機器。
前記良熱伝導体は、銅である、請求項１または２記載の電気機器。
前記保護回路は、
前記サーミスタを備え、当該サーミスタの温度に応じた制御電圧を出力する温度検知部と、
前記制御電圧を用いて、前記電力供給を制御する制御部と、を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気機器。
前記制御部は、前記制御電圧の統計的な数値に応じた第一の閾値を算出し、前記第一の閾値と前記制御電圧とに基づいて、前記電力供給を制御する、請求項４に記載の電気機器。
前記制御部は、前記内蔵基板に流れる負荷電流を検知し、前記負荷電流をさらに用いて、前記電力供給を制御する、請求項４または５に記載の電気機器。
前記制御部は、前記負荷電流の統計的な数値に応じた第二の閾値を算出し、前記第二の閾値と前記負荷電流とに基づいて、前記電力供給を制御する、請求項６に記載の電気機器。