JP2005117768A - 電源切り換え装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の外部電源のうちの１つを選択して使用する場合に、選択した外部電源の出力の安定化が図れ、その出力の均一化を図ることができ、切替え時の外部電源間の逆流電流を防止することが可能な電源切り換え装置の提供。
【解決手段】 この発明は、電源切り換え回路１１〜１３と、制御回路１４とを備え、電源切り換え回路１１〜１３が、外部電源であるＡＣアダプタ３１、ＵＳＢ電源３２、およびバッテリ３３の各出力のうちの１つを選択的に取り出すようになっている。電源切り換え回路１１は、ＡＣアダプタ３１の出力電圧を選択して取り出す回路であり、入力端子１５と、共通の出力端子１６と、ＡＣアダプタ３１の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図るレギュレータ１７と、このレギュレータ１７の出力のオンオフ制御を行うＰ型のＭＯＳトランジスタＭ１１と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＡＣアダプタやバッテリ（２次電池）などの外部電源の使用を切り換えるための電源切り換え装置に関するものである。

この種の電源切り換え装置としては、図８に示すように、ＡＣアダプタ１とバッテリ２の使用を切り換えものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この電源切り換え装置は、ＡＣアダプタ（直流電源）１から給電線３を介して負荷４に電力を供給する場合には、ＭＯＳトランジスタＭ１がオフ、ＭＯＳトランジスタＭ２がオンとなる。このため、ＭＯＳトランジスタＭ１の寄生ダイオードＤ１が逆方向となり、給電線３からバッテリ２への無制限な充電は防止される。

一方、停電、ＡＣアダプタ１の故障などにより、ＡＣアダプタ１から給電線３を介して負荷４に電力を供給することができない場合には、ＭＯＳトランジスタＭ２がオン状態であるので、ＭＯＳトランジスタＭ２、寄生ダイオードＤ１、および給電線３を介してバッテリ２から負荷４に電力を供給し、瞬断を防止するようにしている。
その後、ＭＯＳトランジスタＭ１をオンにして、寄生ダイオードＤ１の発熱を抑えるようにしている。
特開平９−９５２３号公報

ところが、従来の電源切り換え装置では、ＡＣアダプタまたはバッテリの出力電圧が選択され、その選択された出力電圧がそのまま出力されてしまうので、その安定化が図れないという不具合がある。
また、ＡＣアダプタとバッテリからの各出力電圧の値は異なるのが一般的であるので、負荷に供給される電圧が異なってしまうという不具合がある。

さらに、最近では、外部電源としてＵＳＢ（Universal Serial Bus) の電源が使用されるようになっており、そのＵＳＢ電源の出力電圧を選択することについて考慮する必要がある。
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、複数の外部電源のうちの１つを選択して使用する場合に、その選択された外部電源の出力の安定化が図れる上に、その各出力の均一化を図ることが可能で、切替え時に外部電源間の逆流電流を防止する電源切り換え装置を提供することにある。

上記の課題を解決して本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のように構成した。
すなわち、第１の発明は、異なる種類の複数の外部電源に対応して設けられ、その複数の外部電源の出力のうちの１つを選択的に取り出す複数の電源切り換え回路を備えた電源切り換え装置であって、前記複数の各電源切り換え回路は、所定の外部電源の出力を入力して自己の出力の安定化を図るレギュレータと、このレギュレータの出力のオンオフ制御を行うスイッチ素子と、をそれぞれ備えている。

第２の発明は、第１の発明において、前記スイッチ素子は、寄生ダイオードを有するトランジスタからなる。
第３の発明は、第２の発明において、前記複数の各電源切り換え回路が、現在使用中の電源切り換え回路から新たな電源切り換え回路に使用を切り換える場合には、まず、使用中の電源切り換え回路のトランジスタをオフにさせたのちに、新たな電源切り換え回路のレギュレータの使用を開始させてその両電源切り換え回路の両レギュレータを使用状態にさせ、次に、使用中の電源切り換え回路のレギュレータの使用を停止したのちに、新たな電源切り換え回路のトランジスタをオンにさせるようにした。

第４の発明は、第１の発明において、前記複数の各電源切り換え回路は、入力端子および出力端子と、前記出力端子の出力電圧を検出する電圧検出部と、この電圧検出部の検出電圧と所定の基準電圧とを比較してその誤差を検出し、その検出誤差に応じた電圧を出力する誤差増幅器と、この誤差増幅器の出力またはオフ電圧に応じて動作するとともに寄生ダイオードを有する第１トランジスタと、この第１トランジスタに対して供給する前記誤差増幅器の出力または前記オフ電圧を選択する切り換えスイッチと、寄生ダイオードを有してスイッチ素子として機能する第２トランジスタと、をそれぞれ備え、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとを、前記入力端子と前記出力端子との間に直列に接続させるようにした。

第５の発明は、第４の発明において、前記複数の各電源切り換え回路が、現在使用中の電源切り換え回路から新たな電源切り換え回路に使用を切り換える場合には、まず、使用中の電源切り換え回路の前記第２トランジスタをオフにさせたのちに、新たな電源切り換え回路の前記第１トランジスタは前記誤差増幅器からの出力で動作させるようにし、次に、使用中の電源切り換え回路の前記第１トランジスタをオフにさせたのちに、新たな電源切り換え回路の前記第２トランジスタをオンにさせるようにした。

第６の発明は、第１〜第５のうちのいずれかの発明において、前記複数の外部電源は、ＡＣアダプタ、バッテリ、およびＵＳＢの電源であり、それぞれ出力電圧が異なるようにした。
このような構成からなる本発明によれば、複数の外部電源のうちの１つを選択して使用できるが、この場合に、その選択された外部電源の出力の安定化が図れる上に、その各出力の均一化（一定化）を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の電源切り換え装置の実施形態の構成について、図１を参照して説明する。
この実施形態に係る電源切り換え装置は、図１に示すように、電源切り換え回路１１〜１３と、制御回路１４とを備え、この電源切り換え回路１１〜１３が、外部電源であるＡＣアダプタ３１、ＵＳＢ電源３２、およびバッテリ３３の各出力のうちの１つを選択的に取り出すようになっている。

ここで、ＡＣアダプタ３１は、商用交流電源から直流電源を得るものである。また、ＵＳＢ電源３２は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus) ケーブルに含まれる電源ラインに供給される直流電源をいう。さらに、バッテリ３３は、充電可能な２次電池をいう。
電源切り換え回路１１は、ＡＣアダプタ３１の出力電圧を選択して取り出す回路であり、入力端子１５と、共通の出力端子１６と、ＡＣアダプタ３１の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図るレギュレータ（シリーズレギュレータ）１７と、切替え時にACアダプタ３１と外部電源間の逆流電流を防止するＰ型のＭＯＳトランジスタＭ１１と、を備えている。

レギュレータ１７は、図１に示すように、電圧検出部１７１と、基準電源１７２と、誤差増幅器１７３と、切り換えスイッチ１７４と、Ｐ型のＭＯＳトランジスタＭ１２と、を備えている。
電圧検出部１７１は、出力端子１６の電圧を検出するものであり、出力端子１６とアースとの間に抵抗Ｒ１，Ｒ２が直列接続され、その共通接続部の電圧を検出電圧として取り出すようにしている。

誤差増幅器１７３は、電圧検出部１７１の検出電圧を基準電源１７２の基準電圧と比較してその誤差を検出し、その検出誤差に応じた電圧を出力するようになっている。
切り換えスイッチ１７４は、ＭＯＳトランジスタＭ１２をオフにするゲートオフ電圧Ｖ１と、誤差増幅器１７３の出力電圧とを選択し、その選択した電圧をＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに供給するためのスイッチである。

ＭＯＳトランジスタＭ１２は、切り換えスイッチ１７４の接点が図示の位置にあってゲートにゲートオフ電圧Ｖ１が供給される場合にはオフとなり、切り換えスイッチ１７４の接点が図示の位置とは反対側に切り換わってゲートに誤差増幅器１７３の出力電圧が供給される場合には、その出力電圧に応じて導通抵抗が連続的（アナログ的）に変化するようになっている。また、ＭＯＳトランジスタＭ１２は、図示のように寄生ダイオードＤ１２を有している。

ＭＯＳトランジスタＭ１１は、図示のように逆流防止用の寄生ダイオードＤ１１を有している。そして、ＭＯＳトランジスタＭ１１とＭＯＳトランジスタＭ１２とは、入力端子１５と共通の出力端子１６との間に、直列に接続されている。
電源切り換え回路１２は、ＵＳＢ電源３２の出力電圧を選択して取り出す回路であり、入力端子１８と、共通の出力端子１６と、ＵＳＢ電源３２の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図るレギュレータ１９と、切替え時にUSB電源３２と外部電源間の逆流電流を防止するＰ型のＭＯＳトランジスタＭ２１と、を備えている。

レギュレータ１９は、図１に示すように、電圧検出部１９１と、基準電源１９２と、誤差増幅器１９３と、切り換えスイッチ１９４と、Ｐ型のＭＯＳトランジスタＭ２２と、を備えている。
電圧検出部１９１は、出力端子１６の電圧を検出するものであり、出力端子１６とアースとの間に抵抗Ｒ３，Ｒ４が直列接続され、その共通接続部の電圧を検出電圧として取り出すようにしている。

誤差増幅器１９３は、電圧検出部１９１の検出電圧を基準電源１９２の基準電圧と比較してその誤差を検出し、その検出誤差に応じた電圧を出力するようになっている。
切り換えスイッチ１９４は、ＭＯＳトランジスタＭ２２をオフにするゲートオフ電圧Ｖ１と、誤差増幅器１９３の出力電圧とを選択し、その選択した電圧をＭＯＳトランジスタＭ２２のゲートに供給するためのスイッチである。

ＭＯＳトランジスタＭ２２は、切り換えスイッチ１９４の接点が図示の位置にあってゲートにゲートオフ電圧Ｖ１が供給される場合にはオフとなり、切り換えスイッチ１９４の接点が図示の位置とは反対側に切り換わってゲートに誤差増幅器１９３の出力電圧が供給される場合には、その出力電圧に応じて導通抵抗が連続的に変化するようになっている。また、ＭＯＳトランジスタＭ２２は、図示のように寄生ダイオードＤ２２を有するようになっている。

ＭＯＳトランジスタＭ２１は、図示のように逆流防止用の寄生ダイオードＤ２１を有している。そして、ＭＯＳトランジスタＭ２１とＭＯＳトランジスタＭ２２とは、入力端子１８と共通の出力端子１６との間に、直列に接続されている。
電源切り換え回路１３は、バッテリ３３の出力電圧を選択して取り出す回路であり、入力端子２０と、共通の出力端子１６と、バッテリ３３の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図るレギュレータ２１と、切替え時にバッテリ３３と外部電源間の逆流電流を防止するＰ型のＭＯＳトランジスタＭ３１と、を備えている。

レギュレータ２１は、図１に示すように、電圧検出部２１１と、基準電源２１２と、誤差増幅器２１３と、切り換えスイッチ２１４と、Ｐ型のＭＯＳトランジスタＭ３２と、を備えている。
電圧検出部２１１は、出力端子１６の電圧を検出するものであり、出力端子１６とアースとの間に抵抗Ｒ５，Ｒ６が直列接続され、その共通接続部の電圧を検出電圧として取り出すようにしている。

誤差増幅器２１３は、電圧検出部２１１の検出電圧を基準電源２１２の基準電圧と比較してその誤差を検出し、その検出誤差に応じた電圧を出力するようになっている。
切り換えスイッチ２１４は、ＭＯＳトランジスタＭ３２をオフにするゲートオフ電圧Ｖ１と、誤差増幅器２１３の出力電圧とを選択し、その選択した電圧をＭＯＳトランジスタＭ３２のゲートに供給するためのスイッチである。

ＭＯＳトランジスタＭ３２は、切り換えスイッチ２１４の接点が図示の位置にあってゲートにゲートオフ電圧Ｖ１が供給される場合にはオフとなり、切り換えスイッチ２１４の接点が図示の位置とは反対側に切り換わってゲートに誤差増幅器２１３の出力電圧が供給される場合には、その出力電圧に応じて導通抵抗が連続的に変化するようになっている。また、ＭＯＳトランジスタＭ３２は、図示のように寄生ダイオードＤ３２を有するようになっている。

ＭＯＳトランジスタＭ３１は、図示のように逆流防止用の寄生ダイオードＤ３１を有している。そして、ＭＯＳトランジスタＭ３１とＭＯＳトランジスタＭ３２とは、入力端子２０と共通の出力端子１６との間に、直列に接続されている。
制御回路１４は、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ２１，Ｍ３１をオンオフ制御するオンオフ制御信号Ｓ１〜Ｓ３、および切り換えスイッチ１７４，１９４，２１４の切り換えを制御する切り換え制御信号Ｓ４〜Ｓ６をそれぞれ生成する回路である。この制御回路１４で生成されたオンオフ制御信号Ｓ１〜Ｓ３は、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ２１，Ｍ３１の各ゲートに供給されるとともに、切り換え制御信号Ｓ４〜Ｓ６は切り換えスイッチ１７４，１９４，２１４の切り換えに使用されるようになっている。

次に、このような構成からなる実施形態の外部電源の切り換え動作の一例について、図１〜図７を参照して説明する。ここで、図３〜図７は、図２の期間Ｔ１〜Ｔ５の各動作を説明する等価回路である。
この例では、ＡＣアダプタ３１の使用中に、ＡＣアダプタ３１からＵＳＢ電源３２に使用を切り換える場合の動作について説明する。なお、外部電源の切り換え動作は、その他の場合であってもこの例の場合と基本的に同様である。

図２に示すように時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間Ｔ１では、ＡＣアダプタ３１が使用中であるので、電源切り換え回路１１によりＡＣアダプタ３１の出力電圧が出力端子１６に取り出される。
すなわち、期間Ｔ１では、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、電源切り換え回路１１のレギュレータ１７が動作状態（オン状態）になり、かつＭＯＳトランジスタＭ１１がオンになる。また、このときには、他の電源切り換え回路１２、１３のレギュレータ１９、２１はいずれも使用されずにオフになり、かつＭＯＳトランジスタＭ２１，Ｍ３１はいずれもオフになる（図２（Ｃ）〜（Ｆ）参照）。

この期間Ｔ１の動作中の等価回路は、図３に示すようになる。すなわち、期間Ｔ１では、図１に示す切り換えスイッチ１７４の切り換え接点が図示とは反対の位置となってレギュレータ１７が動作するとともに、ＭＯＳトランジスタＭ１１がオンになってオン抵抗Ｒｏｎとして機能する。この結果、レギュレータ１７は、ＡＣアダプタ３１の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図ることができ、その安定化された電圧が出力端子１６から取り出される。

また、この期間Ｔ１には、図１に示す切り換えスイッチ１９４、２１４の切り換え接点が、図示の位置になってレギュレータ１９、２１がいずれも使用されない状態になり、かつＭＯＳトランジスタＭ２１，Ｍ３１がいずれもオフになる。このため、他の電源切り換え回路１２、１３のＭＯＳトランジスタＭ２１，Ｍ２２，Ｍ３１，Ｍ３２がオフとなり、これらが有する寄生ダイオードＤ２１，Ｄ２２，Ｄ３１，Ｄ３２が、図３に示すように機能することになる。

すなわち、寄生ダイオードＤ２１はＡＣアダプタ３１の電力がＵＳＢ電源３２側に供給されるのを防止し、寄生ダイオードＤ２２はＵＳＢ電源３２の電力が出力端子１６に供給されるのを防止する。同じように、寄生ダイオードＤ３１はＡＣアダプタ３１の電力がバッテリ３３側に供給されるのを防止し、寄生ダイオードＤ３２はバッテリ３３の電力が出力端子１６に供給されるのを防止する。

次に、時刻ｔ２になると、制御回路１４からのオンオフ制御信号Ｓ１によりＭＯＳトランジスタＭ１１がオンからオフになるが（図２（Ｂ）参照）、このときには、図４に示すように、ＭＯＳトランジスタＭ１１に代えて寄生ダイオードＤ１１がダイオードとして順方向動作をするようになる。このため、レギュレータ１７は、その動作を継続でき、ダイオードの順方向電圧分を補正して出力端子１６に得られる出力電圧の安定化を図ることができる。

その後、時刻ｔ３になると、制御回路１４からの切り換え制御信号Ｓ５により、切り換えスイッチ１９４の接点が図示の位置とは反対側に切り換わる。このとき、ＭＯＳトランジスタＭ２１はオフの状態にあるが（図２（Ｄ）参照）、図５に示すように、ＭＯＳトランジスタＭ２１に代えて寄生ダイオードＤ２１がダイオードとして順方向動作ができるので、レギュレータ１９は動作を開始する。このときには、レギュレータ１７はその動作を継続している（図２（Ａ）参照）。

すなわち、時刻ｔ３〜ｔ４の期間Ｔ３では、図５に示すように、電源切り換え回路１１のレギュレータ１７と電源切り換え回路１２のレギュレータ１９とが並列動作を行うので、レギュレータ１７、１９の両出力電圧のうち高い方の電圧が、出力電圧として出力端子１６から取り出される。
次に、時刻ｔ４になると、制御回路１４からの切り換え制御信号Ｓ４により、切り換えスイッチ１７４の接点が図示とは反対側の位置から図示の位置に切り換わるので、レギュレータ１７はその動作を停止する。このときの動作を示す等価回路は、図６に示すようになる。

このときには、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２はいずれもオフの状態になり、これらが有する寄生ダイオードＤ１１，Ｄ１２が、図６に示すように逆方向素子として機能することになる。
すなわち、寄生ダイオードＤ１１はＵＳＢ電源３２の電力がＡＣアダプタ３１側に供給されるのを防止し、寄生ダイオードＤ１２はＡＣアダプタ３１の電力が出力端子１６に供給されるのを防止するように機能する。

その後、時刻ｔ５になると、制御回路１４からのオンオフ制御信号Ｓ２によりＭＯＳトランジスタＭ２１がオフからオンになる（図２（Ｄ）参照）。このときの動作を示す等価回路は、図７に示すようになる。
図７に示すように、時刻ｔ５では、ＭＯＳトランジスタＭ２１はオン状態となってオン抵抗Ｒｏｎとして機能する。この結果、電源切り換え回路１２のレギュレータ１９は、ＵＳＢ電源３２の出力電圧を入力電圧とし自己の出力電圧の安定化を図ることができ、その安定化された電圧を出力端子１６から取り出すことができる。

従って、時刻ｔ５では、図７に示すように、外部電源の使用がＡＣアダプタ３１からＵＳＢ電源３２に完全に切り換わったことになる。
以上説明したように、この実施形態によれば、例えばＡＣアダプタをＵＳＢ電源に切り換えて使用するように、ＡＣアダプタ３１、ＵＳＢ電源３２、バッテリ３３などの複数の外部電源を切り換えて使用する場合に、その各外部電源の出力の安定化を図ることができる。

また、この実施形態において、電源切り換え回路１１〜１３のレギュレータ１７、１９、２１の各出力電圧が均一になるように構成（設計）すれば、複数の外部電源を切り換えて使用する場合に、その切り換えの前後において各外部電源の出力の均一化（一定化）を図ることができ、かつ外部電源間の逆流電流を防止できる。
なお、上記の実施形態では、電源切り換え回路１１に寄生ダイオードＤ１１を有するＭＯＳトランジスタＭ１１を使用するようにした。これは、レギュレータ１７の使用時にＭＯＳトランジスタＭ１１をオンにし、レギュレータ１７に入力されるＡＣアダプタ３１の出力の損失をできるだけ少なくするためである。しかし、電源切り換え回路１１の出力損失を無視できるような場合には、ＭＯＳトランジスタＭ１１をダイオードに置き換えるようにしても良い。

本発明の実施形態の構成を示す回路図である。 この実施形態の動作を説明するための説明図である。 この実施形態の動作中における図２の期間Ｔ１の等価回路である。 この実施形態の動作中における図２の期間Ｔ２の等価回路である。 この実施形態の動作中における図２の期間Ｔ３の等価回路である。 この実施形態の動作中における図２の期間Ｔ４の等価回路である。 この実施形態の動作中における図２の期間Ｔ５の等価回路である。 従来装置の一例を示す回路図である。

符号の説明

１１〜１３・・・電源切り換え回路、１４・・・制御回路、１５、１８、２０・・・入力端子、１６・・・共通の出力端子、１７、１９、２１・・・レギュレータ、Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ３１，Ｍ３２・・・ＭＯＳトランジスタ、Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２，Ｄ３１，Ｄ３２・・・寄生ダイオード、１７１、１９１、２１１・・・電圧検出部、１７３、１９３、２１３・・・誤差増幅器、１７４、１９４、２１４・・・切り換えスイッチ。

Claims (6)

1. 異なる種類の複数の外部電源に対応して設けられ、その複数の外部電源の出力のうちの１つを選択的に取り出す複数の電源切り換え回路を備えた電源切り換え装置であって、
   前記複数の各電源切り換え回路は、
   所定の外部電源の出力を入力して自己の出力の安定化を図るレギュレータと、
   このレギュレータの出力のオンオフ制御を行うスイッチ素子と、
   をそれぞれ備えていることを特徴とする電源切り換え装置。
2. 前記スイッチ素子は、寄生ダイオードを有するトランジスタからなることを特徴とする請求項１に記載の電源切り換え装置。
3. 前記複数の各電源切り換え回路が、現在使用中の電源切り換え回路から新たな電源切り換え回路に使用を切り換える場合には、
   まず、使用中の電源切り換え回路のトランジスタをオフにさせたのちに、新たな電源切り換え回路のレギュレータの使用を開始させてその両電源切り換え回路の両レギュレータを使用状態にさせ、
   次に、使用中の電源切り換え回路のレギュレータの使用を停止したのちに、新たな電源切り換え回路のトランジスタをオンにさせるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電源切り換え装置。
4. 前記複数の各電源切り換え回路は、
   入力端子および出力端子と、
   前記出力端子の出力電圧を検出する電圧検出部と、
   この電圧検出部の検出電圧と所定の基準電圧とを比較してその誤差を検出し、その検出誤差に応じた電圧を出力する誤差増幅器と、
   この誤差増幅器の出力またはオフ電圧に応じて動作するとともに寄生ダイオードを有する第１トランジスタと、
   この第１トランジスタに対して供給する前記誤差増幅器の出力または前記オフ電圧を選択する切り換えスイッチと、
   寄生ダイオードを有してスイッチ素子として機能する第２トランジスタと、をそれぞれ備え、
   前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとを、前記入力端子と前記出力端子との間に直列に接続させたことを特徴とする請求項１に記載の電源切り換え装置。
5. 前記複数の各電源切り換え回路が、現在使用中の電源切り換え回路から新たな電源切り換え回路に使用を切り換える場合には、
   まず、使用中の電源切り換え回路の前記第２トランジスタをオフにさせたのちに、新たな電源切り換え回路の前記第１トランジスタは前記誤差増幅器からの出力で動作させるようにし、
   次に、使用中の電源切り換え回路の前記第１トランジスタをオフにさせたのちに、新たな電源切り換え回路の前記第２トランジスタをオンにさせるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電源切り換え装置。
6. 前記複数の外部電源は、ＡＣアダプタ、バッテリ、およびＵＳＢの電源であり、それぞれ出力電圧が異なることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれかに記載の電源切り換え装置。

Images