JP2009195021A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力供給用出力線を有する直流電源装置において、電流検出用抵抗がなくても過電流保護のための電流検出が可能であり、それによって抵抗損失を減らして変換効率を向上させることができるようにする。
【解決手段】電圧変換用のトランス（Ｔ１）と、該トランスの二次側巻線に誘起された電力を伝送する一対の出力線（Ｌ１，Ｌ２）と、前記トランスの一次側巻線の電流を制御する制御回路（１４）とを備えた直流電源装置において、前記一対の出力線のうち一方の出力線においてその抵抗成分で生じる電圧降下量を検出する検出回路（１３）を設け、前記制御回路は前記検出回路の検出出力に基づいて前記トランスの一次側巻線の電流を制御するように構成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力供給用出力線を有する電源装置に関し、例えば出力ケーブルを有し交流電源を直流電源に変換して出力するＡＣアダプタのような直流電源装置に適用して有効な技術に関する。

ＡＣアダプタは、交流電源を整流するダイオード・ブリッジ回路と、該回路で整流された直流電圧を降圧して所望の電位の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータなどで構成される。このＤＣ−ＤＣコンバータとしては、例えば電圧変換用トランスの一次側巻線に流れる電流をスイッチング制御することで二次側巻線に誘起される電圧を制御するようにしたスイッチング電源装置が用いられている。

ＡＣアダプタには、同軸ケーブルなどからなる出力線とその先端に設けられたコネクタを有してものがある。かかるＡＣアダプタは、ケーブル先端のコネクタのプラス端子とマイナス端子間が何らかの原因で短絡すると、過電流が流れスイッチング素子が破壊されるなどの事故が発生するおそれがある。そこで、一般には、ＡＣアダプタ内の制御回路に過電流検出回路が設けられ、過電流が検出された場合には一次側コイルに電流を流さないような制御が行なわれている。

また、過電流を検出する方式としては、例えば、図４に示すように、二次側の出力線の途中に電流検出用の抵抗Ｒｓｎｓを介在させ、その抵抗の電圧降下を差動アンプなどからなる検出回路で検出する方式が一般的である。このような過電流検出回路を設けた電源装置に関する発明としては、例えば特許文献１に開示されているものなどがある。
特開平１１−２１５６９０号公報

上記のような出力線の途中に電流検出用の抵抗を介在させる方法にあっては、検出用抵抗で損失が発生して変換効率が低下するという課題がある。また、そのような損失を減らすためには、検出用抵抗として低抵抗の素子を使用するのが有効であるが、低抵抗で高精度の素子は一般に高価であるため、コストアップを招くという課題もある。

この発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、電力供給用出力線を有する直流電源装置において、電流検出用抵抗がなくても過電流保護のための電流検出が可能であり、それによって抵抗損失を減らして変換効率を向上させることができるようにすることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、電圧変換用のトランスと、該トランスの二次側巻線に誘起された電力を伝送する一対の出力線と、前記トランスの一次側巻線の電流を制御する制御回路とを備えた直流電源装置において、前記一対の出力線のうち一方の出力線においてその抵抗成分で生じる電圧降下量を検出する検出回路を設け、前記制御回路は前記検出回路の検出出力に基づいて前記トランスの一次側巻線の電流を制御するように構成したものである。

より具体的には、電圧変換用のトランスと、該トランスの二次側に設けられた整流回路と、該整流回路で整流された電圧を伝送する一対の出力線と、前記トランスの一次側巻線の電流を制御する制御回路とを備えた直流電源装置において、前記一対の出力線のうち一方の出力線の終端側の電圧を伝達する検出線と、該検出線により伝達された電圧と前記一方の出力線の始端側の電圧とを入力として電流を検出する電流検出回路を設け、制御回路は該電流検出回路の検出出力に基づいて前記トランスの一次側巻線の電流を制御するように構成した。

上記した手段によれば、電流検出用抵抗がなくても電流検出が可能であり、それによって抵抗損失を減らして変換効率を向上させることができる。

ここで、望ましくは、前記制御回路は、前記電流検出回路の検出出力に基づいて電流値が所定値以上であった場合に前記トランスの一次側巻線の電流を遮断するように構成する。これにより、電流検出用抵抗がなくても過電流保護のための電流検出と遮断が可能であり、抵抗損失を減らしつつ過電流による素子の破壊等の事故を回避することができるようになる。

さらに、望ましくは、前記一対の出力線の終端側の電圧を伝達（フィードバック）する一対の検出線と、該一対の検出線により伝達された電圧を入力とする電圧検出回路と、前記一対の検出線のいずれか一方の終端側の電圧および始端側の電圧を入力として電流を検出する電流検出回路と、を設け、制御回路は前記電圧検出回路の検出出力に基づいて出力電圧が一定になるように制御するとともに、前記電流検出回路の検出出力に基づいて電流値が所定値以上であった場合に前記トランスの一次側巻線の電流を遮断するように構成する。これにより、出力電圧のフィードバック制御のための電圧検出線を、過電流保護のための検出に使用することができるため、冗長な構成を少なくすることができる。

さらに、望ましくは、前記一対の出力線は、芯線とこれを囲むように設けられた編組線とを有する同軸ケーブルからなり、前記検出線は前記芯線と共に、絶縁材を介して前記編組線によって囲まれるように配置する。これにより、編組線がシールドと機能して、検出線に外部からノイズが入りにくくなるため、ノイズによる誤差の少ない電流検出が可能となる。

本発明に従うと、電力供給用出力線を有する直流電源装置において、電流検出用抵抗がなくても過電流保護のための電流検出が可能であり、それによって抵抗損失を減らして変換効率を向上させることができるようになるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下では、本発明を適用して有効な電源装置の一例としてＡＣアダプタに適用した例を説明するが、本発明を適用可能な電源装置はこれに限定されるものではない。
＜実施形態１＞
図１は、本発明の第１の実施形態のＡＣアダプタを示す回路構成図である。

この実施形態のＡＣアダプタ１０は、交流電圧（ＡＣ）を整流し直流電圧に変換するダイオード・ブリッジ回路１１および平滑用コンデンサＣ１と、一次側コイルＮｐおよび補助コイルＮｂと二次側コイルＮｓとを有する電圧変換用のトランスＴ１と、このトランスＴ１の一次側コイルＮｐと直列に接続されたスイッチング・トランジスタＴｒ０と、出力電圧を検出する電圧検出回路１２と、該電圧検出回路１２により検出された電圧をフィードバック電圧ＶFBとして受けて上記スイッチング・トランジスタＴｒ０を駆動するスイッチング制御回路（ＩＣ）１４とを有する。

Ｌ１，Ｌ２は二次側コイルＮｓに接続された出力線、ＲＬは二次側コイルＮｓに誘起された電力により動作する負荷である。また、図１において、一点鎖線Ａで囲まれている部分はＡＣアダプタ本体、一点鎖線Ｂで囲まれている部分は同軸ケーブルなどからなる出力ケーブルである。

上記トランスＴ１の二次側には二次側コイルＮｓと直列に接続された整流用ダイオードＤ１と、このダイオードＤ１のカソード端子と二次側コイルＮｓの他方の端子との間に接続された平滑用コンデンサＣ２とが設けられ、一次側コイルＮｐに間歇的に電流を流すことで二次側コイルＮｓに誘起される交流電流を整流し平滑することによって一二次側コイルＮｐと二次側コイルＮｓとの巻線比に応じた直流電圧Ｖｏｕｔを出力する。

スイッチング制御回路１４は、上記フィードバック電圧ＶFBと所定の参照電圧との電位差を増幅する誤差増幅回路や、所定の周波数の波形信号（三角波）を発生する発振器の出力と上記誤差増幅回路の出力とを比較するコンパレータなどを備え、フィードバック電圧ＶFBに応じて例えばＰＷＭ方式で上記スイッチング・トランジスタＴｒ０をオン、オフ制御する制御パルスを生成し出力する。

一次側コイルＮｐと共通のコアに巻回された補助コイルＮｂには、整流用ダイオードＤ２と平滑用コンデンサＣ３が接続され、スイッチング制御回路１４は、平滑用コンデンサＣ３で平滑された電圧を電源電圧端子ＶＣＣに受けて動作するように構成されている。ダイオード・ブリッジ回路１１と電源電圧端子ＶＣＣとの間に接続された抵抗Ｒ１は、電源投入直後の、まだ補助コイルＮｂが充分な電力を供給することができない初期段階でスイッチング制御回路１４が動作できるように電源電圧を供給するために設けられている。

また、この実施形態のＡＣアダプタ１０は、ＡＣアダプタ本体Ａ内に出力電流を検出する電流検出回路１３を備え、該電流検出回路１３により検出された電流値がスイッチング制御回路１４に供給され、スイッチング制御回路１４は所定以上の電流値が検出されると過電流と判定して、上記スイッチング・トランジスタＴｒ０の駆動を停止するように構成されている。この実施形態の電源装置はトランスを使用した絶縁型、つまり一次側と二次側の基準電位が分離されているため、上記電圧検出回路１２および電流検出回路１３からのフィードバック信号は、フォトカプラＰＣ１，ＰＣ２を介してスイッチング制御回路１４へ入力されるように構成される。

さらに、この実施形態のＡＣアダプタ１０は、出力ケーブルＢ内に、ケーブルのマイナス側の端子の電位をＡＣアダプタ本体Ａ側へ伝達するための検出線Ｌ３が設けられている。そして、上記電圧検出回路１２は、この検出線Ｌ３により伝達された電圧と上記出力ケーブルのプラス側出力線Ｌ１の始端側の電圧とを入力とし、それらの電位差に応じた信号を出力する。

一方、上記電流検出回路１３は、上記検出線Ｌ３により伝達された電圧と上記出力ケーブルのマイナス側出力線Ｌ２の始端側の電圧とを入力とし、それらの電位差に応じた信号を出力する。つまり、電流検出回路１３は、出力ケーブルのマイナス側出力線Ｌ２の有する寄生抵抗Ｒｓ２を利用して、負荷ＲＬから出力線Ｌ２を介して二次側コイルＮｓに戻る電流によって出力線Ｌ２に生じる電圧降下量を検出して、電流を検出するように構成されている。そのため、電流検出用抵抗がなくても電流検出が可能であり、それによって抵抗損失を減らして変換効率を向上させることができる。

ここで、検出線Ｌ３の有する抵抗成分によって検出電圧に誤差が生じないように、上記電圧検出回路１２および電流検出回路１３には、入力がハイインピーダンスの回路が使用される。電圧検出回路１２および電流検出回路１３は、それぞれ２つの入力電圧の電位差を検出するため差動増幅回路などで構成されるが、差動増幅回路としてはこれを構成するトランジスタ（特に入力差動トランジスタ対）に、ＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）を使用した回路を使用するのが望ましい。ＭＯＳＦＥＴからなる差動増幅回路を使用することで、電圧検出回路１２および電流検出回路１３の入力をハイインピーダンスとすることができる。

また、上記のように入力がハイインピーダンスの電圧検出回路１２および電流検出回路１３を使用することで、検出線Ｌ３には電流が流れないため抵抗成分の大きい、つまり径の小さな導線を使用することが可能となり、出力ケーブル全体の径を小さくすることができる。ただし、バイポーラ・トランジスタからなる差動増幅回路を使用したとしても、入力差動トランジスタに流れ込むベース電流は、出力線Ｌ２に流れる電流に比べるとはるかに小さいので、径の細い検出線を使用したとしてもそれほど電圧制御精度が低下することはない。

なお、図１の実施形態のＡＣアダプタにおいては、上記電圧検出回路１２が、上記検出線Ｌ３により伝達された電圧と出力ケーブルのプラス側出力線Ｌ１の始端側の電圧とを入力としているため、厳密には、プラス側出力線Ｌ１の有する抵抗成分で生じる電圧降下分だけ誤差を含んだ電圧しか検出することができない。

そこで、この実施形態では、スイッチング制御回路１４内に、出力線Ｌ１の有する抵抗成分Ｒｓ１で生じる電圧降下量を演算によって算出する演算回路が設けられ、上記電圧検出回路１２により検出された電圧からこの演算回路で算出された電圧降下量を減算して実際のフィードバック電圧とし、その電圧に基いてスイッチング・トランジスタＴｒ０の駆動制御信号を生成するように構成されている。これによって、極めて精度の高い出力電圧制御が可能になり、安定した直流電圧を出力させることができるようになる。なお、演算回路は、電流検出回路１３の出力から出力線Ｌ１の電圧降下量を算出することができる。

出力ケーブルＢが同軸ケーブルの場合、プラス側出力線Ｌ１とマイナス側出力線Ｌ２は単位長さ当りの抵抗値が異なるが、使用するケーブルの長さと各導線の材質及び断面積が分かれば、プラス側出力線Ｌ１とマイナス側出力線Ｌ２の有する寄生抵抗の抵抗値を計算によって求めることができるので、上記演算回路にそのような係数値を定数として与えておくことで正確な電圧を演算させることができる。

具体的には、図１のＡＣアダプタにおける電流検出回路１３は、マイナス側出力線Ｌ２の始端側と終端側の電位差から電流を検出するものであるため、電流検出回路１３が検出した電位差は出力線Ｌ２の電圧降下量であり、その電位差と予め分かっているプラス側出力線Ｌ１とマイナス側出力線Ｌ２の抵抗比とからプラス側出力線Ｌ１の電圧降下量を計算によって求めることができる。

従って、スイッチング制御回路１４内の演算回路に、Ｌ１とＬ２の抵抗比を定数として与えておくことで正確な電圧を演算させるように構成することもできる。このような構成によれば、使用するケーブルの長さが異なるＡＣアダプタにおいても、使用する定数を変えることなくそれぞれ精度の高い出力電圧制御が可能となる。

図２には、本実施形態において使用される出力ケーブルの構造の具体例を示す。

前述したように、本実施形態においては、出力線の先端側の電位を電流検出回路１３へ伝達するための検出線Ｌ３が必要である。この検出線Ｌ３は、出力線Ｌ１とＬ２となる２本の導線を有する同軸ケーブルと別個に形成された塩化ビニールなどの絶縁材で被覆されたリード線を使用してもよいが、取り扱いが不便である。

そこで、図２に示すように、プラス側出力線Ｌ１となる芯線２１を絶縁材３１で被覆したものと並行して検出線Ｌ３となる絶縁材３２で被覆された導線２２を配設し、これらの周囲をマイナス側出力線Ｌ２となる編組線２３で囲み、さらにその周囲を絶縁材３３で囲んでなる３線式の同軸ケーブルを使用することとした。

このような構造のケーブルによれば、取り扱いが容易であるとともに、前述したように検出線Ｌ３は電圧を伝えられればよいため、その線径は芯線２１の線径に比べるとはるかに小さくすることができる。そのため、全体の径およびコストも従来の同軸ケーブルとそれほど変わりないケーブルとして形成することができる。

また、同軸ケーブルでは、出力線Ｌ２となる編組線２３の抵抗が小さいためそれにより電圧降下量は比較的小さく外部ノイズの影響を受け易いが、図２のケーブルは、検出線となる導線２２がマイナス側出力線Ｌ２となる編組線２３で囲まれた構造であるため、編組線２３がシールドと機能して、検出線Ｌ３に外部からノイズが入りにくくなる。そのため、ノイズによる誤差の少ない電流検出が可能となる。
＜実施形態２＞
図３は、本発明の第２の実施形態のＡＣアダプタを示す回路構成図である。

この実施形態のＡＣアダプタ１０は、ケーブル先端側の電位を電圧検出回路１２へ伝える一対のリモートセンシング線ＳＬ１，ＳＬ２を設けたものにおいて、電流検出用の抵抗を設けずに電流を検出できるようにしたものである。具体的には、マイナス側出力線Ｌ２の終端側の電位を伝えるリモートセンシング線ＳＬ２の電圧と、マイナス側出力線Ｌ２の始端側の電圧とを電流検出回路１３へ入力とし、出力線Ｌ２の寄生抵抗Ｒｓ２で生じる電圧降下を検出して電流を検出するようにしたものである。

この実施形態のＡＣアダプタ１０は、電流検出用の抵抗が不要であるのみならず、高精度出力電圧制御を行うＡＣアダプタでは不可欠な電圧検出用のリモートセンシング線ＳＬ２を、電流検出用の検出線として使用することができるため、冗長な構成を少なくすることができるという利点がある。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、前記実施形態では、出力線として同軸ケーブルを使用するとしたが、出力線としてツイステッドペア線のようなもの使用することも可能である。そして、ツイステッドペア線であれば、プラス側出力線Ｌ１とマイナス側出力線Ｌ２の抵抗値は同じであるため、複雑な演算回路が不要であり、電流検出回路１３が検出したマイナス側出力線Ｌ２の電圧降下量を単に２倍するだけで簡単に正確な出力電圧を算出することができる。

また、前記実施形態では、マイナス側出力線Ｌ２の抵抗成分による電圧降下を電流検出回路１３で検出するようにしているが、プラス側出力線Ｌ１の抵抗成分による電圧降下を検出するようにしてもよい。さらに、前記実施形態では、二次側の出力電圧を検出して出力電圧のフィードバック制御を行なうようにしたＡＣアダプタに適用した場合を説明したが、第１の実施形態は、補助コイルＮｂに誘起された電圧を抵抗分割したものをフィードバック電圧として使用して出力電圧の制御を行なうようなＡＣアダプタにも適用することが可能である。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるＡＣアダプタに適用した場合について説明したが、本発明はそれに限定されず、ＤＣ-ＤＣコンバータからの出力線の長さが比較的長い直流電源装置に広く利用することができる。

本発明の第１の実施形態のＡＣアダプタを示す回路構成図である。 本実施形態において使用される出力ケーブルの構造の具体例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態のＡＣアダプタを示す回路構成図である。 電流検出用抵抗を用いた電流検出回路を備えた従来のＡＣアダプタの一例を示す回路構成図である。

符号の説明

１０ ＡＣアダプタ
１１ ダイオード・ブリッジ回路
１２ 電圧検出回路
１３ 電流検出回路
１４ 制御回路
Ｔ１ トランス
Ｔｒ０ スイッチング素子
Ｌ１，Ｌ２ 出力線
Ｌ３ 検出線
Ｒｓ１，Ｒｓ２ 寄生抵抗
ＳＬ１，ＳＬ２ リモートセンシング線

Claims (5)

1. 電圧変換用のトランスと、該トランスの二次側巻線に誘起された電力を伝送する一対の出力線と、前記トランスの一次側巻線の電流を制御する制御回路とを備えた直流電源装置であって、
   前記一対の出力線のうち一方の出力線においてその抵抗成分で生じる電圧降下量を検出する検出回路を備え、
   前記制御回路は前記検出回路の検出出力に基づいて前記トランスの一次側の電流を制御するように構成されていることを特徴とする直流電源装置。
2. 電圧変換用のトランスと、該トランスの二次側に設けられた整流回路と、該整流回路で整流された電圧を伝送する一対の出力線と、前記トランスの一次側巻線の電流を制御する制御回路とを備えた直流電源装置であって、
   前記一対の出力線のうち一方の出力線の終端側の電圧を伝達する検出線と、該検出線により伝達された電圧と前記一方の出力線の始端側の電圧とを入力として電流を検出する電流検出回路とを備え、
   前記制御回路は前記電流検出回路の検出出力に基づいて前記トランスの一次側の電流を制御するように構成されていることを特徴とする直流電源装置。
3. 前記制御回路は、前記電流検出回路の検出出力に基づいて電流値が所定値以上であった場合に前記トランスの一次側巻線の電流を遮断することを特徴とする請求項２に記載の直流電源装置。
4. 電圧変換用のトランスと、該トランスの二次側に設けられた整流回路と、該整流回路で整流された電圧を伝送する一対の出力線と、前記トランスの一次側巻線の電流を制御する制御回路とを備えた直流電源装置であって、
   前記一対の出力線の終端側の電圧を伝達する一対の検出線と、
   該一対の検出線により伝達された電圧を入力とする電圧検出回路と、
   前記一対の検出線のいずれか一方の終端側の電圧および始端側の電圧を入力として電流を検出する電流検出回路と、を備え、
   前記制御回路は前記電圧検出回路の検出出力に基づいて出力電圧が一定になるように制御するとともに、前記電流検出回路の検出出力に基づいて電流値が所定値以上であった場合に前記トランスの一次側巻線の電流を遮断するように構成されていることを特徴とする直流電源装置。
5. 前記一対の出力線は、芯線とこれを囲むように設けられた編組線とを有する同軸ケーブルからなり、前記検出線は前記芯線と共に、絶縁材を介して前記編組線によって囲まれるように配置されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の直流電源装置。

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