JP2010028883A - バックアップ用直流電源装置およびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ACアダプタから入力する直流電圧によらず利用可能なバックアップ用直流電源装置およびその制御方法を提供する。
【解決手段】バックアップ用直流電源装置は、入力直流電源の供給停止時にバックアップ用直流電源を供給することができ、内部電池102と、内部電池により動作可能であり、参照電圧VREFにより制御される出力電圧Voをバックアップ用直流電源として供給するDC/DCコンバータ101と、正常時の入力直流電源に基づいて参照電圧VREFを生成する参照電圧生成部(103、210)と、入力直流電源のモニタ電圧(V1、V3)と参照電圧VREFとを比較し、その比較結果に従ってDC/DCコンバータ101の停止/起動を制御する比較部(104、211)と、を有する。
【選択図】 図1

Description

本発明はDC/DCコンバータを用いたバックアップ用直流電源装置およびその制御方法に関する。
近年、電源としてACアダプタを用いる電子機器が広く普及しているが、コンピュータや通信機器などでは停電に対する対策が不可欠である。このような対策として、ACアダプタに接続するバックアップ用直流電源装置が種々提案されている。
たとえば、特許文献1に開示されたバックアップ用直流電源装置は、負荷機器とACアダプタとの間に接続され、停電時には蓄電池からの直流電圧をDC/DCコンバータにより一定電圧に変換し負荷機器へ供給する。
特開2005−160210号公報
しかしながら、上述したバックアップ用直流電源装置は、その出力電圧がDC/DCコンバータにより固定されるので、負荷機器に使用されるACアダプタの出力電圧に合わせて設計する必要がある。このために、特許文献1に開示された構成を有するバックアップ直流電源装置は、特定のACアダプタだけに接続でき、利用範囲が極めて狭くなる。
そこで、本発明の目的は、ACアダプタから入力する直流電圧によらず利用可能なバックアップ用直流電源装置およびその制御方法を提供することにある。
本発明によるバックアップ用直流電源装置は、入力直流電源の供給停止時にバックアップ用直流電源を供給する装置であって、内部電池と、前記内部電池により動作可能であり、参照電圧により制御される出力電圧をバックアップ用直流電源として供給するDC/DCコンバータと、正常時の入力直流電源に基づいて前記参照電圧を生成する参照電圧生成手段と、前記入力直流電源のモニタ電圧と前記参照電圧とを比較し、その比較結果に従って前記DC/DCコンバータの停止/起動を制御する比較手段と、を有することを特徴とする。
本発明によるバックアップ用直流電源装置は、ACアダプタからの入力する直流電圧によらず利用可能となる。
1.第1実施形態
1.1)構成
図1は本発明の第1実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。バックアップ用直流電源装置10の入力電圧VINはACアダプタ10から入力し、出力電圧VOUTは負荷装置12へ出力される。負荷装置12は、ACアダプタ10に接続して使用される携帯電話機、携帯情報通信端末、その他電子機器である。
バックアップ用直流電源装置10には、制御部100、DC/DCコンバータ101および電池102が設けられている。後述するように、制御部100はDC/DCコンバータ101を制御し、停電等による電源断によりDC/DCコンバータ101を起動する。
DC/DCコンバータ101は、電池102から供給される入力電圧Viを出力電圧Voに変換するが、出力電圧Voは固定ではなく参照電圧VREFに応じて変化する。一般的なDC/DCコンバータは内部に出力電圧の基準となるリファレンス電圧を持っており、DC/DCコンバータの出力電圧を分圧してフィードバックし、出力電圧を制御している。本実施形態では、このリファレンス電圧を参照電圧VREFとしてDC/DCコンバータの外部より入力し、出力電圧Voの可変制御に利用したものである。また、DC/DCコンバータ101は、制御電圧V4のハイレベル/ローレベルに依存して起動(ON)/停止(OFF)する。さらに、DC/DCコンバータ101は、出力電圧をモニタするフィードバック電圧VFBによって出力電圧Voを安定化する。
ACアダプタ10から入力する入力電圧VINは、抵抗R1およびR2により分圧され、分圧電圧V1がモニタ電圧として電圧保持器103に保持される。電圧保持器103は、スイッチSWが閉じられたタイミングでモニタ電圧V1を取り込んで保持するキャパシタなどの回路素子を用いることができる。スイッチSWは手動により操作されてもよいが、所定周期で自動的に閉じられるように構成することもできる。
電圧保持器103は参照電圧を生成する回路であり、その出力電圧V2は、比較器104の非反転(+)入力端子に印加され、参照電圧VREFとしてDC/DCコンバータ101に印加される。また、比較器104の反転(−)入力端子には、入力電圧VINが抵抗R3およびR4により分圧されたモニタ電圧V3が印加される。したがって、比較器104は、モニタ電圧V3が保持電圧V2より高いときにはローレベルの制御電圧V4を、低いときにはハイレベルの制御電圧V4をそれぞれDC/DCコンバータ101へ出力する。ここでは、比較器104の出力である制御電圧V4がローレベルの時にDC/DCコンバータ101は停止状態(OFF)、ハイレベルの時に動作状態(ON)になるものとする。DC/DCコンバータ101が起動する時のモニタ電圧V3と保持電圧V2との電位差は抵抗R1〜R4の抵抗値を選択することにより設定することができる。
ACアダプタ10から入力する入力電圧VINが正常であれば、ダイオードD1を通してそのまま出力電圧VOUTとして負荷装置12へ供給される。入力電圧VINが低下すると、後述するように、DC/DCコンバータ101が起動され、その出力電圧VoがダイオードD2を通して出力電圧VOUTとして負荷装置12へ供給される。この出力電圧Voは抵抗R5およびR6により分圧され、その分圧電圧がフィードバック電圧VFBとしてDC/DCコンバータ101へ戻る。
なお、ダイオードD1およびD2は、入力電圧VINあるいはDC/DCコンバータ101の出力電圧Voがそれぞれ逆流しないように阻止することができる。すなわち、ダイオードD1は、入力電圧VINがグランドレベルであるときに、動作中のDC/DCコンバータ101の出力電圧Voが制御部100へ逆流しないように阻止する。
1.2)動作
図2は図1に示すバックアップ用直流電源装置の動作を説明するための電圧波形図である。まず、ACアダプタ10から入力する入力電圧VINが正常であれば、ダイオードD1の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧VOUTとして負荷装置12へ供給される(図2(E)参照)。その際、ACアダプタモニタ電圧V1が電圧保持器103に印加される(図2(A)参照)。そして、スイッチSWを閉じるタイミングで、電圧保持器103は、そのときの電圧V1を保持電圧V2として保持する。
入力電圧VINが正常であれば、モニタ電圧V3は保持電圧V2よりも高い状態にあるので(図2(B)参照)、比較器104からはローレベルの制御電圧V4がDC/DCコンバータ101へ出力され、DC/DCコンバータ101は停止状態(OFF)にある(図2(C)参照)。
ある時点T1において停電などにより電源断となり入力電圧VINが低下したとする。これに従ってモニタ電圧V3も低下し、時点T2において、モニタ電圧V3が保持電圧V2より下回ると比較器103の出力がハイレベルに立ち上がる(図2(B)、(C)参照)。これによりDC/DCコンバータ101が起動され、参照電圧VREFに従った出力電圧Voを出力し、それがダイオードD2の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧VOUTとして負荷装置12へ供給される。DC/DCコンバータ101は、電圧保持器103の保持電圧V2がそのまま参照電圧VREFとして入力しているので、正常時の入力電圧VINと同じ電圧の出力電圧Voを出力することができる(図2(E)参照)。
時点T3において停電が復旧し、ACアダプタ10から入力する入力電圧VINが立ち上がり始めたとすると、これに従ってモニタ電圧V3も上昇する。時点T4において、モニタ電圧V3が保持電圧V2より高くなると、比較器103の出力がハイレベルからローレベルに立ち下がり、これによりDC/DCコンバータ101が停止する。そして、正常時と同様に、入力電圧VINがダイオードD1を通して出力電圧VOUTとして負荷装置12へ供給される。
このようにして、本実施形態では、スイッチSW操作時の保持電圧V2を基準として、DC/DCコンバータ101の出力電圧Voを制御しているので、ACアダプタ11の出力電圧が低下した場合でも、DC/DCコンバータ101から正常時と同じ出力電圧Voを負荷装置12に供給することができる。また、ACアダプタ11の出力電圧が正常に復帰した場合には、DC/DCコンバータ101は停止するので、電池102の不要な消耗が回避される。
1.3)効果
上述したように、本実施形態によるバックアップ用直流電源装置は、入力電圧VINによりバックアップ時の電圧Voが決定されるので、出力電圧の異なる別のACアダプタにも共通に使用可能となり、利用範囲が広くなる。
また、入力電圧VINから得られた保持電圧V2およびモニタ電圧V3により比較器104を動作させるので、バックアップのタイミングおよび正常復帰によるバックアップ停止のタイミングをACアダプタの出力電圧にかかわらず自動で設定可能である。
さらに、正常動作時は、DC/DCコンバータ101の動作が停止することにより電池102の消耗を防止することができる。
2.第2実施形態
2.1)構成
図3は本発明の第2実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。ただし、図1に示す回路と同一機能を有する回路要素には同一参照番号あるいは参照符号を付して説明は省略する。本実施形態における制御部200は、図1に示す第1実施形態における制御部100と異なる。
本実施形態によれば、制御部200はAD(Analog-to-Digital)変換器201、マイクロコントローラ202およびDA(Digital-to-Analog)変換器203を有し、ACアダプタモニタ電圧V1は所定のサンプリング周期でAD変換器201によりデジタル信号に変換され、そのサンプル値がマイクロコントローラ202へ出力される。
マイクロコントローラ202は、デジタル回路あるいはプログラムを実行するCPU等のプログラム制御プロセッサであり、主な機能として平均化処理部210および比較部211を有する。平均化処理部210は、所定サンプリング周期で入力するACアダプタモニタ電圧V1のサンプル値を用いてその平均値を求め、DA変換器203へ出力する。DA変換器203は、ACアダプタモニタ電圧V1の平均値をアナログ信号に変換し、上述した参照電圧VREFとしてDC/DCコンバータ101へ出力する。ここでは、平均化処理部210およびDA変換器203が参照電圧生成回路に相当する。
また、比較部211は、AD変換器201から出力されたある時点のサンプル値と、平均化処理部210により生成あれた平均値とを比較し、その比較結果を制御電圧V4としてDC/DCコンバータ101へ出力する。以下、マイクロコントローラ202の動作を詳細に説明する。
2.2)動作
図4は本発明の第2実施形態によるバックアップ用直流電源装置の制御方法を示すフローチャートである。まず、制御部200は、安定化フラグFLAGなどのパラメータを初期化し(ステップS301)、AD変換器201を動作させる。AD変換器201は、その時点のACアダプタモニタ電圧V1をサンプリングし、サンプル値VSMPをマイクロコントローラ202へ出力する(ステップS302)。
続いて、マイクロコントローラ202は、安定化FLAGが1であるか否かを判定する(ステップS303)。安定化FLAG≠1であれば(ステップS303:NO)、比較部211は、平均化処理部210により得られた平均値VAVRと現在のサンプル値VSMPとを比較し、VAVR−VSMPが所定の電位差Δ1以上であるか否かを判定する(ステップS304)。
AVR−VSMPが所定の電位差Δ1未満の場合、すなわち現在のサンプル値VSMPが平均値VAVRに比べて実質的に低下していない場合(ステップS304:NO)、比較部211はローレベルをDC/DCコンバータ101に出力し、これによってDC/DCコンバータ101は停止状態(OFF)を維持する(ステップS305)。すなわち、ACアダプタ10から入力する入力電圧VINは正常であるから、ダイオードD1の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧VOUTとして負荷装置12へ供給される。
一方、平均化処理部210は、現在のサンプル値VSMPを入力すると、それまでの平均値VAVRと現在のサンプル値VSMPとを用いて平均値を更新する(ステップS306)。比較部211は、この更新された平均値VAVRと現在のサンプル値VSMPとを比較し、|VAVR−VSMP|が所定の電位差Δ2以下であるか否かを判定する(ステップS307)。|VAVR−VSMP|が所定の電位差Δ2以下であれば(ステップS307:YES)、安定化FLAGを“1”にセットし(ステップS308)、|VAVR−VSMP|>Δ2であれば(ステップS307:NO)、安定化FLAGを“0”にリセットする(ステップS309)。そして、平菊花処理部210は、平均値VAVRをDA変換器203へ出力して、上述した参照電圧VREFとしてDC/DCコンバータ101へ出力する(ステップS310)。そして、マイクロコントローラ202の制御はステップS302へ戻り、次のサンプリングによりサンプル値を入力する。
ステップS308において、安定化FLAGが“1”にセットされた場合は、サンプル値が平均値から大きく外れていない安定状態にあると判断できるので、ステップS303においてステップ304をスキップし(ステップS303:YES)、DC/DCコンバータ101の停止状態(OFF)を維持する(ステップS305)。
逆に、ステップS307において|VAVR−VSMP|>Δ2となり、安定化FLAGが“0”にリセットされた場合は、サンプル値が平均値から大きく外れた状態にあると判断できるので、ステップ304を実行する。このステップ304においても、VAVR−VSMPが所定の電位差Δ1以上であれば、現在のサンプル値VSMPが平均値VAVRに比べて実質的に低下していると判断され(ステップS304:YES)、比較部211はハイレベルをDC/DCコンバータ101に出力し、これによってDC/DCコンバータ101は起動(ON)される(ステップS311)。その際、平均化処理部210で計算された平均値VAVRは、参照電圧VREFとしてDC/DCコンバータ101へ出力されているので(ステップS310)、DC/DCコンバータ101の出力電圧VoはACアダプタ10が正常時の入力電圧VINと等しい電圧となる。このDC/DCコンバータ101の出力電圧VoがダイオードD2の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧VOUTとして負荷装置12へバックアップ供給される。
安定化FLAGを“0”の状態で入力電圧VINが正常状態に復旧すると、マイクロコントローラ202はステップ304を実行する。VAVR−VSMPが所定の電位差Δ1未満であれば、すなわち現在のサンプル値VSMPが平均値VAVRの近くに復旧している場合(ステップS304:NO)、比較部211はローレベルをDC/DCコンバータ101に出力し、これによってDC/DCコンバータ101は停止(OFF)する(ステップS305)。したがって、復旧した入力電圧VINは、ダイオードD1の電圧降下分だけで、ほぼそのまま出力電圧VOUTとして負荷装置12へ供給される。また、|VAVR−VSMP|が所定の電位差Δ2以下であれば(ステップS307:YES)、安定化FLAGが“1”にセットされ(ステップS308)、以後ステップS304はスキップされる。
2.3)効果
本発明の第2実施形態によれば、上述した第1実施形態と同様の効果を得ることができると共に、所定のサンプリング周期でサンプル値が自動的に取り込まれるので、ACアダプタ10の出力を常時モニタすることが可能となる。
3.第3実施形態
図5は本発明の第3実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。ただし、図1および図2に示す回路と同一機能を有する回路要素には同一参照番号あるいは参照符号を付して説明は省略する。
本実施形態によるバックアップ用直流電源装置は、電池102の代わりに二次電池401を用い、これを充電する充電回路402を設けた点が異なる。充電回路402は、入力電圧VINを用いて二次電池401を充電するので、入力電圧VINが正常であるときに二次電池401を充電することができ、効率的な利用が可能となる。
本発明は携帯電話機などの小型通信機器のACアダプタに接続して利用することができる。
本発明の第1実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。 図1に示すバックアップ用直流電源装置の動作を説明するための電圧波形図である。 本発明の第2実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。 本発明の第2実施形態によるバックアップ用直流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3実施形態によるバックアップ用直流電源装置の構成を回路図である。
符号の説明
10 バックアップ用直流電源装置
11 ACアダプタ
12 負荷装置
100 制御部
101 DC/DCコンバータ
102 電池
103 電圧保持器
104 比較器
200 制御部
201 AD変換器
202 マイクロコントローラ
203 DA変換器
210 平均化処理部
211 比較部

Claims (14)

  1. 入力直流電源の供給停止時にバックアップ用直流電源を供給する装置であって、
    内部電池と、
    前記内部電池により動作可能であり、参照電圧により制御される出力電圧をバックアップ用直流電源として供給するDC/DCコンバータと、
    正常時の入力直流電源に基づいて前記参照電圧を生成する参照電圧生成手段と、
    前記入力直流電源のモニタ電圧と前記参照電圧とを比較し、その比較結果に従って前記DC/DCコンバータの停止/起動を制御する比較手段と、
    を有することを特徴とするバックアップ用直流電源装置。
  2. 前記比較手段は、前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が所定値以上になった時に前記DC/DCコンバータを起動することを特徴とする請求項1に記載のバックアップ用直流電源装置。
  3. 前記比較手段は、前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が前記所定値以上から所定値未満になった時に前記DC/DCコンバータを停止することを特徴とする請求項2に記載のバックアップ用直流電源装置。
  4. 前記参照電圧生成手段は、前記入力直流電源を周期的にモニタして得られたモニタ電圧を平均し、その平均値を前記参照電圧として出力することを特徴とする請求項1−3のいずれか1項に記載のバックアップ用直流電源装置。
  5. 前記参照電圧生成手段は、正常時の入力直流電源のモニタ電圧を保持し前記参照電圧として出力することを特徴とする請求項1−3のいずれか1項に記載のバックアップ用直流電源装置。
  6. 前記内部電池は二次電池であり、前記二次電池を充電するための充電手段を更に有し、前記充電手段は、前記入力直流電源から電源を供給されることを特徴とする請求項1−53のいずれか1項に記載のバックアップ用直流電源装置。
  7. 入力直流電源の供給停止時にバックアップ用直流電源を供給する装置の制御方法であって、
    正常時の入力直流電源に基づいて参照電圧を生成し、
    前記入力直流電源のモニタ電圧と前記参照電圧とを比較し、その比較結果に従って停止/起動制御信号を生成し、
    内部電池により動作可能なDC/DCコンバータの出力電圧を前記参照電圧により制御してバックアップ用直流電源として出力し、前記DC/DCコンバータの動作を前記停止/起動制御信号により制御する、
    ことを特徴とするバックアップ用直流電源装置の制御方法。
  8. 前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が所定値以上になった時に前記DC/DCコンバータを起動することを特徴とする請求項7に記載のバックアップ用直流電源装置の制御方法。
  9. 前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が前記所定値以上から所定値未満になった時に前記DC/DCコンバータを停止することを特徴とする請求項8に記載のバックアップ用直流電源装置の制御方法。
  10. 前記入力直流電源を周期的にモニタして得られたモニタ電圧を平均し、その平均値を前記参照電圧として用いることを特徴とする請求項7−9のいずれか1項に記載のバックアップ用直流電源装置の制御方法。
  11. 正常時の入力直流電源のモニタ電圧を保持し前記参照電圧として用いることを特徴とする請求項7−9のいずれか1項に記載のバックアップ用直流電源装置の制御方法。
  12. 入力直流電源の供給停止時にバックアップ用直流電源を供給する装置の制御を行う制御部としてコンピュータを機能させるプログラムであって、
    正常時の入力直流電源に基づいて参照電圧を生成する機能と、
    前記入力直流電源のモニタ電圧と前記参照電圧とを比較し、その比較結果に従って停止/起動制御信号を生成する機能と、
    内部電池により動作可能なDC/DCコンバータの出力電圧を前記参照電圧により制御してバックアップ用直流電源として出力し、前記DC/DCコンバータの動作を前記停止/起動制御信号により制御する機能と、
    を有することを特徴とするバックアップ用直流電源装置の制御プログラム。
  13. 前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が所定値以上になった時に前記DC/DCコンバータを起動することを特徴とする請求項12に記載のバックアップ用直流電源装置の制御プログラム。
  14. 前記参照電圧に比べて前記入力直流電源のモニタ電圧の低下幅が前記所定値以上から所定値未満になった時に前記DC/DCコンバータを停止することを特徴とする請求項13に記載のバックアップ用直流電源装置の制御プログラム。
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