JP2005129036A - 直流バックアップ電源装置及びディスクアレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間のバックアップでよい一般負荷１４１と、より長い時間のバックアップが必要な特定負荷１４２とが混在する場合に、簡単な構成で、特定負荷１４２に、より高い信頼性を持つ無停電電力を供給すること。
【解決手段】 通常、負荷１４（１４１，１４２）全体へ直流電力供給を行うＡＣ／ＤＣコンバータ１２に対し、停電時に、比較的短時間だけバッテリ１５１から負荷１４全体をバックアップする直流出力１６１を供給し、より長い時間、キャッシュメモリ等の特定負荷１４２をバックアップする直流出力１６２を接続する制御回路１５２を備える。
【効果】 使い分け機能を持ち、小型、低コストで高信頼の無停電電源装置を実現する。【選択図】 図１

Description

本発明は、無停電機能を持った直流バックアップ電源装置及びこれを備えたディスクアレイ装置に関する。

ディスクアレイ装置のような通信・情報機器においては、商用交流電源から受電して、ＡＣ／ＤＣコンバータで直流に変換し、さらにＤＣ／ＤＣコンバータで装置内各回路に要求される電圧に調整した上で、各回路（負荷）に電源を供給する。このような分野における無停電電源（ＵＰＳ）として、例えば、特許文献１に開示された技術がある。ここでは、コンバータと機器内負荷の間の直流路にバックアップ電源を接続し、コンバータの正常時には交流電源の電力を直流に変換して、バッテリを充電しながら負荷に直流電力を供給する。停電時には、バックアップ電源から、複数負荷を選択的に切替え接続する切替え手段を介して、複数負荷に直流電力を供給している。そして、バックアップ電源の残存容量低下時には、消費電力の多い負荷から順に電力供給を停止し、主要な特定負荷の長時間動作を実現している。

また、特許文献２には、侵入者監視装置のバックアップ電源において、停電時に商用電源とバックアップ電源の切替えスイッチを有し、威嚇用スピーカの動作時間を制限し、以後、バックアップ電源による監視機能を長時間継続させることが開示されている。

特開２０００−１５６９４２号公報（全体） 特開２００１−２３０５４号公報（段落２６−３０、図４−６ほか）

特許文献１のバックアップ電源装置では、複数の負荷の数だけ切替えスイッチを必要とし、これらの切替えスイッチを制御する制御部も複雑となるため、コストの上昇と信頼性の低下を招いてしまう。

また、特許文献２のバックアップ電源装置においても、全ての負荷が、停電時に切替えスイッチを介してバックアップ電源からの電力供給を受ける。したがって、この切替えスイッチとその制御装置が必要であり、その分、重要な負荷に対する無停電電源としての信頼性が損われる。

本発明の目的は、重要な負荷に対して信頼性の高いバックアップを実現する直流バックアップ電源装置を提供することである。

本発明の他の目的は、キャッシュメモリに対して信頼性の高い直流バックアップ電源を備えたディスクアレイ装置を提供することである。

本発明はその一面において、商用電源の停電時に、バッテリ等の直流電力蓄積手段から重要な特定負荷を含む複数の負荷へ第１の直流バックアップ出力を供給するとともに、商用電源の停電／健全に関係なく、直流電力蓄積手段から重要な特定負荷へ第２の直流バックアップ出力の供給回路を備える。

本発明の望ましい実施態様においては、停電後所定時間の経過及び／又は所定信号により、前記第１の直流バックアップ出力を遮断する。これに伴い、前記特定負荷に対して、自動的に第２の直流バックアップ出力が供給される。

本発明は他の一面において、交流電力を直流電力に変換し複数負荷への電力供給を行うＡＣ／ＤＣコンバータと、商用電源の停電時に、バッテリ等の直流電力蓄積手段から重要な特定負荷を含む複数の負荷へ第１の直流バックアップ出力を供給し、その後、予定時間の経過又は予定信号に応答し、第１の直流バックアップ出力を停止するとともに、商用電源の停電／健全に関係なく、直流電力蓄積手段から重要な特定負荷への第２の直流バックアップ出力を供給する回路を備える。

本発明はさらに他の一面において、商用電源の停電時に、予定時間又は予定の信号を受信するまで、直流電力蓄積手段からディスクアレイ装置内のキャッシュメモリを含む複数の負荷へ第１の直流バックアップ出力を供給し、商用電源の停電／健全に関係なく、直流電力蓄積手段から前記キャッシュメモリへ第２の直流バックアップ出力を供給する回路を備える。

本発明によれば、特定の負荷に対する無停電機能の信頼性をより高めた直流バックアップ電源装置を提供することができる。

また、本発明によれば、高い信頼性を持つディスクアレイ装置を実現できる。

図１は、本発明の第１の実施例による直流バックアップ電源装置の概略構成図である。本電源装置においては、通常、商用交流電源１１から１００Ｖあるいは２００Ｖのような交流を入力し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２によって直流電力に変換し、電力ライン１３を通して負荷１４へ給電している。負荷１４は、一般負荷１４１、特定負荷１４２等の複数負荷を含み、このうち特定負荷１４２をバックアップが重要な負荷として説明を進める。商用電源１１の停電時のバックアップのために、直流バックアップ電源１５を設けている。

この直流バックアップ電源１５は、バッテリ等の直流電力蓄積手段１５１と、制御回路１５２より構成される。制御回路１５２は、停電時、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電力ライン１３の電圧Ｖ_１３の低下を検出し、この電力ライン１３を通して複数負荷１４１，１４２…へ直流電力蓄積手段１５１から第１の直流バックアップ出力１６１を供給する。また、複数負荷のうちの１つである特定負荷１４２に対しては、商用交流電源１１の停電／健全に関係なく、直流電力蓄積手段１５１から第２の直流バックアップ出力１６２を供給する回路を備えている。さらに、制御回路１５２は、商用交流電源１１の健全時に、直流電力蓄積手段（バッテリ）１５１の残存容量を判断し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２から第１の直流バックアップ出力１６１の電力ラインを介して、バッテリ１５１への充電制御を行う。

なお、本電源装置構成のまま、新たにＡＣ／ＤＣコンバータ１２からの出力電力ラインを一本追加し、第２の直流バックアップ出力１６２へ接続した構成も考えられる。この場合、第２の直流バックアップ出力１６２を介しても直流電力蓄積手段１５１への充電を行うことが可能となる。

直流電力蓄積手段１５１としては、各種の二次電池、例えばニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池やリチウム（Ｌｉ）電池などが望ましく、また、コンデンサ、例えば電気二重層コンデンサなどを適用することも可能である。

この実施例では、負荷１４から直流バックアップ電源１５へのインターフェースライン１７を設けているが、このラインの利用法については後述する。

図２は、本発明の第１の実施例における動作を説明するタイムチャートである。商用電源１１の健全時に、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２から負荷１４全体に対して電力が供給される。すなわち、停電が生じる時刻ｔ１までは、商用電源１１からＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖ_１３による電力供給期間である。この期間において、直流バックアップ電源１５は、停電に備え待機モードにあるか、バッテリ１５１の残量によっては充電モードにあり、その残存容量を所定値に制御している。

一方、商用電源１１の健全／停電に関係なく、制御回路１５２は、バッテリ１５１から、第２の直流バックアップ出力１６２へ直流電圧Ｖ_１６２を出力しており、特定負荷１４２に接続している。しかし、後述するような電力ライン１３の出力を優先させる回路によって、特定負荷１４２も含めて、今は、商用電源１１からＡＣ／ＤＣコンバータ１２を介し、電力ライン１３を通して電力の供給を行っている。

時刻ｔ１で停電が発生すると、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖ_１３は低下していく。制御回路１５２は、負荷が誤動作を起こさない電圧の下限値以上に設計された所定電圧Ｖｄとなった時点ｔ２で、停電と判断し、第１の直流バックアップ出力１６１への電力供給を開始する。これによって、すぐに、電力ライン１３の電圧Ｖ_１３を商用電力供給期間と同レベルまで引上げる。この結果、停電検出時刻ｔ２からは、負荷１４全体への電力供給は、バッテリ１５１から、制御回路１５２、第１の直流バックアップ出力１６１及び電力ライン１３を通して継続できることになる。この時刻ｔ２以降においても、後述する電力ライン１３の出力優先回路によって、特定負荷１４２を含む負荷１４全体に対して、バッテリ１５１、制御回路１５２から、第１の直流バックアップ出力１６１及び電力ライン１３を通して給電する。

さて、時刻ｔ２から所定時間経過し、時刻ｔ３になると、バックアップ電源１５は、制御回路１５２によって第１の直流バックアップ出力１６１への電力供給を停止する。バックアップ電源１５は、時刻ｔ２から放電モードにあるが、時刻ｔ３を境に、一般負荷１４１のバックアップを停止し、特に、電力の継続が重要な特定負荷１４２のみのバックアップへと切替わる。時刻ｔ３からは、特定負荷１４２のバックアップだけとなるので、電力消費を小さく抑えることが可能となり、長時間に亘って特定負荷１４２のバックアップが可能となる。

この結果、図２に示すようなバックアップ動作となる。まず、商用電源１１が健全であった時刻ｔ１及び停電を検出した時刻ｔ２までは、負荷１４全体への電力供給は、当然ながら、すべてＡＣ／ＤＣコンバータ１２から供給される。次に、停電発生後、時刻ｔ３までは、バッテリ１５１から第１の直流バックアップ出力１６１経由で、通常の電力ライン１３を通して、特定負荷１４２も含めた負荷１４全体への電力供給が行われる。そして、所定時間が経過し、時刻ｔ３になると、第１の直流バックアップ出力１６１の供給が絶たれ、電力ライン１３からの電力供給は停止する。このとき、バッテリ１５１から第２の直流バックアップ出力１６２ラインを通しての特定負荷１４２に対する給電回路は、前述したように、商用電源１１の健全／停電の如何を問わず構成されている。これにより、一般負荷１４１への電力供給は絶たれるが、特定負荷１４２に対しては、バッテリ１５１から第２の直流バックアップ出力１６２のラインに自動的に切替わり、電力供給が継続される。

したがって、このバックアップ回路内に停電発生に応じてオンオフするスイッチング手段及びその制御手段も必要がない。このため、第２の直流バックアップ出力１６２ラインの信頼性は高まる。

時刻ｔ２以降、時刻ｔ３よりも以前に、第２の直流バックアップ出力１６２ラインを通し特定負荷１４２へ電力供給を開始することも、必要に応じて可能である。

この実施例によれば、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力直流電圧を無停電化する直流バックアップ電源装置とすることができ、停電以外にＡＣ／ＤＣコンバータ１２の故障時にも負荷１４への電力供給が可能となる。このとき、特定負荷１４２への電力供給の接続切替えを行わないシンプルなバックアップ電源装置であるため、高い信頼性が得られる。

ところで、図１においては、前記したように、負荷１４から、直流バックアップ電源１５へのインタフェースライン１７を設けている。このインタフェースライン１７を通して、停電やＡＣ／ＤＣコンバータ１２の故障時など、直流バックアップ電源１５から負荷１４への電力供給時に、第１の直流バックアップ出力１６１の停止を指示できる。また、負荷１４の計画的な停止時に、直流バックアップ電源１５への停止要求を出力することもできる。このような負荷１４とのインタフェースによって、バックアップ電源１５と負荷１４を協調動作することにより、付加価値の高い電源装置を実現することが可能となる。

次に、図２を用いて、インタフェースライン１７を利用した実施例の動作を説明する。時刻ｔ１において停電が発生し、時刻ｔ２でその停電を制御回路１５２が検出して、負荷１４全体への電力供給を開始するところまでは前記実施例で述べた動作と同じである。そして、時刻ｔ３で、負荷１４からのインタフェースライン１７の信号がロウレベルからハイレベルへ変化すると、バックアップ電源１５は、第１の直流バックアップ出力１６１への電力供給を停止する。これによって、時刻ｔ２から放電モードにあったバックアップ電源１５は、時刻ｔ３を境に、負荷１４からの指令によって負荷１４全体のバックアップから特定負荷１４２のバックアップへと切替わる。

インタフェースライン１７の信号変化は、例えば、負荷１４が停電と判断し、内部で停止処理を行い、安全に停止できる状態になり、電力供給を停止しても良い状態になったとき発生させることができる。又は、停電が長引く場合、停電後も特定負荷１４２には、できるだけ長時間電力を供給し続けたい場合においても発生させることができる。なお、負荷１４が停電と判断するための手段としては、バックアップ電源１５から負荷１４へ停電発生の通知をしてもよいし、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２に停電検出回路を内蔵し負荷１４に対して停電の通知をしても良い。

図３は、本発明の第１の実施例における特定負荷１４２内の具体構成例図である。特定負荷１４２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖ_１３をさらに低い電圧に降圧し、キャッシュメモリ３１などに直流電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータ３２、並びにダイオード３３〜３５から構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、例えば、３０Ｖから６０Ｖ程度の入力電圧を、５Ｖ、３．３Ｖ、１．５Ｖ、１．０Ｖ、あるいはそれ以下の低い電圧に降圧し出力するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の後段には、キャッシュメモリ３１のほか、マイコン・プロセッサなどの各種ＬＳＩや、ハードディスク、ファンなどが接続される場合もある。

さて、ダイオード３３〜３５の役目を説明する。まず、バックアップ電源１５の第２のバックアップ出力１６２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力ライン１３の双方への電流の回込みを防止する。また、双方の入力ラインでダイオードの直列数を変えることで、その順方向電圧降下（堰層電圧）の差を利用し、先に述べた電力ライン１３からの電力供給の優先回路を構成している。すなわち、商用電源１１の健全時には、必ず、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２からＤＣ／ＤＣコンバータ３２へ電力の供給を行うことができ、バックアップ電源１５からの電力消費を無くすことができる。また、第１の直流バックアップ出力１６１を停止することで、自動的に第２の直流バックアップ出力１６２からの特定負荷１４２へのバックアップに切替えることができるのである。

図４は、本発明の第１の実施例における直流バックアップ電源１５が持つ、異なる二つのバックアップ電力容量と時間の関係を表すグラフである。時刻ｔ２から、第１の直流バックアップ出力１６１により負荷１４全体のバックアップを開始し、所定時間（ｔ３−ｔ２）の経過又は負荷１４からの指令が来た時刻ｔ３からは、第２の直流バックアップ出力１６２により特定負荷１４２のみをバックアップする。第１の直流バックアップ出力１６１は、図４からも分かるように、短時間で高出力のバックアップである。例えば、ｔ３−ｔ２は、数秒から数十分であり、電力容量Ｐ１は数百から数千ワットである。一方、第２の直流バックアップ出力１６２は、長時間で低出力であり、例えば、ｔ４−ｔ３は、数十時間であり、電力容量Ｐ２は数十ワットである。このように、第１の直流バックアップ出力１６１の電力容量は、特定負荷１４２への第２の直流バックアップ出力１６２の電力容量の１０倍以上であり、第１の直流バックアップ出力１６１の継続時間は、第２の直流バックアップ出力１６２の継続時間の１／１０以下としている。

図５は、本発明の第１の実施例における直流電力蓄積手段１５１の構成例である。直流電力蓄積手段１５１は、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）バッテリ群５１と５２により構成した例である。ここでは、各々のバッテリ群５１と５２に、電池の種類は同じであるが、放電レートとサイズの異なるバッテリを実装している。例えば、バッテリ群５１は４Ｃ以上の放電電流を流すことが可能なバッテリを多数直列に接続している。一方、バッテリ群５２には、４Ｃよりも小さい放電電流しか流すことができないバッテリを多数直列に接続し、これらは、それぞれ図４で説明した第１，第２の直流バックアップ出力１６１，１６２に応じたバッテリ容量としている。

このように、バックアップの性質に応じた、放電電流の異なるバッテリを棲み分けることで、直流電力蓄積手段１５１の低コスト化を図ることができる。

本実施例では、直流電力蓄積手段をＮｉＭＨ電池で構成した例について述べたが、これはＬｉ電池等の各種二次電池で構成しても良い。そして、例えば、バッテリ群５１をＮｉＭＨ電池、バッテリ群５２をＬｉ電池のように、各種二次電池の組み合わせで、バッテリ群を構成することも考えられる。さらに、本実施例ではバッテリ群を２つしか図示していないが、これは、３つ、４つとバッテリ群を増やすことも可能である。電池の直列セル数については、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧、即ち、バックアップする直流電力ライン１３の電圧Ｖ_１３にもよるが、あまり直列数が増えると、信頼性の面から好ましくなく、６０セル程度までが適当である。図４の説明で例示したバックアップ容量及び時間のオーダーの場合、３０〜５０セル程度の直列数が適当である。

図６は、本発明の第１の実施例における制御回路１５２の具体的構成図である。制御回路１５２は、直流電力蓄積手段１５１への充電を行う充電器６１、停電時に負荷１４全体に対して直流電力蓄積手段１５１の直流電力を出力する出力回路６２、同様に特定負荷１４２に対して直流電力を出力する出力回路６３を備えている。ダイオード６４は、電力ライン１３から充電器６１へ充電電力を取り込む回路を構成している。ラッチ回路６５は、補助電源６６から給電され、後述する保護等の必要性に応じて出力回路６３を遮断する。ＣＰＵ６７は、充電器６１以下の各回路を制御する。

制御回路１５２の動作の一例について説明する。充電時、ＣＰＵ６７からの充電指令により充電器６１が動作を開始する。充電器６１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力ライン１３からダイオード６４を介して、直流電力蓄積手段１５１への電力供給を行う。充電器６１の一例としては、定電流制御回路で構成し、直流電力蓄積手段１５１への定電流充電を行うことが考えられる。ＣＰＵ６７は、前述制御の他、直流電力蓄積手段１５１の電圧・温度等の状態を監視するための回路や、停電検出回路、保護回路等の制御も行う。

停電時、ＣＰＵ６７からの放電指令により出力回路６２がオンし、負荷１４全体へのバックアップを開始する。次に、インタフェースライン１７を通して、負荷１４からのバックアップ切替え要求が来ると、ＣＰＵ６７は、出力回路６２をオフする。出力回路６３は通常オンである。その後、ＣＰＵ６７は、ラッチ回路６５の電源を供給するための補助電源６６だけを活かし、ＣＰＵを含む各回路への電源をオフし、直流電力蓄積手段１５１の消費電力を最小に抑える。こうすることで、特定負荷１４２の長時間バックアップが可能となる。

通常オン、すなわちノーマリオンの出力回路６３は、保護等のために設けられており、それ以外では、直流電力蓄積手段１５１の出力ライン６８を常に第２の直流バックアップ出力ライン１６２を通して、特定負荷１４２に接続したままである。これにより、第１の直流バックアップ出力１６１の停止によって自動的に第２の直流バックアップ出力１６２による特定負荷１４２への電力供給に移行しており、次のような遮断の必要性が無い場合には、出力回路６３は不要である。すなわち、出力回路６３を遮断する必要性としては、例えば以下の３つのケースが考えられる。まず、（１）直流バックアップ電源１５の内部故障時に出力を停止すること。次に、（２）特定負荷１４２のバックアップをオプションとして扱い、運用によっては、特定負荷１４２のバックアップを行わない場合に対処すること。最後に、（３）特定負荷１４２を長時間バックアップすれば、いずれは直流電力蓄積手段１５１が空になるので、バックアップを終了させる。この終了時の保護のためにスイッチを設けることである。

なお、インタフェースライン１７を通して、負荷１４から、何らかの理由で停止要求が来た場合には、ＣＰＵ６７は、補助電源６６を含む全ての電源をオフし、制御回路１５２を停止させることが可能である。

以上の実施例を要約すると次の通りである。まず、商用電源１１から交流を受電し複数の負荷１４１，１４２へ直流電力を供給するＡＣ／ＤＣコンバータ１２と、商用電源の停電時に複数の負荷へ直流電力を供給する直流電力蓄積手段１５１を備えた直流バックアップ電源装置を対象としている。ここで、商用電源の停電時に、直流電力蓄積手段１５１からキャッシュメモリ等の特定負荷１４２を含む複数の負荷へ第１の直流バックアップ出力１６１を供給する。その後、予定時間の経過及び／又は予定（１７の）信号に応答し、第１の直流バックアップ出力を停止し、商用電源の停電／健全に関係なく、直流電力蓄積手段１５１から特定負荷１４２への第２の直流バックアップ出力１６２を接続する制御回路１５２を備えている。そして、複数の負荷への第１の直流バックアップ出力は、直流電力蓄積手段への充放電が可能な双方向出力である。また、複数の負荷への第１の直流バックアップ出力の電力容量は、前記特定負荷への第２の直流バックアップ出力の電力容量の１０倍以上でかつ前記第１の直流バックアップ出力時間は、前記第２の直流バックアップ出力時間の１／１０以下（図４）である。

このような構成によって、特定の負荷１４２に対する無停電機能の信頼性をより高めた直流バックアップ電源装置を提供することができる。

図７は、本発明の第２の実施例による直流バックアップ電源装置の概略構成図である。本実施例の直流バックアップ電源装置は、直流電力蓄積手段１５１として、多数の単位バッテリ７０１〜７０ｎをマトリックス状に配置し、直列方向に並んだ各々の単位バッテリの接続切替え手段７２を備えている。直流電力蓄積手段１５１は、バックアップに必要な容量分だけ、単位バッテリ７０１〜７０ｎをＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力ライン１３へ並列接続して構成する。制御回路１５２は、各々の単位バッテリ７０１〜７０ｎへの充電制御、或いは直流電力蓄積手段１５１から負荷１４への放電制御などを行う。例えば、マトリックス状に配置された単位バッテリは、各々が単セル、あるいは複数の電池セルを直列接続し構成されており、一行目に配置された単位バッテリ（即ち、７０１、７０３、・・・）にのみ、単位バッテリの電力をＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力ライン１３へ出力するための出力回路を内蔵しているものとする。バッテリの充電は、出力ライン１３から制御回路１５２内部の充電器を介して、接続切替え手段７２によって直列接続された単位バッテリ群（７０１、７０２、・・・や７０３、７０ｎ、・・・）へ、一行目単位バッテリの出力回路入力部（即ち、出力回路を介さない単位バッテリの入力部）より充電を行う。バッテリからの放電は、接続切替え手段７２によって直列接続された単位バッテリ群（７０１、７０２、・・・や７０３、７０ｎ、・・・）の、一行目単位バッテリの出力回路を介して、単位バッテリ群より負荷への放電を行う。なお、出力回路は、アノードを単位バッテリ、カソードを出力ラインへ接続したダイオードで構成しても良いし、ＭＯＳスイッチで構成しても良い。あるいは、ダイオードとＭＯＳスイッチを直列接続した構成としても良い。ＭＯＳスイッチを用いた場合は、制御回路から放電オン／オフをコントロールする信号がＭＯＳスイッチのゲートへ入力される。

ＡＣ／ＤＣコンバータ出力の電力ライン１３への単位バッテリの直列／並列接続は、例えば、電力ライン１３、即ちバックアップ電圧ラインの直流電圧に応じて直列方向の単位バッテリ（７０１、７０２、・・・）を切替え手段７２によって必要な分だけ直列接続し、負荷１４に要求されるバックアップ容量に応じて、並列方向の単位バッテリ（７０１、７０３、・・・）を必要な分だけ並列接続するようにすれば良い。バックアップ電圧ラインが予め決まっている場合は、直列方向には単位バッテリを一つだけ設けるようにして、負荷に要求されるバックアップ容量に応じて、並列方向の単位バッテリを必要な分だけ並列接続していけば良い。この場合、単位バッテリには上記のように単セル、あるいは直列接続した複数の電池セルのほか、電池の電力を電力ライン１３へ出力するためのスイッチが必要であり、このスイッチのオン／オフは制御回路によってコントロールされる。このように、バックアップ電圧ラインやバックアップ容量をきめ細かく可変できるようにすることで、様々な負荷構成や電源システムへ直流バックアップ電源を適用でき、汎用性を向上することができる。また、制御回路は、単位バッテリの直列／並列接続数に関係なく共通化を図っており、直流バックアップ電源装置の低コスト化が可能となる。

図８は、本発明の第３の実施例による直流バックアップ電源を備えたディスクアレイ装置の概略構成図である。本実施例は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２と、直流バックアップ電源１５などから構成する電源装置を、ディスクアレイ装置へ適用したものである。負荷１４は、ディスクアレイ装置であり、主として、ディスクアレイコントロールユニット８３と、ディスクアレイユニット８５から構成されている。ディスクアレイコントロールユニット８３は、キャッシュメモリ８１やＣＰＵ８２などを備えている。ディスクアレイユニット８５は、ハードディスク８４を複数配置してなる。また、ディスクアレイ装置１４には、装置内の個々の負荷へ直流電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ８６〜８８等を備えている。直流バックアップ電源１５は、図６で説明した実施例と基本的に同じであり、同一符号を付けて重複説明は避ける。また、充電時の動作についても同様に、図６で説明したので省略する。

図８のバックアップ動作について説明する。商用電源１１の停電時や、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の異常時など、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖ_１３の低下を制御回路１５２で検出すると、ＣＰＵ６７からの放電指令により出力回路６２がオンする。したがって、直流電力蓄積手段１５１から、ディスクアレイ装置１４全体への電力供給が行われる。この時、ＣＰＵ６７から負荷１４へ、停電が発生したことを通知する信号を、インタフェースライン１７を介して伝達する。ディスクアレイコントロールユニット８３は、上記通知を受け、現在、キャッシュメモリ８１に蓄積したデータをハードディスク８４へ退避する処理や、停止処理などを実行する。同様に、ディスクアレイユニット８５も停止処理などを実行する。全ての停止処理が終了すると、負荷１４は、インタフェースライン１７を介して、直流バックアップ電源１５へ、バックアップ出力切替え要求を出す。ＣＰＵ６７は、この切替え通知を受け、出力回路６２を遮断する。ノーマリオンである出力回路６３は、オンしたままであり、直流バックアップ電源１５内のその他の回路の電源をオフし、その動作を停止する。この結果、電力ライン１３を通しての負荷１４へのメイン電源の供給がなくなり、ディスクアレイ装置１４はオフする。しかし、キャッシュメモリ８１だけは、出力回路６３及び第２の直流バックアップ出力１６２を介し、直流電力蓄積手段１５１からの電力供給を受けて、動作を継続する。

この実施例を要約すると次の通りである。まず、商用電源１１から交流を受電し直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ１２と、このコンバータの直流出力を供給されるＣＰＵ８２，ハードディスク８４，及びキャッシュメモリ８１を備えたディスクアレイ装置を対象としている。ここで、商用電源の停電時に、予定時間又は予定の（１７の）信号を受信するまで、直流電力蓄積手段１５１からキャッシュメモリ８１を含む複数の負荷１４へ第１の直流バックアップ出力１６１を供給する。そして、商用電源の停電／健全に関係なく、直流電力蓄積手段１５１からキャッシュメモリへ第２の直流バックアップ出力１６２を接続する制御回路１５２を備えている。また、第１及び／又は第２の直流バックアップ出力を降圧してＣＰＵ８２，ハードディスク８４，及び／又はキャッシュメモリ８１にそれぞれ供給する複数のＤＣ／ＤＣコンバータ８６〜８８を備えている。

このような構成によって、ディスクアレイ装置は、切替え通知を受け、出力回路６２を遮断し、電力ライン１３を通してのディスクアレイ装置１４へのメイン電源の供給がなくなり、ディスクアレイ装置１４はオフする。しかし、ノーマリオンである出力回路６３は、オンしたままであり、キャッシュメモリ８１だけは、出力回路６３及び第２の直流バックアップ出力１６２を介し、直流電力蓄積手段１５１からの電力供給を受け続け動作を継続できる。したがって、ディスクアレイ装置１４は高い信頼性を持つことができる。

図９は、本発明の第４の実施例による直流バックアップ電源装置の概略構成図である。上述した図７と重複する部分の説明については省略する。図９では、図７で示したような特定負荷へのバックアップ出力は設けていないが、図９でも必要に応じて図７同様に、特定負荷専用のバックアップ出力を設けることが可能である。これは、例えば、出力回路９２より特定負荷専用のバックアップ出力を新たに設け、負荷１４内の特定負荷へ入力するように構成すれば良い。図９は、制御回路１５２内へ充電器９１、出力回路９２、および接続切替え手段７２を取り込んだ例である。なお、出力回路９２は、図７の説明で述べたように、ダイオードやＭＯＳスイッチ等により構成可能である。本実施例では、直流電力蓄積手段１５１の電力の出し入れを、充電器９１、出力回路９２により実現しているが、これを一つにまとめ、例えば双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにより構成することも可能である。接続切替え手段７２は、半導体リレーや機械式リレーなど各種リレーにより構成可能である。直流電力蓄積手段１５１は、単セル、あるいは複数の電池セルを直列接続してなる単位バッテリ９３、９４、９５、・・・を縦に並べた単位バッテリ群９０１より構成する。単位バッテリ群内の単位バッテリは接続切替え手段により直列接続される。例えば、単位バッテリ９３と９４を接続する場合は、図面向かって上段の接続切替え手段のスイッチを右側に倒して単位バッテリ９３のマイナス電極と９４のプラス電極を接続し、中段のスイッチを左側に倒して単位バッテリ９４のマイナス電極をグランドに接続すれば良い。単位バッテリ群は、要求されるバックアップ容量に応じて、バックアップ電源内電力ライン９０２へ並列接続される。この場合、各単位バッテリ群内の単位バッテリの直列接続は、各行方向に設けられた単一の接続切替え手段により実現できるように共通化を図っても良いし、並列接続数に応じて各行方向に複数の接続切替え手段を設けて実現しても良い。

充電は、出力ライン１３から制御回路１５２内部の充電器９１を介して、バックアップ電源内電力ライン９０２から各単位バッテリ群９０１に対して実施される。放電は、各単位バッテリ群より電力ライン９０２、出力回路９２を介して負荷に対し実施される。これら充電器や出力回路、接続切替え手段の動作は、制御回路１５２内のＣＰＵによってコントロールされる。

各単位バッテリの電圧や温度を監視し、異常時の保護や単位バッテリ群の残容量を検出するため、センシングライン９０３、９０４、９０５を設け、制御回路１５２へ取り込み内部処理を行う。

以上のように、本実施例においては、図７同様にバックアップ電圧ラインやバックアップ容量を、バッテリのユニット構成方法とその接続切替え手段等により、きめ細かく可変できるようにしている。よって、様々な負荷構成や電源システムへ直流バックアップ電源を適用でき、汎用性を向上することができる。また、充電器や出力回路を制御回路内に搭載し、上記バッテリユニットを一元管理できるよう構成することで、直流バックアップ電源装置の低コスト化が可能となる。

図１０は、本発明の直流バックアップ電源装置を搭載した情報処理装置の一例として、ディスクアレイ装置に適用した概略構成を示す斜視図である。図中、これまでの図と同じ符号のものは同一の構成部材を示している。

ディスクアレイ装置１００は、ラック構造を備えており、そのラックを複数の仕切り３０１，３０２，３０３により、上下方向に複数段の収納スペースに分割している。この実施例では、これらの収納スペースは４段であり、下から順に、バッテリユニット３１０、電源ユニット３２０、ディスクユニット３３０、並びにファンユニット３４０を形成している。底部のバッテリユニット３１０には、ｎ個の直流バックアップ電源１５ａ．１５ｂ，…，１５ｎが配置されている。その直ぐ上の収納スペースの電源ユニット３２０には、２つのＡＣ／ＤＣインバータ１２ａ，１２ｂが配置されている。そして、その上のディスクユユニット３３０に、複数のハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤと称す）やコントローラなどからなる負荷１４が配置されている。最上部の収納スペースのファンユニット３４０には、４つのファン３４１〜３４４が搭載されている。このディスクアレイ（情報処理）装置１００は、ディスクユニット３３０に実装されるＨＤＤやコントローラ等の負荷１４、あるいは、ファンユニット３４０内のファン３４１〜３４４等は、ラック内収納スベースの枠内で、必要に応じて増設できる。

バックァップ電源１５ａ〜１５ｎは、この電源の負荷となるディスクユニット３３０とファンユニット３４０内の被バックアップ電気機器の必要容量に応じて台数を増減できる。パックアップ電源１５ａ〜１５ｎの１台当たりの容量は、望ましくは、装置最小構成時の負荷容量、すなわち、負荷容量が最小となるような装置構成時にパックアップ可能なように設計する。そして、負荷容量の増加に応じて、バックアップ電源の台数ｎを増やすように構成する。バッテリユニット３１０のスペースは、装置の最大構成時の負荷容量、すなわち、負荷容量が最大となるような装置構成時にバックアップできるような台数のバックアップ電源１５ａ〜１５ｎを収納可能なように設計している。電源ユニット３２０については、２台のＡＣ／ＤＣコンバータ１２ａ，１２ｂを実装されている状態を図示したが、必ずしも２台である必要はない。信頼性向上のために、ＡＣ／ＤＣコンバータの二重化を行ったり、負荷容量の増加に伴ってコンバータの容量を増やしたい場合など、必要に応じた台数のコンバータが電源ユニット３２０内に実装される。ファンユニット３４０に配置される複数のファン３４１〜３４４は、上述した各ユニット内ヘ実装される部品で発生する熱を、下方より吸い上げ装置上面へ排気し、各部品の温度上昇を抑制している。本実施例では、ラックの最上部にファンユニット３４０を配置しているが、ファンユニットは、ディスクアレイ装置内の複数個所に配置することもできる。例えば、電源ユニット３２０とディスクユニット３３０との間や、ディスクユニット３３０の中間部位など、いろいろな位置に設けて各部品の冷却効果を上げることが望ましい。ここで、ラックの上下方向を分割する仕切り３０１〜３０３には、それぞれ通気孔１０１１〜１０３１を設けている。

このような実装構成において、前述した実施例に示した回路構成を備えることで、商用交流電源１１からの交流電力を、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２で直流に変換し、情報処理装置１００内のディスクユニット３３０やファンユニット３４０に収められた負荷１４ヘ電力ライン１３を通して供給している。

そして、本発明の実施例では、負荷１４中に収められた特定の重要負荷を長時間バックアップすることを実現するために、負荷全体１４への電力を供給する電力ライン１３以外に、特定負荷１４２に第２のバックアップの電力の直流バックアップ出力１６２とインターフェースライン１７を設けている。一般の負荷１４１は、ＨＤＤやファン、その他であり、一方、特定の負荷１４２は、例えばキャッシュメモリを対象としている。

停電時、制御回路１５２は、初めに電力ライン１３から負荷全体１４へ電力を供給し、所定時間経過の後、電力ライン１３への出カを停止し、特定負荷専用の直流バックアップ出力１６２からキャッシュメモリだけに対して電力の供給を行う。キャッシュメモリのバッククアップ時間は、特定負荷１４１のバックアップ時間よりも長時間であり、例えば、１０〜４０時間といったバックアップ時問を確保できるように二次電池の容量を確保する。

また、この電力ライン１３、直流バックアップ出力１６２とインターフェースライン１７は、ラック構造のディスクアレイ装置１００において、バス構造の配線として設けられているので、前述したように直流バックアップ電源１５、ＡＣ／ＤＣインバータ１２、一般の負荷１４１そして、特定の負荷１４２を容易に増設することができる。

以上説明したように、本発明の直流バックアップ電源装置を前述のディスクアレイ装置に適用した場合、装置のバックアップ電源のメンテナンスを行う際には、電力ライン１３と直流バックアップ出力１６２を切替える能動的なスイッチが電源ユニット３２０、ディスクユニット３３０が入っているラック部分には存在しない。このため、バッテリユニット３１０のラック部分に入っている直流バックアップ電源１５のみを点検することで、バックアップ電源のメンテナンスを行うことができ、活栓挿抜の容易化を図ることが可能になる。

本発明の第１の実施例による直流バックアップ電源装置の概略構成図。 本発明の第１の実施例における動作を説明するタイムチャート。 本発明の第１の実施例における特定負荷１４２の具体構成例図。 本発明の第１の実施例における直流バックアップ電源の異なる二つのバックアップ容量と時間の関係を表すグラフ。 本発明の第１の実施例における直流電力蓄積手段１５１の構成例。 本発明の第１の実施例における制御回路１５２の具体的構成図。 本発明の第２の実施例による直流バックアップ電源装置の概略構成図。 本発明の第３の実施例による直流バックアップ電源を備えたディスクアレイ装置の概略構成図。 本発明の第４の実施例による直流バックアップ電源装置の概略構成図。 本発明の実施例による直流バックアップ電源装置を備えたディスクアレイ装置の概略構成を示す斜視図。

符号の説明

１１…商用交流電源、１２…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１３…ＡＣ／ＤＣコンバータ出力電力ライン、１４…負荷（全体）、１４１…一般負荷、１４２…特定負荷（キャッシュメモリ）、１５…直流バックアップ電源、１５１…直流電力蓄積手段（二次電池）、１５２…制御回路、１６１…第１の直流バックアップ出力、１６２…第２の直流バックアップ出力、１７…インタフェースライン、３１…キャッシュメモリ、３２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３３〜３５…ダイオード（電力ライン１３優先回路）、６１…充電器、６２，６３…出力回路、６５…ラッチ回路、６６…補助電源、６７…ＣＰＵ、８１…キャッシュメモリ、８２…ＣＰＵ、８３…ディスクアレイコントロールユニット、８４…ハードディスク、８５…ディスクアレイユニット。

Claims (23)

1. 商用電源から直流電力を供給される複数の負荷と、前記商用電源の停電時にこれら複数の負荷へ直流電力を供給する直流電力蓄積手段を備えた直流バックアップ電源装置において、前記商用電源の停電時に、前記直流電力蓄積手段から特定負荷を含む複数の負荷へ第１の直流バックアップ出力を供給し、前記商用電源の停電／健全に関係なく、前記直流電力蓄積手段から前記特定負荷へ第２の直流バックアップ出力を接続する制御回路を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
2. 請求項１において、前記複数の負荷への第１の直流バックアップ出力は、前記直流電力蓄積手段への充放電が可能な双方向出力であることを特徴とする直流バックアップ電源装置。
3. 請求項１において、前記制御回路は、前記商用電源の停電に応答して、前記複数の負荷への第１の直流バックアップ出力を供給し、所定時間後に、この第１の直流バックアップ出力を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
4. 請求項１において、前記複数の負荷への第１の直流バックアップ出力の電力容量は、前記特定負荷への第２の直流バックアップ出力の電力容量の１０倍以上であることを特徴とする直流バックアップ電源装置。
5. 請求項１において、前記第１の直流バックアップ出力の継続時間は、前記第２の直流バックアップ出力の継続時間の１／１０以下であることを特徴とする直流バックアップ電源装置。
6. 請求項１において、前記制御回路は、前記商用電源の停電に応答して、前記複数の負荷へ第１の直流バックアップ出力を供給し、前記負荷からの信号に応答して、この第１の直流バックアップ出力を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
7. 請求項１において、前記特定負荷は、キャッシュメモリ又は不揮発性メモリ及び／又はこのメモリに直流電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータを備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
8. 商用電源から交流を受電し複数の負荷へ直流電力を供給するＡＣ／ＤＣコンバータと、前記商用電源の停電時に前記複数の負荷へ直流電力を供給する直流電力蓄積手段を備えた直流バックアップ電源装置において、前記商用電源の停電時に、前記直流電力蓄積手段から特定負荷を含む複数の負荷へ第１の直流バックアップ出力を供給し、その後、予定時間の経過及び／又は予定信号に応答し、前記第１の直流バックアップ出力を停止し、前記商用電源の停電／健全に関係なく、前記直流電力蓄積手段から前記特定負荷への第２の直流バックアップ出力を接続する制御回路を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
9. 請求項８において、前記複数の負荷への第１の直流バックアップ出力は、前記直流電力蓄積手段への充放電が可能な双方向出力であることを特徴とする直流バックアップ電源装置。
10. 請求項８において、前記複数の負荷への第１の直流バックアップ出力の電力容量は、前記特定負荷への第２の直流バックアップ出力の電力容量の１０倍以上であることを特徴とする直流バックアップ電源装置。
11. 請求項８において、前記第１の直流バックアップ出力の継続時間は、前記第２の直流バックアップ出力の継続時間の１／１０以下であることを特徴とする直流バックアップ電源装置。
12. 請求項８において、前記制御回路は、前記商用電源の停電に応答して、複数の負荷へ第１の直流バックアップ出力を供給し、前記負荷からの信号に応答して、この第１の直流バックアップ出力を停止することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
13. 請求項８において、前記特定負荷は、キャッシュメモリ又は不揮発性メモリ及び／又はこのメモリに直流電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータを備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
14. 請求項８において、前記特定の負荷は、前記第１の直流バックアップ出力をダイオードを介して入力し、前記第２の直流バックアップ出力を複数のダイオードを介して入力することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
15. 請求項８において、前記直流電力蓄積手段は、複数の二次電池を直列接続した複数の二次電池群を並列接続し、他の群とは異なる種類の二次電池群を含むことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
16. 請求項１５において、他の群と放電レートが異なる二次電池群を備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
17. 請求項８において、前記制御回路は、前記直流電力蓄積手段への電力供給を行う充電器と、前記直流電力蓄積手段から前記第１及び第２の直流バックアップ出力を通す第１及び第２の出力回路と、前記第２の出力回路を制御するラッチ回路と、このラッチ回路の電源である補助電源と、前記充電器，出力回路，ラッチ回路，及び補助電源の制御を行うＣＰＵを備えたことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
18. 請求項１７において、前記商用電源の停電時に前記特定負荷へ第２の直流バックアップ出力を供給中に、前記補助電源から前記ラッチ回路に電源を供給し、前記制御回路内のその他の回路への電源の供給を停止するとともに、予定の指令に応じて前記ラッチ回路が前記第２の出力回路を遮断するように構成したことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
19. 商用電源から交流を受電し直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、このコンバータの直流出力を供給されるＣＰＵ，ハードディスク，及びキャッシュメモリを含む複数の負荷と、前記商用電源の停電時に前記複数の負荷へ直流電力を供給する直流電力蓄積手段を備えたディスクアレイ装置において、前記商用電源の停電時に、予定時間又は予定の信号を受信するまで、前記直流電力蓄積手段から前記キャッシュメモリを含む複数の負荷へ第１の直流バックアップ出力を供給し、前記商用電源の停電／健全に関係なく、前記直流電力蓄積手段から前記キャッシュメモリへ第２の直流バックアップ出力を接続する制御回路を備えたことを特徴とするディスクアレイ装置。
20. 請求項１９において、前記第１及び／又は第２の直流バックアップ出力を降圧して前記ＣＰＵ，ハードディスク，及び／又はキャッシュメモリにそれぞれ供給する複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えたことを特徴とするディスクアレイ装置。
21. 単一もしくは複数の二次電池を直列接続してなる単位バッテリと、該単位バッテリを複数直列接続してなる単位バッテリ群を複数並列接続してなる直流電力蓄積手段を有する直流バックアップ電源装置において、前記単位バッテリ群は、負荷のバックアップ容量に応じてその並列接続数を任意に可変でき、前記単位バッテリ群内の単位バッテリの直列接続を実現するための接続切替え手段と、前記単位バッテリ群へ直流電力を充電するための充電器と、前記バッテリ群から負荷へ直流電力を放電するための出力回路を有する制御回路を備えたことを特徴とする請求項１〜２０何れかに記載の直流バックアップ電源装置。
22. 請求項２１において、前記充電器と出力回路を双方向ＤＣ―ＤＣコンバータにより構成したことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
23. 請求項２１において、前記接続切替え手段は各種リレーにより構成し、該リレーにより前記単位バッテリを直列接続するか否かの制御を行うことを特徴とする直流バックアップ電源装置。
    

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