JP2009159661A - 安定化電源装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトカプラが故障した場合にも安定動作を持続する。
【解決手段】出力電圧ＯＵＴにおける基準値からの差分をフォトカプラを介して帰還し、差分に応じて入力電圧ＩＮを電圧変換して安定した出力電圧ＯＵＴを得る安定化電源装置において、フォトカプラ１７、１８と、フォトカプラ１７、１８から一つを選択する切替回路１６と、切替回路１６によって選択したフォトカプラに差分を供給するフォトカプラ駆動回路１４と、選択されたフォトカプラの駆動電圧および／または駆動電流を監視し、駆動電圧および／または駆動電流が所定の範囲外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するように切替回路１６を制御するフォトカプラ劣化検出回路１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、安定化電源装置及びその制御方法に係り、特に、帰還経路に挿入されるフォトカプラを用いる安定化電源装置及びその制御方法に係る。

安定化電源装置において、劣化する部品の代表的なものとして、電解コンデンサとフォトカプラがある。電解コンデンサは、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、機能性高分子コンデンサ等の寿命の長いコンデンサを使用することで長寿命化を図ることができる。一方、帰還経路に挿入されるフォトカプラは、発光側へ流す電流値の調整でしか劣化の進行を遅くすることができず長寿命化には限界があった。

そこでフォトカプラの寿命を判定して交換時期を知らせることができるスイッチング電源装置が特許文献１において開示されている。このスイッチング電源装置は、フォトカプラのフォトダイオードに流れる電流に基づき、フォトカプラの劣化状態を検出して通知する劣化検出手段を備えることで、フォトダイオードに流れる電流値からフォトカプラが劣化して寿命に近いことを判定し、通知することができる。

なお、関連する技術として特許文献２には、フォトカプラを並列接続した二重化構成とし、障害発生時に現用から予備へ自動的に切り換える構成の伝送制御回路が記載されている。具体的には、予備のフォトカプラに発光ダイオードを直列接続した回路を現用フォトカプラに並列接続した構成が開示されている。

特開２００５−２４５０９２号公報 実開平０４−８５８４５号公報

以下の分析は本発明において与えられる。

特許文献１に記載のスイッチング電源装置は、フォトカプラの劣化を検出し通知することで電源装置が異常停止する前に装置の交換を促すものであり、電源装置そのものの長寿命化を図るものではなかった。

一方、特許文献２に記載のフォトカプラを並列接続した二重化構成を、スイッチング電源装置におけるフォトカプラに適用することは可能である。しかしながら、現用のフォトカプラの駆動電流が減少していって、駆動側の電圧が、予備のフォトカプラの駆動側および発光ダイオードのそれぞれの閾値の和を超えて初めて予備のフォトカプラの駆動側が動作する。この場合、一般に現用のフォトカプラから予備のフォトカプラに瞬時に切り替わることは無く、不安定な動作期間が存在してしまう。

一般にフォトカプラの性能は、電流伝達率（CTR : Current Transfer Ratio)で表され、フォトカプラの劣化は、電流伝達率の低下として現れる。さらに、フォトカプラの故障は、発光側（駆動側）のショートあるいはオープン状態、受光側のショートあるいはオープン状態と種々の要因によって発生する。このような場合、単に発光側（駆動側）の電流値の減少のみに基づいてフォトカプラの故障を検知するのでは、充分とはいえず、フォトカプラの切替時の安定動作を持続することができない。

したがって、本発明の目的は、種々の要因でフォトカプラが故障した場合にも安定動作を持続する安定化電源装置及びその制御方法を提供することにある。

本発明の１つのアスペクト（側面）に係る安定化電源装置は、出力電圧における基準値からの差分をフォトカプラを介して帰還し、差分に応じて入力電圧を電圧変換して安定した出力電圧を得る安定化電源装置において、複数のフォトカプラと、複数のフォトカプラから一つを選択する切替回路と、切替回路によって選択したフォトカプラに差分を供給する駆動回路と、選択されたフォトカプラの駆動状態を監視し、駆動状態が所定の状態外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するように切替回路を制御するフォトカプラ監視手段と、を備える。

本発明の安定化電源装置において、フォトカプラ監視手段は、選択されたフォトカプラの駆動電圧および／または駆動電流を監視するフォトカプラ劣化検出回路であって、フォトカプラ劣化検出回路は、駆動電圧および／または駆動電流が所定の範囲外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するように切替回路を制御するようにしてもよい。

本発明の安定化電源装置において、フォトカプラ監視手段は、出力電圧を監視する電圧監視回路であって、電圧監視回路は、出力電圧が所定の範囲外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するように切替回路を制御するようにしてもよい。

本発明の他のアスペクト（側面）に係る安定化電源装置の制御方法は、出力電圧における基準値からの差分をフォトカプラを介して帰還し、差分に応じて入力電圧を電圧変換して安定した出力電圧を得る安定化電源装置の制御方法であって、複数のフォトカプラから一つを選択するステップと、選択したフォトカプラに差分を供給するステップと、選択されたフォトカプラの駆動状態を監視するステップと、駆動状態が所定の状態外であることを検出した場合に、フォトカプラの選択を変更するステップと、を含む。

本発明の安定化電源装置の制御方法において、監視するステップは、選択されたフォトカプラの駆動電圧および／または駆動電流を監視するステップであって、変更するステップは、駆動電圧および／または駆動電流が所定の範囲外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するステップであってもよい。

本発明の安定化電源装置の制御方法において、監視するステップは、出力電圧を監視するステップであって、変更するステップは、出力電圧が所定の範囲外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するステップであってもよい。

本発明によれば、安定化電源回路の長寿命を実現できると共に、種々の要因でフォトカプラの故障が発生した場合にも安定動作を持続することができる。

本発明の実施形態に係る安定化電源装置は、出力電圧における基準値からの差分（誤差）をフォトカプラを介して帰還し、差分に応じて入力電圧を電圧変換して安定した出力電圧を得る。この安定化電源装置において、２個のフォトカプラをあらかじめ搭載し、使用開始時には一方のフォトカプラを動作させ、他方のフォトカプラへは電流を流さないようにする。そして、使用中のフォトカプラが劣化してきたことを、選択されたフォトカプラの駆動状態を監視して駆動状態が所定の状態外であることによって検出し、選択されたフォトカプラが劣化したと判断した場合には、停止させていたフォトカプラへ切り替えて動作させる。

安定化電源装置においてフォトカプラを使用する目的は、安定化電源装置の入出力間の絶縁を確保しながら情報（出力電圧における基準値からの差分）の伝達を行うことである。すなわち、安定化電源装置におけるフォトカプラの場合、この情報が正確に伝送され出力電圧を安定させる役割を果たす。この場合、単に発光側の電流に閾値を設定し監視した場合、フォトカプラのＣＴＲのバラツキの最小値に合わせて発光側電流の閾値を設定しなければならない。したがって、例えば高ＣＴＲ品の場合には、まだ使用可能にも拘らず劣化と判断して切り替えてしまう虞がある。

本発明の安定化電源装置によれば、フォトカプラの駆動状態を監視するので、高ＣＴＲ品の場合にはその分１個目のフォトカプラを長時間使用できる利点がある。すなわち、フォトカプラのオープンやショート障害はもちろんであるが、ＣＴＲばらつきも含めて劣化を検出することができ、フォトカプラが使用できる限界まで使用可能となる。

また、フォトカプラの受光側の障害（オープン、ショート等伝達特性全て）も含めて監視して切り替えを行うことが可能である。さらに、安定化電源が本来求められる特性（出力電圧の安定）を直接監視する事により、性能保証がより確実になる。

図１は、本発明の第１の実施例に係る安定化電源装置の構成を示すブロック図である。図１において、安定化電源装置は、電圧変換回路１１、基準電圧源１２、比較誤差増幅回路１３、フォトカプラ駆動回路１４、切替回路１６、フォトカプラ１７、１８、制御回路１９を備える。また、フォトカプラ駆動回路１４は、フォトカプラ劣化検出回路１５を内蔵する。

電圧変換回路１１は、入力電圧ＩＮを制御回路１９の制御に従って電圧変換し、安定した電圧を有する出力電圧ＯＵＴを出力する。比較誤差増幅回路１３は、出力電圧ＯＵＴを基準電圧源１２の基準電圧と比較し比較結果である誤差（差分）信号を増幅し、フォトカプラ駆動回路１４に出力する。フォトカプラ駆動回路１４は、比較誤差増幅回路１３の出力を切替回路１６を介してフォトカプラ１７又はフォトカプラ１８の発光側へ接続して誤差信号に応じた電流を流す。制御回路１９は、フォトカプラ１７又はフォトカプラ１８の受光側へ流れる電流によって電圧変換回路１１の動作を制御する。

フォトカプラ劣化検出回路１５は、駆動素子の駆動状態、すなわちフォトカプラ駆動回路１４の駆動電圧および／または駆動電流を監視し、駆動電圧および／または駆動電流が所定の範囲外であることを検出した場合には、切替回路１６へ切替信号ＳＥＬを出力する。

切替回路１６は、安定化電源使用開始時にはフォトカプラ１７又はフォトカプラ１８のどちらか一方にフォトカプラ駆動回路１４の出力を接続してフォトカプラの発光側へ電流を流す。また、切替回路１６は、切替信号ＳＥＬが入力された場合にはそれまで接続していなかった他方のフォトカプラへフォトカプラ駆動回路１４の出力を切替えて接続し、他方のフォトカプラの発光側へ電流を流す。

次に、以上のような構成の安定化電源装置の制御方法について説明する。図２は、本発明の第１の実施例に係る安定化電源装置の制御方法を示すフローチャートである。

安定化電源装置に起動後、ステップＳ１１において、切替回路１６は、フォトカプラ１７又はフォトカプラ１８から一方を選択する。

ステップＳ１２において、フォトカプラ駆動回路１４は、選択したフォトカプラに比較誤差増幅回路１３で算出した差分に基づく駆動信号を供給する。

ステップＳ１３において、フォトカプラ劣化検出回路１５は、選択されたフォトカプラの駆動電圧および／または駆動電流を監視し、駆動電圧および／または駆動電流が所定の範囲外であることを検出した場合（ステップＳ１３のＹ）には、フォトカプラの選択を変更するように切替回路１６に切替信号ＳＥＬを出力する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１５において、切替回路１６によって切り替えられたフォトカプラを動作させて安定化電源装置を継続的に動作させる。

ここで、フォトカプラ劣化検出回路１５におけるフォトカプラの駆動電圧と駆動電流の監視について説明する。フォトカプラの故障モードの検出という観点から見ると、各監視項目によってフォトカプラの故障要因に差異があり、下記のようになる。

電圧監視（発光側の電圧降下Ｖｆ）を行う場合、駆動側オープンでは、最大駆動電圧が検出され、駆動側ショートでは、駆動電圧異常低下が観測され、ＣＴＲ劣化では、駆動電圧の多少の上昇が観測される。

また、電流監視（発光側の駆動電流Ｉｆ）を行う場合、駆動側オープンでは、駆動電流異常低下が観測され、駆動側ショートでは、最大駆動電流が検出され、ＣＴＲ劣化では、最大駆動電流が検出される。

このように、電圧監視（発光側Ｖｆ）だけではＣＴＲ劣化の判別が充分でない場合があり、また電流監視（発光側Ｉｆ）だけではショート（発光側）とＣＴＲ劣化の判別が難しくなる。したがって、駆動電圧と駆動電流の両方を監視することがより好ましい。

駆動電圧と駆動電流の両方を監視している場合、各検出結果によりフォトカプラの故障モードが判別できる。すなわち、発光側オープンした場合、最大駆動電圧が検出されるか、または駆動電流異常低下が検出される。また、発光側ショートの場合、最大駆動電流が検出されるか、または駆動電圧異常低下が検出される。さらに、ＣＴＲ劣化の場合、最大駆動電流が検出され、かつ駆動電圧正常範囲（駆動電流異常低下ではない）が検出される。

以上のようにフォトカプラの駆動状態を観測することでフォトカプラの種々の故障要因を捉えて安定的に切替制御を行うことが可能である。

図３は、本発明の第２の実施例に係る安定化電源装置の構成を示すブロック図である。図３において、図１と同一の符号は同一物を表し、その説明を省略する。図３の安定化電源装置は、図１に対し、フォトカプラ駆動回路１４をフォトカプラ劣化検出回路１５を廃したフォトカプラ駆動回路１４ａとし、電圧監視回路２０をさらに備える。また、電圧監視回路２０から出力される切替信号ＳＥＬを制御回路１９ａに伝達する伝達回路２１を備える。さらに、切替回路１６ａは、電圧監視回路２０によって切替を行う。

電圧監視回路２０は、電圧変換回路１１の出力電圧ＯＵＴを監視し、出力電圧ＯＵＴが設計精度範囲外の電圧となった場合には、フォトカプラの劣化と判断し、切替回路１６ａおよび制御回路１９ａに対し切替信号ＳＥＬを出力する。

伝達回路２１は、切替信号ＳＥＬを電気的に絶縁して制御回路１９ａに伝達する回路であって、例えば、フォトカプラやラッチング型リレーなどのオン・オフ動作可能な回路である。

制御回路１９ａは、電気的に絶縁された切替信号ＳＥＬを入力し、切替信号ＳＥＬに基づいてフォトカプラ１７又はフォトカプラ１８の受光側を選択し、選択したフォトカプラ１７又はフォトカプラ１８の受光側へ流れる電流によって電圧変換回路１１の動作を制御する。

次に、以上のような構成の安定化電源装置の制御方法について説明する。図４は、本発明の第２の実施例に係る安定化電源装置の制御方法を示すフローチャートである。図４において、図２と同じ符号のステップは、同じ処理を行い、その説明を省略する。

ステップＳ１３ａにおいて、電圧監視回路２０は、電圧変換回路１１の出力電圧ＯＵＴを監視し、出力電圧ＯＵＴが設計精度範囲外の電圧となった場合（ステップＳ１３ａのＹ）には、フォトカプラの選択を変更するように切替回路１６ａに切替信号ＳＥＬを出力する（ステップＳ１４）。

以上のように動作する安定化電源装置によれば、電圧監視回路２０が出力電圧ＯＵＴを監視するのでフォトカプラ受光側の障害も含めてフォトカプラ全体の機能障害を検出してフォトカプラの切り替え制御を行うことが可能である。

以上の説明において、切替信号ＳＥＬを装置外部に出力し、一方のフォトカプラが寿命で使用できなくなり不良のフォトカプラを交換するように外部に知らせるようにすることもできる。

さらに、以上の説明ではフォトカプラを２個としたが、３個以上にしてそれぞれ順次切替えてさらに長寿命化を図ることも出来る。

なお、前述の特許文献等の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の第１の実施例に係る安定化電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例に係る安定化電源装置の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施例に係る安定化電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施例に係る安定化電源装置の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ 電圧変換回路
１２ 基準電圧源
１３ 比較誤差増幅回路
１４、１４ａ フォトカプラ駆動回路
１５ フォトカプラ劣化検出回路
１６、１６ａ 切替回路
１７、１８ フォトカプラ
１９、１９ａ 制御回路
２０ 電圧監視回路
２１ 伝達回路
ＩＮ 入力電圧
ＯＵＴ 出力電圧
ＳＥＬ 切替信号

Claims (6)

1. 出力電圧における基準値からの差分をフォトカプラを介して帰還し、差分に応じて入力電圧を電圧変換して安定した出力電圧を得る安定化電源装置において、
   複数のフォトカプラと、
   前記複数のフォトカプラから一つを選択する切替回路と、
   前記切替回路によって選択したフォトカプラに前記差分を供給する駆動回路と、
   前記選択されたフォトカプラの駆動状態を監視し、駆動状態が所定の状態外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するように前記切替回路を制御するフォトカプラ監視手段と、
   を備えることを特徴とする安定化電源装置。
2. 前記フォトカプラ監視手段は、前記選択されたフォトカプラの駆動電圧および／または駆動電流を監視するフォトカプラ劣化検出回路であって、
   前記フォトカプラ劣化検出回路は、前記駆動電圧および／または駆動電流が所定の範囲外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するように前記切替回路を制御することを特徴とする請求項１記載の安定化電源装置。
3. 前記フォトカプラ監視手段は、前記出力電圧を監視する電圧監視回路であって、
   前記電圧監視回路は、前記出力電圧が所定の範囲外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するように前記切替回路を制御することを特徴とする請求項１記載の安定化電源装置。
4. 出力電圧における基準値からの差分をフォトカプラを介して帰還し、差分に応じて入力電圧を電圧変換して安定した出力電圧を得る安定化電源装置の制御方法であって、
   複数のフォトカプラから一つを選択するステップと、
   前記選択したフォトカプラに前記差分を供給するステップと、
   前記選択されたフォトカプラの駆動状態を監視するステップと、
   前記駆動状態が所定の状態外であることを検出した場合に、フォトカプラの選択を変更するステップと、
   を含むことを特徴とする安定化電源装置の制御方法。
5. 前記監視するステップは、前記選択されたフォトカプラの駆動電圧および／または駆動電流を監視するステップであって、
   前記変更するステップは、前記駆動電圧および／または駆動電流が所定の範囲外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するステップであることを特徴とする請求項４記載の安定化電源装置の制御方法。
6. 前記監視するステップは、前記出力電圧を監視するステップであって、
   前記変更するステップは、前記出力電圧が所定の範囲外であることを検出した場合には、フォトカプラの選択を変更するステップであることを特徴とする請求項４記載の安定化電源装置の制御方法。

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