JP2007159305A

JP2007159305A - 電源装置

Info

Publication number: JP2007159305A
Application number: JP2005353013A
Authority: JP
Inventors: Naoya Okada; 直也岡田
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】簡易な構成により電圧変換における電力損失を低減することができ、且つ、電圧変換処理に伴うノイズの発生を抑制することができる電源装置を提供する。
【解決手段】整流回路４０の出力端子間に接続された抵抗分圧回路６０と、整流回路４０の出力端子間に接続されてＶ1が抵抗分圧回路６０における分圧設定に応じた電圧となるように、カソード端子とアノード端子間の通電電流を制御するシャントレギュレータ５０と、該通電電流のレベルに応じてＦＥＴ２０をオン／オフするためのフォトカプラ３０及びトランジスタ２１と、分圧抵抗回路６０における分圧設定を、Ｖ1とＶ2の供給が共に必要な「同時供給状態」に対応した設定と、Ｖ2の供給のみが必要でＶ1の供給が不要な「待機状態」に対応した設定とに切替えるリレー６５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源からの直流電圧を複数種類の直流電圧に変換して出力する電源装置に関し、特に、電圧変換における電力損失を低減するための構成を備えた電源装置に関する。

従来より、図２に示したように、商用交流電源１００から出力される交流電圧を整流回路１０１で整流して生成された直流電圧Ｖ₁₀を、例えば２種類の直流電圧Ｖ₁₁，Ｖ₁₂に変換して出力するマルチ出力型の電源装置が知られている。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２から出力される直流電圧Ｖ₁₁を、レギュレータ１０３により更に直流電圧Ｖ₁₂に降圧して変換する場合、レギュレータ１０３における電圧変換に伴う電力損失は、レギュレータ１０３の入出力電圧の差（Ｖ₁₁−Ｖ₁₂）が大きいほど大きくなる。

そこで、例えば、Ｖ₁₁がアクチュエータ等の電源として使用されるパワー系電源であり、Ｖ₁₂がマイコン等の制御回路の電源として使用される制御系電源であるときに、アクチュエータが停止状態にあってパワー系電源の供給が不要なときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２から出力されるＶ₁₁のレベルを、パワー系電源の供給が必要なときよりも低下させて、レギュレータ１０３における電力損失を低減するようにした電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、このようにＤＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力電圧Ｖ₁₁を変更する構成として、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２に備えられたトランスの１次側コイルへの直流電圧Ｖ₁₀の供給／遮断を切替えるスイッチング素子（トランジスタ等）のオン／オフのＤｕｔｙを切替えて、トランスの２次側コイルの出力電圧を変更するＰＷＭ制御を採用することが考えられる。

しかし、この場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２に入力するＰＷＭ制御信号ＰgのＤｕｔｙを変更するＰＷＭ制御回路１０４が必要となり、電源装置の構成が複雑になるという不都合がある。また、ＰＷＭ制御による場合には、スイッチング素子が定常的にＯＮ／ＯＦＦされるため、スイッチ素子のオン／オフの切替えに伴うノイズが生じ易いという不都合がある。
特許第３４６１７３０号公報

本発明は上記不都合を解消し、簡易な構成により電圧変換における電力損失を低減することができ、且つ、電圧変換処理に伴うノイズの発生を抑制することができる電源装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、直流電源からの直流電圧を第１の直流電圧に変換して出力する第１の電圧変換手段と、該第１の直流電圧を該第１の直流電圧よりも低い一定の第２の直流電圧に変換して出力する第２の電圧変換手段と、該第１の直流電圧の供給と該第２の直流電圧の供給とが共に必要な同時供給状態にあるときは、該第１の直流電圧を高電圧レベルとし、該第２の電圧の供給のみが必要で該第１の電圧の供給は不要な待機状態にあるときには、該第１の直流電圧を該高電圧レベルよりも低い低電圧レベルとする出力電圧切替手段とを備えた電源装置の改良に関する。

そして、前記第１の電圧変換手段は、トランスと、前記直流電源から該トランスの１次側コイルへの直流電圧の供給と遮断とを切替えるスイッチング手段と、該トランスの２次側コイルの出力電圧を整流して前記第１の直流電圧を出力する整流回路とを備え、前記出力電圧切替手段は、前記整流回路の出力端子間に接続されて、前記第１の直流電圧を抵抗により分圧する抵抗分圧回路と、前記整流回路の出力端子間にアノード端子とカソード端子が接続されると共に、出力電圧制御用端子が該抵抗分圧回路の分圧出力箇所と接続され、前記第１の直流電圧が該抵抗分圧回路の分圧設定に応じた直流電圧となるように、カソード端子とアノード端子間の通電量を制御するシャントレギュレータと、該シャントレギュレータのカソード端子とアノード端子間の通電量に応じて、前記スイッチング手段をオン／オフするスイッチング駆動回路と、前記抵抗分圧回路の分圧設定を、前記第１の直流電圧を前記高電圧レベルとするための第１の分圧状態と前記低電圧レベルとするための第２の分圧状態とに切替える分圧設定切替手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記シャントレギュレータの動作により、前記整流回路から前記第２の電圧変換手段に入力される前記第１の直流電圧は、前記抵抗分圧回路の分圧設定に応じた一定電圧となる。そのため、前記抵抗分圧回路と、前記抵抗分圧回路における分圧設定を前記第１の分圧状態と前記第２の分圧状態とに切替える分圧設定切替手段とを備えるという簡易な構成により、前記待機状態において前記第２の電圧変換手段に入力される前記第１の直流電圧を前記同時作動状態における場合よりも低下させることができる。そして、これにより、前記待機状態における前記第２の電圧変換手段の電圧変換に伴う電力損失を低減することができる。

また、前記スイッチング手段は、前記シャントレギュレータの通電電流に応じてオン／オフされ、ＰＷＭ制御を用いた場合のように前記スイッチング手段が定常的にオン／オフされることがない。そのため、前記スイッチング手段のオン／オフ頻度が低下して、前記スイッチング手段のオン／オフに伴うノイズの発生が抑制される効果が期待できる。

本発明の実施の形態について、図１を参照して説明する。図１は本発明の電源装置１の回路構成図であり、電源装置１は、直流電源（図示しない）から供給される直流電圧ＶHを入力して、２種類の直流電圧Ｖ1（本発明の第１の直流電圧に相当する），Ｖ2（本発明の第２の直流電圧に相当する）を出力するマルチ出力タイプの電源装置である。なお、直流電圧ＶHを供給する直流電源は、交流電源から供給される交流電圧を整流して直流電圧を生成するものでも、電池でもよい。

電源装置１は、トランス１０、トランス１０の１次側コイル１１と直列に接続されたＦＥＴ２０、ＦＥＴ２０のゲートＧに接続されたトランジスタ２１、トランス１０の２次側コイル１３と接続された整流回路４０、整流回路４０の出力端子間に接続されたシャントレギュレータ５０、発光ダイオード３０が整流回路４０の出力端子間に接続されると共に受光トランジスタ３１がトランジスタ２１と接続されたフォトカプラ３０、整流回路４０の出力端子間に接続されて、直流電圧Ｖ1を抵抗６１，６２又は抵抗６１，６２，６３により分圧し、分圧電圧の出力箇所がシャントレギュレータ５０の出力電圧制御用端子に接続された抵抗分圧回路６０、及び直流電圧Ｖ1を一定の直流電圧Ｖ2に変換して出力する３端子レギュレータ７０（本発明の第２の電圧変換手段に相当する）を備えている。

なお、トランス１０、ＦＥＴ２０、及び整流回路４０により本発明の第１の電圧変換手段が構成される。また、フォトカプラ３０、トランジスタ２１、及び抵抗８１〜８５により本発明のスイッチング駆動回路が構成され、該スイッチング駆動回路と、シャントレギュレータ５０と、抵抗分圧回路６０と、リレー６５（本発明の分圧設定切替手段に相当する）とにより本発明の出力電圧切替手段が構成される。そして、リレー６５の駆動コイル６７への通電の有無によりリレー接点６７のオン／オフが切替わって、抵抗分圧回路６０の分圧設定が切替わる。

以下、電源装置１の作動について説明する。直流電圧ＶHの供給が開始されると、抵抗８１，８２で分圧された電圧がＦＥＴ２０のゲートＧに入力されて、ＦＥＴ２０がオンする。そして、ＦＥＴ２０がオンすることにより、トランス１０の１次側コイル１１に通電されて、１次側コイル１２に誘起電圧が生じる。１次側コイル１２に生じた誘起電圧は、抵抗８３を介してＦＥＴ２０のゲートＧに入力されてＦＥＴ２０がオン状態に維持され、１次側コイル１１への通電により２次側コイル１３に交流電圧が発生する。

そして、トランス１０の２次側コイル１３に発生した交流電圧が整流回路４０に入力され、整流回路４０のダイオード４１により整流されてコンデンサ４２により平滑化された直流電圧が整流回路４０から出力される。整流回路４０からチョークコイル９０を介して出力される直流電圧Ｖ1（例えば１３Ｖ）は、電磁弁等のアクチュエータに供給されるパワー系電源として使用されると共に、３端子レギュレータ７０の入力電源として使用される。

３端子レギュレータ７０は、入力された直流電圧Ｖ1を、マイコン（図示しない）等の制御回路に供給される制御系電源であるＶ2（例えば５Ｖ）に変換して出力する。また、シャントレギュレータ５０は、以下の式（１）により設定される直流電圧Ｖ1が出力されるように、カソード端子とアノード端子間の通電電流を制御する。

但し、Ｖ_ref：シャントレギュレータ５０の基準電圧、Ｒ1：抵抗６１の抵抗値。Ｒp：以下の式（２）による抵抗値。

但し、Ｒ2：抵抗６２の抵抗値、Ｒ3：抵抗６３の抵抗値。

具体的には、シャントレギュレータ５０は、直流電圧Ｖ1がＶ_ref（１＋Ｒ1／Ｒp）を超えると、カソード端子とアノード端子間の通電量を増加させて直流電圧Ｖ1を低下させるように動作し、直流電圧Ｖ1がＶ_ref（１＋Ｒ1／Ｒp）よりも低いときには、カソード端子とアノード端子間の通電量を減少させて直流電圧Ｖ1を上昇させるように動作する。

そして、シャントレギュレータ５０のカソード端子とアノード端子間の通電量がフォトカプラ３０の発光ダイオード３２のオン電流以上となると、受光トランジスタ３１がオンする。受光トランジスタ３１がオンすると、トランジスタ２１のベース電流が増加してトランジスタ２１がオンし、これにより、ＦＥＴ２０のゲートＧとソースＳ間の電圧がほぼ０Ｖとなるため、ＦＥＴ２０がオフする。

その結果、トランス１０の１次側コイル１１への直流電圧ＶHの供給が遮断され、整流回路４０への入力電圧が低下する。そして、これに応じて整流回路４０から出力される直流電圧Ｖ1が低下し、このとき、シャントレギュレータ５０は上記式（１）の関係を維持するために、カソード端子とアノード端子間の抵抗を増大させてカソード端子とアノード端子間の通電量を減少させるように動作する。

そして、シャントレギュレータ５０のカソード端子とアノード端子間の通電量の減少により、フォトカプラ３０の発光ダイオード３２がオフすると、受光トランジスタ３１がオフしてトランジスタ２１のベース電流が減少し、トランジスタ２１がオフする。これにより、ＦＥＴ２０のゲートＧに１次コイル１２の誘起電圧が印加されてＦＥＴ２０がオンし、トランス１０の１次コイル側１１への直流電圧ＶHの供給が再開される。

以上説明したように、シャントレギュレータ５０の動作により、ＦＥＴ２０がオン／オフされて直流電圧Ｖ1が上記式（１），式（２）に従って制御されるため、シャントレギュレータ５０における電力損失を抑制することができる。また、シャントレギュレータ５０を用いずに、ＦＥＴ２０を所定周波数で定常的にスイッチングして整流回路４０への入力電圧を制御する場合に比べてＦＥＴ２０のオン／オフの頻度が低下し、ＦＥＴ２０のオン／オフに伴うノイズの発生が低減することが期待できる。

また、リレー６５の駆動コイル６７への制御信号Ｒ_cntの入力の有無によって、上記式（２）により直流電圧Ｖ1のレベルを高レベル（Ｒp＝Ｒ2・Ｒ3／（Ｒ2＋Ｒ3）のとき）と低レベル（Ｒp＝Ｒ2のとき）に、容易に切替えることができる。

そして、パワー系電源である直流電圧Ｖ1と制御系電源である直流電圧Ｖ2の供給が共に必要な「同時供給状態」であるときは直流電圧Ｖ1を高レベル（１３Ｖ）とし、直流電圧Ｖ2の供給のみが必要で直流電圧Ｖ1の供給は不要である「待機状態」であるときには、直流電圧Ｖ1を直流電圧Ｖ2よりも若干高い低電圧レベル（例えば６Ｖ）とすることで、「待機状態」でのレギュレータ７０における電圧変換に伴う電力損失を低減することができる。

なお、本実施の形態においては、本発明の第２の電圧変換手段として、３端子レギュレータ７０を用いたが、直流電圧Ｖ1を一定の直流電圧Ｖ2に変換するものであれば、他の構成を用いてもよい。

また、フォトカプラ３０とトランジスタ２１を用いて本発明のスイッチング駆動回路を構成し、本発明のスイッチング手段としてＦＥＴを用いて、直流電源からトランス１０の１次側コイル１１への直流電圧ＶHの供給／遮断を切替えたが、シャントレギュレータ５０のカソード端子とアノード端子間の通電量に応じて直流電源からトランス１０の１次側コイル１１への直流電圧ＶHの供給／遮断を切替える機能を有するものであれば、他の構成を用いてもよい。

本発明の電源装置の回路構成図。従来の電源装置の回路構成図。

符号の説明

１…電源装置、１０…トランス、１１…１次側コイル、１３…２次側コイル、２０…ＦＥＴ（スイッチング手段）、２１…トランジスタ、３０…フォトカプラ、４０…整流回路、５０…シャントレギュレータ、６０…抵抗分圧回路、７０…３端子レギュレータ（第２の電圧変換手段）

Claims

直流電源からの直流電圧を第１の直流電圧に変換して出力する第１の電圧変換手段と、該第１の直流電圧を該第１の直流電圧よりも低い一定の第２の直流電圧に変換して出力する第２の電圧変換手段と、該第１の直流電圧の供給と該第２の直流電圧の供給とが共に必要な同時供給状態にあるときは、該第１の直流電圧を高電圧レベルとし、該第２の電圧の供給のみが必要で該第１の電圧の供給は不要な待機状態にあるときには、該第１の直流電圧を該高電圧レベルよりも低い低電圧レベルとする出力電圧切替手段とを備えた電源装置において、
前記第１の電圧変換手段は、トランスと、前記直流電源から該トランスの１次側コイルへの直流電圧の供給と遮断とを切替えるスイッチング手段と、該トランスの２次側コイルの出力電圧を整流して前記第１の直流電圧を出力する整流回路とを備え、
前記出力電圧切替手段は、前記整流回路の出力端子間に接続されて、前記第１の直流電圧を抵抗により分圧する抵抗分圧回路と、前記整流回路の出力端子間にアノード端子とカソード端子が接続されると共に、出力電圧制御用端子が該抵抗分圧回路の分圧出力箇所と接続され、前記第１の直流電圧が該抵抗分圧回路の分圧設定に応じた直流電圧となるように、カソード端子とアノード端子間の通電量を制御するシャントレギュレータと、該シャントレギュレータのカソード端子とアノード端子間の通電量に応じて、前記スイッチング手段をオン／オフするスイッチング駆動回路と、前記抵抗分圧回路の分圧設定を、前記第１の直流電圧を前記高電圧レベルとするための第１の分圧状態と前記低電圧レベルとするための第２の分圧状態とに切替える分圧設定切替手段とを備えたことを特徴とする電源装置。