JP2009081904A - 直流電源供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックアップ電源用の電気二重層コンデンサの劣化を極力少なくすることができる直流電源供給装置を提供する。
【解決手段】直流電源供給装置は、大電流用の電気二重層コンデンサ８および９を有し直流電源が供給されることによりリアルタイムクロック１に直流駆動電源を供給する直流駆動電源供給回路６と、リアルタイムクロック１にバックアップ電源を供給するための低消費電流用の電気二重層コンデンサ１３と、前記直流電源のオン時に電気二重層コンデンサ１３の放電を行なわせる放電回路１５と、前記直流電源のオフ時に前記電気二重層コンデンサ８および９を放電させてバックアップ電源用の電気二重層コンデンサ１３を充電させる充放電回路２１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷にバックアップ電源を供給する電気二重層コンデンサを備えた直流電源供給装置に関する。

例えば、コンピュータで制御される電気機器には、リアルタイムクロックが組み込まれていることが多く、このリアルタイムクロックの動作により、電気機器の作業についての「年」、「月」、「日」、「時」、「分」および「秒」のデータを記録できるようになっている。この電気機器に組み込まれる負荷たるリアルタイムクロックに直流駆動電源を供給する直流電源供給装置は、バックアップ電源用として二次電池、コンデンサなどを備えている。

この種の直流電源装置は、電気機器に交流電源が供給（オン）されると、この交流電源電圧を整流しかつ降圧して得られた直流電源電圧を時計モジュール（リアルタイムクロック）に直流駆動電源電圧として供給するとともに、該直流電源電圧をバックアップ電源用の例えばコンデンサに印加して充電させ、その後、電気機器に対する交流電源がオフされると、前記コンデンサの充電電圧がバックアップ電源として時計モジュールに供給されるようになっている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３４５４５号公報

最近では、この種のバックアップ電源として、急速充放電が可能で、サイクル寿命に優れ、かつ、環境配慮型である電気二重層コンデンサが用いられるようになってきている。しかしながら、電気二重層コンデンサは、印加電圧に応じて劣化するもので、例えば、印加電圧が高いほど、印加時間が長いほど劣化が速くなるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサの劣化を極力少なくすることができる直流電源供給装置を提供することにある。

本発明の直流電源供給装置は、電気二重層コンデンサを有し直流電源が供給されることにより負荷に直流駆動電源を供給する直流駆動電源供給回路と、前記負荷にバックアップ電源を供給するための電気二重層コンデンサと、前記直流電源のオン時に前記バックアップ電源用の電気二重層コンデンサの放電を行なわせる放電回路と、前記直流電源のオフ時に前記直流駆動電源供給回路の電気二重層コンデンサを放電させて前記バックアップ電源用の電気二重層コンデンサを充電させる充放電回路とを具備してなることを特徴とする。

このような構成によれば、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサは、直流電源のオン時には放電され、該直流電源のオフ時には直流駆動電源供給回路の電気二重層コンデンサにより充電される。従って、直流電源のオン中は、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサには充電のための直流電圧は印加されない。

本発明の直流電源供給装置によれば、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサには直流電源のオン中は充電のための直流電圧は印加されないので、それだけ印加時間を短くすることができ、電気二重層コンデンサの劣化を極力少なくすることができる。

（第１の実施例）
以下、本発明の第１の実施例につき、図１および図２を参照しながら説明する。
図１において、負荷たるリアルタイムクロック１は、例えばコンピュータで制御される電気機器たる工作機械に組み込まれたもので、そのポートＸ１、Ｘ２間に水晶振動子２が接続されている。このリアルタイムクロック１において、前記ポートＸ１は、例えば積層セラミックコンデンサからなる回路用コンデンサ３を介してグランドＧＮＤに接続され、電源ポートＶ_ＤＤは、例えば積層セラミックコンデンサからなる回路用コンデンサ４を介してグランドポートＧＮＤに接続されているとともにグランドＧＮＤに接続されている。このリアルタイムクロック１の動作により、工作機械の作業についての「年」、「月」、「日」、「時」、「分」および「秒」のデータを記録できるようになっている。

直流電源端子５は、電源スイッチがオンされることにより工作機械に供給される交流電源電圧を整流しかつ降圧して得られた直流電源電圧Ｖ_ＣＣ（例えば３．３Ｖ）がグランドＧＮＤとの間に印加供給されるようになっている。すなわち、工作機械に交流電源が供給（オン）されると、直流電源もオンして直流電源端子５に直流電源電圧Ｖ_ＣＣが印加される。工作機械に交流電源が供給停止（オフ）されると、直流電源もオフして直流電源端子５に直流電源電圧Ｖ_ＣＣが印加されなくなる。

直流電源端子５とグランドＧＮＤとの間には、直流駆動電源供給回路６が構成されている。直流駆動電源供給回路６は、具体的には、直流電源端子５が、例えばショットキーバリアダイオードからなる逆流阻止用のダイオード７、リアルタイムクロック１に直流駆動電源を供給するための大電流用の電気二重層コンデンサ８および９を直列に介してグランドＧＮＤに接続され、電気二重層コンデンサ８および９にそれぞれ並列に抵抗１０および１１が接続されて構成されている。そして、ダイオード７、電気二重層コンデンサ８および抵抗１０の共通接続点は、例えばショットキーバリアダイオードからなる逆流阻止用のダイオード１２を介して前記リアルタイムクロック１の電源ポートＶ_ＤＤに接続されている。

低消費電流用の電気二重層コンデンサ１３は、リアルタイムクロック１にバックアップ電源を供給するためのもので、その一方の端子は、例えばショットキーバリアダイオードからなる逆流阻止用のダイオード１４を介してリアルタイムクロック１の電源ポートＶ_ＤＤに接続され、他方の端子は、グランドＧＮＤに接続されている。

放電回路１５は、スイッチング素子たるＮＰＮ型のトランジスタ１６を備えている。このトランジスタ１６において、コレクタは、電気二重層コンデンサ１３およびダイオード１４の共通接続点に接続され、エミッタは、抵抗１７を介してグランドＧＮＤに接続されているとともに抵抗１８を介してベースに接続され、そのベースは、抵抗１９およびツェナーダイオード２０を直列に介してダイオード７、電気二重層コンデンサ８および抵抗１０の共通接続点に接続されている。

充放電回路２１は、スイッチング素子としてＰＮＰ型のトランジスタ２２を備えている。このトランジスタ２２において、エミッタは、ダイオード７、電気二重層コンデンサ８および抵抗１０の共通接続点に接続され、コレクタは、例えばショットキーバリアダイオードからなる逆流阻止用のダイオード２３および抵抗２４を直列に介して電気二重層コンデンサ１３およびダイオード１４の共通接続点に接続され、ベースは、抵抗２５を介してエミッタに接続されているとともに抵抗２６を介して直流電源端子５に接続されている。

次に、本実施例の作用につき、図２の電圧波形図を参照して説明する。図２においては、横軸に時間をとり、縦軸に直流電源電圧Ｖ_ＣＣ、電気二重層コンデンサ８および９の直列回路の端子電圧たる直流駆動電源電圧Ｖｘおよび電気二重層コンデンサ１３の端子電圧たるバックアップ電源電圧Ｖｙをとって示す。

今、工作機械に対して交流電源をオンにすると、直流電源もオンになり（時刻ｔ０）、直流電源電圧Ｖ_ＣＣが急速に立ち上がる。この直流電源電圧Ｖ_ＣＣにより電気二重層コンデンサ８および９が徐々に充電されて、その端子電圧たる直流駆動電源電圧Ｖｘが上昇する。この直流駆動電源電圧Ｖｘがリアルタイムクロック１の電源ポートＶ_ＤＤに印加され、以て、リアルタイムクロック１に直流駆動電源が供給される。これにより、リアルタイムクロック１は、時計動作を実行する。

直流駆動電源電圧Ｖｘがツェナーダイオード２０のツェナー電圧になってツェナーダイオード２０が導通（オン）すると（時刻ｔ１）、放電回路１５のトランジスタ１６がオンになり、トランジスタ１６のコレクタ、エミッタ間および抵抗１７を介してグランドＧＮＤに至る電気二重層コンデンサ１３の放電路が形成される。従って、電気二重層コンデンサ１３に充電電荷があった場合には、これが速やかに放電され、電気二重層コンデンサ１３の端子電圧たるバックアップ電源電圧Ｖｙは零になる。この場合、直流電源がオンして直流電源端子５に直流電源電圧Ｖ_ＣＣが印加されると、充放電回路２１において、この直流電源電圧Ｖ_ＣＣが抵抗２６を介してトランジスタ２２のベースに加わる（ハイレベルになる）ので、直流駆動電源電圧Ｖｘがエミッタに与えられてもトランジスタ２２はオンしない。

その後、工作機械に対する交流電源がオフになると、直流電源もオフになり（時刻ｔ２）、直流電源電圧Ｖ_ＣＣが急速に立ち下がり、零になる。従って、充放電回路２１において、トランジスタ２２のベースがロウレベルになって、該トランジスタ２２がオンするようになる。直流電源電圧Ｖ_ＣＣが零になっても、電気二重層コンデンサ８および９の充電電圧たる直流駆動電源電圧Ｖｘがリアルタイムクロック１に供給されるとともに、この直流駆動電源電圧Ｖｘは、トランジスタ２２のオンにより、トランジスタ２２のエミッタ、コレクタ間、ダイオード２３および抵抗２４を介して電気二重層コンデンサ１３の端子間に印加されるようになり、電気二重層コンデンサ８および９が放電して、直流駆動電源電圧Ｖｘは徐々に降下する。

この場合、直流駆動電源電圧Ｖｘがトランジスタ２２のエミッタ、コレクタ間、ダイオード２３および抵抗２４を介して電気二重層コンデンサ１３の端子間に印加されても、このときには、放電回路１５のトランジスタ１６がオンしていて電気二重層コンデンサ１３の方電路を形成しているので、該電気二重層コンデンサ１３の充電は進まず、その端子電圧たるバックアップ電源電圧Ｖｙはそれほど上昇しない。

しかして、電気二重層コンデンサ８および９の放電により、直流駆動電源電圧Ｖｘが低下してツェナーダイオード２０のツェナー電圧未満になると、ツェナーダイオード２０がオフして（時刻ｔ３）、トランジスタ１６がオフするようになり、電気二重層コンデンサ１３の充電が急速に行なわれて、バックアップ電源電圧Ｖｙが上昇する。そして、直流駆動電源電圧Ｖｘが下降しかつバックアップ電源電圧Ｖｙが上昇することにより、バックアップ電源電圧Ｖｙが直流駆動電源電圧Ｖｘよりも大になると、バックアップ電源電圧Ｖｙが直流駆動電源電圧Ｖｘに代わってリアルタイムクロック１の電源ポートＶ_ＤＤに印加されるようになる。従って、リアルタイムクロック１は、今度はバックアップ電源が供給されて時計動作を続行することになる。

このように本実施例によれば、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサ１３は、工作機械に対する交流電源のオン時（直流電源のオン時）には放電回路１５により放電され、工作機械に対する交流電源のオフ時（直流電源のオフ時）には充放電回路２１により直流駆動電源供給回路６の電気二重層コンデンサ８および９の電荷で充電される。従って、工作機械の交流電源のオン中は、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサ１３には充電のための直流電圧は印加されないので、それだけ印加時間を短くすることができ、電気二重層コンデンサ１３の劣化を極力少なくすることができて、寿命を長くすることができる。

そして、直流駆動電源供給回路６の電気二重層コンデンサ８および９は大電流用とし、バックアップ電源のための電気二重層コンデンサ１３は低消費電流用としたので、直流電源のオフ時には、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサ１３に、電気二重層コンデンサ８および９から大電流で急速に充電させることができ、バックアップ電源供給時には、電気二重層コンデンサ１３を長期間にわたって放電させること、すなわち、長期間にわたってバックアップすることができる。

（第２の実施例）
図３は、本発明の第２の実施例であり、上記第１の実施例と統一部分には同一符号を付して示す。
この実施例では、電気二重層コンデンサ１３、ダイオード１４、放電回路１５および充放電回路２１を１組として、これが複数組例えば第１および第２の２組設けられている。ここでは、その２組において、説明の便宜上、電気二重層コンデンサ１３、ダイオード１４、放電回路１５および充放電回路２１と同一部分にはその符号に添え字ａ（第１）およびｂ（第２）を付して示す。

選択回路２７は、第１および第２の充放電回路２１ａおよび２１ｂに対応してスイッチング素子たるＮＰＮ型の第１および第２のトランジスタ２８ａおよび２８ｂを備えている。この第１のトランジスタ２８ａにおいて、コレクタは、ダイオード７、電気二重層コンデンサ８および抵抗１０の共通接続点に接続され、エミッタは、第１のトランジスタ２２ａのエミッタに接続されているとともに抵抗２９ａを介してベースに接続され、そのベースは、抵抗３０ａを介して二分岐されて、その一方は、コンデンサ３１ａを介してグランドＧＮＤに接続され、もう一方は、例えばショットキーバリアダイオードからなる逆流阻止用のダイオード３２ａを介してＭＣＵ（マイクロコントロールユニット）３３のポートＰ１に接続されている。また、第２のトランジスタ２８ｂにおいて、コレクタは、ダイオード７、電気二重層コンデンサ８および抵抗１０の共通接続点に接続され、エミッタは、第２のトランジスタ２２ｂのエミッタに接続されているとともに抵抗２９ｂを介してベースに接続され、そのベースは、抵抗３０ｂを介して二分岐されて、その一方は、コンデンサ３１ｂを介してグランドＧＮＤに接続され、もう一方は、例えばショットキーバリアダイオードからなる逆流阻止用のダイオード３２ｂを介してＭＣＵ３３のポートＰ２に接続されている。

ＭＣＵ３３は、例えば、直流駆動電源電圧Ｖｘが供給されるようになっており、リアルタイムクロック１の時計動作に基づいて、周期的にまたは一定期間経過毎にポートＰ１、Ｐ２をハイレベル、ロウレベルに交互に切換えるようになっている。従って、工作機械に対する交流電源がオフされて直流電源がオフされた場合において、ＭＣＵ３３のポートＰ１がハイレベルのときには、コンデンサ３１ａが充電されるとともに、選択回路２７の第１のトランジスタ２８ａがオンされて、第１の充放電回路２１ａが選択され、直流駆動電源電圧Ｖｘが第１の充放電回路２１ａを介して第１の電気二重層コンデンサ１３ａに印加供給されるようになり、第１の電気二重層コンデンサ１３ａからリアルタイムクロック１にバックアップ電源が供給される。

また、工作機械に対する交流電源がオフされて直流電源がオフされた場合において、ＭＣＵ３３のポートＰ２がハイレベルのときには、コンデンサ３１ｂが充電されるとともに、選択回路２７の第２のトランジスタ２８ｂがオンされて、第２の充放電回路２１ｂが選択されるように切換えられ、直流駆動電源電圧Ｖｘが第２の充放電回路２１ｂを介して第２の電気二重層コンデンサ１３ｂに印加供給されるようになり、第２の電気二重層コンデンサ１３ｂからリアルタイムクロック１にバックアップ電源が供給される。
従って、この第２の実施例によれば、第１および第２の電気二重層コンデンサ１３ａおよび１３ｂが切換えて用いられるので、それぞれの劣化を第１の実施例の半分にすることができ、寿命を２倍にすることができる。

（第３の実施例）
図４は、本発明の第３の実施例であり、前記第１の実施例と同一部分には同一符号を付して示す。
この実施例で第１の実施例と異なるところは、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサを複数個並列に設けた点にあり、具体的には、２個の電気二重層コンデンサ１３、１３が並列に接続されて用いられている。
このような構成によれば、２個の電気二重層コンデンサ１３、１３が自己放電部分以外の消費電流を分散できるので、バックアップの持続時間を長くすることができる。

（第４の実施例）
図５は、本発明の第４の実施例であり、前記第１の実施例と同一部分には同一符号を付して示す。

図５において、電圧調整回路３４は、スイッチング素子たるＮＰＮ型のトランジスタ３５と、これを制御するＭＣＵ３６とを備えている。そのトランジスタ３５において、コレクタは、ツェナーダイオード３７を介して直流駆動電源供給回路６のダイオード７、電気二重層コンデンサ８および抵抗１０の共通接続点に接続され、エミッタは、抵抗３８を介してグランドＧＮＤに接続されているとともに抵抗３９を介してベースに接続され、そのベースは、抵抗４０を介してＭＣＵ３６のポートＰ１に接続されている。

しかして、ＭＣＵ３６は、例えば、直流駆動電源供給回路６からの後述する直流駆動電源電圧Ｖｚａが供給されるようになっており、リアルタイムクロック１の時計動作に基づいて、リアルタイムクロック１の設置当初の時計動作時から所定の長期間例えば５年間は、ポートＰ１をハイレベルとし、５年間経過後は、ポートＰ１をロウレベルとするようになっている。

従って、工作機械に対する交流電源がオンされて直流電源がオンされた場合において、ＭＣＵ３６のポートＰ１がハイレベルのときには、電気二重層コンデンサ８および９の端子電圧たる直流駆動電源電圧Ｖｚａがツェナーダイオード３７のツェナー電圧になると、ツェナーダイオード３７およびトランジスタ３５がオンするになる。この結果、電気二重層コンデンサ８および９の直列回路に並列に、ツェナーダイオード３７、トランジスタ３５のコレクタ、エミッタ間および抵抗３８の直列回路が接続されるようになり、直流駆動電源電圧Ｖｚａは、前記第１の実施例における直流駆動電源電圧Ｖｘよりも低い値に抑制される。

その後、工作機械に対する交流電源がオフされて直流電源がオフされたときには、この直流駆動電源電圧Ｖｚａによりバックアップ電源用の電気二重層コンデンサ１３が充電されるので、その端子電圧たるバックアップ電源電圧Ｖｚｂも前記第１の実施例におけるバックアップ電源電圧Ｖｙよりも低く抑制される。

その後、リアルタイムクロック１の時計動作に基づき５年間が経過して、工作機械に対する交流電源がオンされて直流電源がオンされた場合において、ＭＣＵ３６のポートＰ１がロウレベルになったときには、電気二重層コンデンサ８および９の端子電圧たる直流駆動電源電圧Ｖｚａがツェナーダイオード３７のツェナー電圧になってもトランジスタ３５がオンすることはない。この結果、電気二重層コンデンサ８および９の直列回路の端子電圧たる直流駆動電源電圧Ｖｚａは、前記第１の実施例における直流駆動電源電圧Ｖｘまで高くなり、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサ１３の端子電圧たるバックアップ電源電圧Ｖｚｂも前記第１の実施例におけるバックアップ電源電圧Ｖｙまで上昇する。

このように、第４の実施例によれば、直流駆動電源供給回路６に備えた電圧調整回路３４により、リアルタイムクロック１の設置当初からの５年間は、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサ１３に対する印加電圧たる直流駆動電源電圧Ｖｚａを直流駆動電源電圧Ｖｘより低くし、その後は、その直流駆動電源電圧Ｖｚａを直流駆動電源電圧Ｖｘまで高くするようにしたので、バックアップ電源用の電気二重層コンデンサ１３の劣化が進行するまでは、印加電圧を低くして劣化を極力抑制し、劣化が進行した後は、印加電圧を高くして劣化分の充電能力を補うようになり、以て、寿命を長くすることができる。

（第５の実施例）
図６は、本発明の第５の実施例であり、前記第１の実施例と同一部分には同一符号を付して示す。
この実施例において、第１の実施例と異なるところは、ツェナーダイオード２０は設けられず、放電回路１５のトランジスタ１６のベースは、抵抗１９を介してＭＣＵ３３のポートＰ１に接続されている。

ＭＣＵ３３は、例えば、リアルタイムクロック１の時計動作に基づいて、第１の実施例と同様のタイミングでポートＰ１をハイレベルにしてトランジスタ１６をオンさせ、電気二重層コンデンサ１３を放電させるようになっている。この場合、ＭＣＵ３３は、ポートＰ１をハイレベルにするタイミングついては、任意に設定可能である。

なお、本発明は、上記しかつ図面に示す実施例にのみ限定されるものではなく、例えば、工作機械のリアルタイムクロックの直流電源供給装置に限らず、電気機器の負荷全般の直流電源供給装置として適用できるなど、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変形して実施し得ることは勿論である。

本発明の第１の実施例を示す電気回路図 作用説明用の各部の電圧波形図 本発明の第２の実施例を示す図１相当図 本発明の第３の実施例を示す図１相当図 本発明の第４の実施例を示す図１相当図 本発明の第５の実施例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１はリアルタイムクロック（負荷）、５は直流電源端子、６は直流駆動電源供給回路、８および９は直流駆動電源用の電気二重層コンデンサ、１３および１３ａ、１３ｂはバックアップ電源用の電気二重層コンデンサ、１５および１５ａ、１５ｂは放電回路、２１および２１ａ、２１ｂは充放電回路、３４は電圧調整回路を示す。

Claims (5)

1. 電気二重層コンデンサを有し直流電源が供給されることにより負荷に直流駆動電源を供給する直流駆動電源供給回路と、
   前記負荷にバックアップ電源を供給するための電気二重層コンデンサと、
   前記直流電源のオン時に前記バックアップ電源用の電気二重層コンデンサの放電を行なわせる放電回路と、
   前記直流電源のオフ時に前記直流駆動電源供給回路の電気二重層コンデンサを放電させて前記バックアップ電源用の電気二重層コンデンサを充電させる充放電回路とを具備してなる直流電源供給装置。
2. 負荷は、リアルタイムクロックであることを特徴とする請求項１記載の直流電源供給装置。
3. バックアップ電源用の電気二重層コンデンサ、放電回路及び充放電回路は、複数組設けられ、これらの組は、切換えて用いられることを特徴とする請求項１または２記載の直流電源供給装置。
4. バックアップ電源用の電気二重層コンデンサは、複数個並列接続されて構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の直流電源供給装置。
5. 直流駆動電源供給回路は、所定の期間、直流電源のオン時における電気二重層コンデンサに対する印加電圧を低くする電圧調整回路を有することを特徴とする請求項１または２記載の直流電源供給装置。

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