JP2010158098A - 電源ユニットおよび電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定格電流に対して小さい出力電流時でも電源ユニットを高い効率で運用することができる電源ユニットおよび電子装置を提供する。
【解決手段】電源ユニット１０１において、電源ユニット１０１が要求する定格電流よりも小さい定格電流の電源モジュール１１，１２，１３を並列動作して要求する定格電流を満たすように実装する。並列動作する各電源モジュール１１，１２，１３の効率が高くなる負荷率の範囲内で各電源モジュール１１，１２，１３が動作するように、電源ユニット１０１の出力電流に対応させて電源モジュール１２，１３のパワーオン／パワーオフを制御し、パワーオフの際には、電源モジュール１２，１３への電源の供給を停止させる制御回路５００を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部に複数の並列出力をする電源モジュールを持つ電源ユニットおよび単一出力もしくは複数出力を持つ電源ユニットを含む電子装置に関し、特に、出力電流が小さい場合での高効率化に関するものである。

電源モジュールおよび電源モジュールを持つ電源ユニットには、入力電圧から出力電圧に変換する際の変換効率が存在する。この効率ρは、以下の（１）式のように入力電力ＰＩＮと出力電力ＰＯＵＴで表現される。

ρ＝ＰＯＵＴ／ＰＩＮ …（１）
入力電力ＰＩＮは、以下の式（２）のように出力電力ＰＯＵＴと電源モジュールおよび電源ユニットでの全体の損失Ｐｌｏｓｓの和で表現できる。

ＰＩＮ＝ＰＯＵＴ＋Ｐｌｏｓｓ …（２）
そして、全体の損失Ｐｌｏｓｓは、以下の式（３）のように無負荷損失Ｗ１と負荷損失Ｗ２の和である。

Ｐｌｏｓｓ＝Ｗ１＋Ｗ２ …（３）
電源モジュールおよび電源ユニットの定格電力をＰｒａｔｅ、定格の出力電流をＩｒａｔｅ、出力電圧をＶ、そして定格電流に対する出力電流の負荷率をＮとすると、ＰＯＵＴは、以下の式（４）のように表現できる。

ＰＯＵＴ＝Ｖ×Ｎ×Ｉｒａｔｅ＝Ｎ×Ｐｒａｔｅ …（４）
また、無負荷損失Ｗ１は定格電力に対する無負荷損失の割合αを用いて、以下の式（５）のように表現でき、負荷損失Ｗ２は負荷率Ｎと定格電力に対する負荷損失の割合βを用いて、以下の式（６）のように表現できる。

Ｗ１＝α×Ｐｒａｔｅ …（５）
Ｗ２＝β×Ｎ² ×Ｐｒａｔｅ …（６）
式（２），式（３），式（４），式（５），式（６）を用いて、式（１）は、以下の式（７）のように変換できる。

ρ＝ＰＯＵＴ／ＰＩＮ
＝ＰＯＵＴ／（ＰＯＵＴ＋Ｐｌｏｓｓ）
＝ＰＯＵＴ／（ＰＯＵＴ＋Ｗ１＋Ｗ２）
＝（Ｎ×Ｐｒａｔｅ）
／（Ｎ×Ｐｒａｔｅ＋α×Ｐｒａｔｅ＋β×Ｎ² ×Ｐｒａｔｅ）
＝１／（１＋α／Ｎ＋β×Ｎ）…（７）
式（７）より、効率ρが低くなる要因として、負荷率Ｎが小さい場合には無負荷損失の定格電力の割合を用いている項α／Ｎが大きいことが挙げられる。そして負荷率Ｎが大きい場合には負荷損失の定格電力の割合を用いている項β×Ｎが大きいことが挙げられる。

すなわち、負荷率Ｎ，定格電力に対する無負荷損失の割合α，そして定格電力に対する負荷損失の割合βを対策すれば効率ρは高くなる。

実際の電子装置では、電源の冗長化により、各電源モジュールおよび各電源ユニットの出力電流は定格電流に対して小さく、電子装置の各電源モジュールおよび各電源ユニットは効率が低い状態で使用されている。

従来、電源ユニットの高効率を実現する技術として、例えば、特開２００６−３３１０８０号公報（特許文献１）などでは、出力電流の大きさによりシリーズレギュレータとＤＣ−ＤＣコンバータ（スイッチングレギュレータ）を切り替える方法が提案されている。

これは、出力電流が小さい場合では負荷率が小さく、ＤＣ−ＤＣコンバータがスイッチング回路やトランスでの無負荷損失の割合が負荷率に比べ相対的に大きく、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率が低いので、シリーズレギュレータを使用し、出力電流が大きい場合にはＤＣ−ＤＣコンバータの方がシリーズレギュレータよりも効率は高くなるので、ＤＣ−ＤＣコンバータが使用する。このようにシリーズレギュレータとＤＣ−ＤＣコンバータを切り替えることにより、出力電流が小さい場合の低効率化を対策している。

また、例えば、特開平１１−５５９４４号公報（特許文献２）などでは、電源モジュールのスイッチング損失自体を下げることにより、負荷損失を低減させる方法も提案されている。
特開２００６−３３１０８０号公報 特開平１１−５５９４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、シリーズレギュレータの定格電流が小さいため、シリーズレギュレータの定格に対して定格電流が大きな電源ユニットでは，ＤＣ−ＤＣコンバータに切り替わるまでの領域が小さく、効果が低いという問題があった。

また、特許文献２に記載のもののように、電源モジュールのスイッチング損失自体を下げることにより、負荷損失を低減させる方法では、負荷損失を低減させることにより全体的に効率を上げているが、出力電流に対する効率の特性自体の変更は無いので、定格電流に対して出力電流が小さい場合には効率が低いという問題があった。

そこで、本発明の目的は、定格電流に対して小さい出力電流時でも電源ユニットを高い効率で運用することができる電源ユニットおよび電子装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。

すなわち、代表的なものの概要は、電流検出器からの電流検出値の情報が入力され、電流検出値の情報に基づいて、起動中の電源モジュールの１台当たりの出力電流を確認し、出力電流に対する電源モジュールの１台当たりの効率の情報に基づいて、電源モジュールの１台当たりの効率が予め設定された範囲に入るように、複数の電源モジュールをパワーオンさせるパワーオン信号の出力を制御し、パワーオン信号の出力状態に連動して、給電切り替えスイッチへのオン信号の出力を制御する制御回路とを備えたものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。

すなわち、代表的なものによって得られる効果は、出力電流が小さい場合でも高い効率で電源ユニット、または電子機器を使用でき、その結果、省電力となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
図１により、本発明の実施の形態１に係る電源ユニットの構成について説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る電源ユニットの構成を示す構成図である。

電源ユニット１０１は、電源モジュール１１，１２，１３、電源モジュール１１，１２，１３からの出力電流を検出する電流検出器２０、電源モジュール１２，１３への給電を切り替える給電切り替えスイッチ３２，３３、および電流検出器２０からの電流検出値の情報が入力され、電源モジュール１１，１２，１３へのパワーオン信号、給電切り替えスイッチ３２，３３へのオン信号を制御する制御回路５００を備えている。

電源モジュール１１，１２，１３は、トランス４１，４２，４３、スイッチング回路８１，８２，８３、および整流回路９１，９２，９３から構成されるスイッチングレギュレータである。

また、電源ユニット１０１は単一のＤＣ入力２００とＤＣ出力３００を持ち、制御回路５００は電流検出器２０の出力電流検出値および電源ユニット１０１の外部からの信号８００に対応して、電源モジュール１１，１２，１３をパワーオン／パワーオフさせるパワーオン信号５１，５２，５３、およびスイッチ３２，３３をオン／オフさせるオン信号６２，６３を出力することにより、各種処理を行うための電子回路などの負荷４００に電源を供給する。

この負荷４００となる電子回路と電源ユニット１０１で電子装置を構成している。

次に、図２および図３により、本発明の実施の形態１に係る電源ユニットの動作について説明する。図２は本発明の実施の形態１に係る電源ユニットの電源モジュールの１台での出力電流に対する効率の特性の一例を示す図、図３は本発明の実施の形態１に係る電源ユニット全体での出力電流に対する効率の特性の一例を示す図であり、実線は、本実施の形態の電源ユニット１０１の特性であり、破線は、比較例として従来の電源モジュール１台で構成される電源ユニットの特性を示している。

まず、ＤＣ入力２００からの入力電圧が給電されると、制御回路５００からのパワーオン信号５１により、電源モジュール１１が最初にパワーオンする。

そして、制御回路５００は、電流検出器２０で検出するＤＣ出力３００への出力電流が電源モジュール１１の定格電流に到達する前に、スイッチ３２のオン信号６２を出力して、電源モジュール１２のパワーオン信号５２を出力し、電源モジュール１２をパワーオンさせる。

同様に、電源モジュール１２がパワーオンした後で出力電流が電源モジュール１１と１２の２台分の定格電流に到達する前に、スイッチ３３のオン信号６３を出力して、電源モジュール１３のパワーオン信号５３を出力し、電源モジュール１３をパワーオンさせる。

そして、電流検出器２０が電源モジュール１１の定格電流未満となる特定の出力電流を検出すれば、制御回路５００は、電源モジュール１２，１３は不要と判断し、パワーオン信号５２，５３の出力を停止して、スイッチのオン信号６２，６３の出力を停止し、電源モジュール１２，１３をパワーオフさせる。

電源モジュール１２，１３のパワーオン／パワーオフに合わせてスイッチ３２，３３のオン／オフを切り替えることにより、電源モジュール１２，１３が動作していない場合でも、トランス４２，４３やスイッチング回路８２，８３で生じる無負荷損失を無しにしている。

なお、この例では、電流検出器２０により検出された出力電流により、電源モジュール１２，１３をパワーオフさせているが、電流検出器２０により検出された出力電流により、電源モジュール１３をパワーオフさせた後、さらに出力電流が下がったら電源モジュール１２をパワーオフさせるようにしてもよい。

図２に示すように、電源モジュールの出力電流に対する効率の特性としては、出力電流が小さい場合では、負荷率に対して無負荷損失が大きいため効率は低い。そして電源モジュールの定格電流に近い高出力電流の場合では、負荷損失が大きくなるので、最大効率に対して低くなっている。

図２に示す例では、高効率の出力電流の範囲を図２の７１で示す設定値から図２の７２で示す設定値の間と定義している。図２の７１で示す設定値は高効率となる出力電流の下限値であり、図２の７２で示す設定値は高効率となる出力電流の上限値である。電源ユニット１０１において、電源モジュールが高効率の範囲で使用されるように電源モジュール１２，１３のパワーオン信号５２，５３の出力タイミングを設定している。

このように、電源モジュール１２の出力タイミングを、電源モジュール１１が高効率となる出力電流の上限値となる図２の７２で示す設定値の出力電流値とし、電源モジュール１３の出力タイミングを、電源モジュール１１，１２のそれぞれが高効率となる出力電流の上限値となる図２の７２で示す設定値の出力電流値とした。

また、電源モジュール１２がパワーオンした直後の電源モジュール１１，１２のそれぞれの出力電流値は、例えば、図２の７１で示す設定値の出力電流値の近辺の電流値になるようにすることにより、電源モジュール１２がパワーオンした直後においても、高効率の状態を保つことができ、また、電源モジュール１３がパワーオンした場合も同様に制御することにより、例えば図３に示すように、広範囲の出力電流において高効率の状態を保つことができる。

特に、従来の電源モジュール１台で構成される電源ユニットの場合と比べて、小さい出力電流、すなわち低負荷時の効率をより改善することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１において、電源ユニットの入力をＡＣ入力とし、ＡＣ入力をＤＣ高圧電位に変換するＡＣ−ＤＣコンバータを設けたものである。

図４により、本発明の実施の形態２に係る電源ユニットの構成について説明する。図４は本発明の実施の形態２に係る電源ユニットの構成を示す構成図である。

図４において、電源ユニット１０２は、実施の形態１と同様に電源モジュール１１，１２，１３、電流検出器２０，給電切り替えスイッチ３２，３３、制御回路５００から構成されている。

そして、図４においては、図１に示す本実施の形態１に対して、電源ユニット１０２の入力はＡＣ入力７００となっており、電源モジュール１１，１２，１３とＡＣ入力７００の間にはＡＣ−ＤＣコンバータ６００を挿入している。

そして、ＡＣ−ＤＣコンバータ６００にてＡＣ入力７００のＡＣ電圧はＤＣ高圧電位に変換され、電源モジュール１１，１２，１３に入力される。

その他の電源モジュール１１，１２，１３の構成や、制御回路５００により、電源ユニット１０２の出力電流に対応して、電源モジュール１２，１３をそれぞれパワーオン／パワーオフさせる動作は実施の形態１と同様である。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、広範囲の出力電流において高効率の状態を保つことができる。

（実施の形態３）
実施の形態３は、実施の形態１において、２つのＤＣ出力があり、それぞれのＤＣ出力で電源モジュールのパワーオン／パワーオフ制御を行うようにしたものである。

図５により、本発明の実施の形態３に係る電源ユニットの構成について説明する。図５は本発明の実施の形態３に係る電源ユニットの構成を示す構成図である。

図５において、電源ユニット１０３は、２つのＤＣ出力３０１，３０２を有し、電源モジュール（ＰＭＯＤ）１００１，１００２，１００３，１００４，１００５、電流検出器２１，２２、給電切り替えスイッチ３００２，３００４，３００５、および制御回路５０２を備えている。

２つのＤＣ出力３０１，３０２には、それぞれ負荷４０１，４０２が接続され、負荷４０１，４０２へ電源を供給する。

電源モジュール（ＰＭＯＤ）１００１，１００２，１００３，１００４，１００５は、実施の形態１と同様のトランス、スイッチング回路、整流回路から構成されるスイッチングレギュレータである。

図５の５００１，５００２はＤＣ出力３０１側のパワーオン信号であり、図５の５００３，５００４，５００５はＤＣ出力３０２側のパワーオン信号である。

スイッチ３００２，３００４，３００５をオン／オフさせるオン信号は、それぞれ図５の６００２，６００４，６００５である。

本実施の形態では、ＤＣ出力３０１，ＤＣ出力３０２それぞれの出力電流に対応して、ＤＣ出力３０１，ＤＣ出力３０２のそれぞれに接続されている電源モジュールのパワーオン／パワーオフおよび給電切り替えスイッチのオン／オフを切り替えることにより、それぞれの出力電流が小さい場合でも電源ユニットとして高効率の状態を保つことができる。

なお、図５に示す例では、出力が２つの場合を示したが、２つ以上の複数出力の場合でも、電源モジュール，給電切り替えスイッチ，電流検出器を追加していけば、同様の動作を行うことができる。

（実施の形態４）
実施の形態４は、実施の形態１において、電流検出器２０を入力側に設け、入力電流を検出するようにしたものである。

図６により、本発明の実施の形態４に係る電源ユニットの構成について説明する。図６は本発明の実施の形態４に係る電源ユニットの構成を示す構成図である。

図６において、電源ユニット１０４は、電源モジュール１１，１２，１３、電流検出器２０、給電切り替えスイッチ３２，３３、および制御回路５０３から構成されている。電源モジュール１１，１２，１３は、図１に示す実施の形態１と同様のトランスやスイッチング回路，整流回路から構成されるスイッチングレギュレータである。

そして、図６においては、図１に示す本実施の形態１に対して、電流検出器２０を入力側に設けており、それ以外の構成は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態では、実施の形態１に対して、電流の検出をＤＣ出力３００で行わず、ＤＣ入力２００の入力電流で行っている。

制御回路５０３は、図１に示す実施の形態１の制御回路５００に対して、並列運転する電源モジュール１１，１２，１３の出力電流に対する入力電流の特性を認識しており、入力電流量により、実施の形態１と同様に電源モジュール１２，１３のパワーオン／パワーオフ、給電切り替えスイッチのオン／オフを切り替えることにより、出力電流が小さい場合でも電源ユニットとして高効率の状態を保つことができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の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、実施の形態１では、電流検出器２０を電源ユニットのＤＣ出力３００に１個実装した構成としているが、各電源モジュールそれぞれの出力に実装し、制御回路５００にて各電源モジュールの出力電流の和を計算して電源ユニットの出力電流として制御を行っても構わない。

また、実施の形態１〜４では、電子回路などの負荷へ電源を供給している例で説明したが、電源ユニットを備えた電子装置として電源が必要な他の装置、デバイスなどの負荷に電源を供給してもよい。

また、電子装置としては、実施の形態１〜４で説明した電源ユニットを備え、その電源ユニットからの電源で動作する機器などを備えたものであれば、どのような電子装置においても、広範囲の消費電力の範囲、特に低消費電力時において高効率の状態を保つことができる。

本発明は、内部に複数の並列出力をする電源モジュールを持つ電源ユニットおよび単一出力もしくは複数出力を持つ電源ユニットを含む電子装置に広く適用可能である。

本発明の実施の形態１に係る電源ユニットの構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る電源ユニットの電源モジュールの１台での出力電流に対する効率の特性の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る電源ユニット全体での出力電流に対する効率の特性の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電源ユニットの構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態３に係る電源ユニットの構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態４に係る電源ユニットの構成を示す構成図である。

符号の説明

１１，１２，１３，１００１，１００２，１００３，１００４，１００５…電源モジュール、２０，２１，２２…電流検出器、３２，３３，３００２，３００４，３００５…給電切り替えスイッチ、４１，４２，４３…トランス、５１，５２，５３，５００１，５００２，５００３，５００４，５００５…パワーオン信号、６２，６３，６００２，６００４，６００５…オン信号、７１，７２…出力電流の設定値、８１，８２，８３…スイッチング回路、９１，９２，９３…整流回路、１０１，１０２、１０３，１０４…電源ユニット、２００…ＤＣ入力、３００，３０１，３０２…ＤＣ出力、４００，４０１，４０２…負荷、５００，５０２，５０３…制御回路、６００…ＡＣ−ＤＣコンバータ、７００…ＡＣ入力、８００…外部信号。

Claims (4)

1. 複数の電源モジュールと、
   前記複数の電源モジュールへの給電を切り替える給電切り替えスイッチと、
   前記複数の電源モジュールへの入力電流または前記複数の電源モジュールからの出力電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器からの電流検出値の情報が入力され、前記電流検出値の情報に基づいて、起動中の前記電源モジュールの１台当たりの出力電流を確認し、前記出力電流に対する前記電源モジュールの１台当たりの効率の情報に基づいて、前記電源モジュールの１台当たりの効率が予め設定された範囲に入るように、前記複数の電源モジュールをパワーオンさせるパワーオン信号の出力を制御し、前記パワーオン信号の出力状態に連動して、前記給電切り替えスイッチへのオン信号の出力を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする電源ユニット。
2. 請求項１記載の電源ユニットにおいて、
   前記電源ユニットは、複数の出力系統を持ち、
   前記電流検出器は、前記複数の出力系統のそれぞれの出力電流を検出し、
   前記制御回路は、前記電流検出器から入力された前記複数の出力系統毎の電流検出値の情報に基づいて、前記出力系統毎に、起動中の前記電源モジュールの１台当たりの出力電流を確認し、前記出力電流に対する前記電源モジュールの１台当たりの効率の情報に基づいて、前記電源モジュールの１台当たりの効率が予め設定された範囲に入るように、前記複数の電源モジュールをパワーオンさせる前記パワーオン信号の出力を制御し、前記パワーオン信号の出力状態に連動して、前記給電切り替えスイッチへのオン信号の出力を制御することを特徴とする電源ユニット。
3. 複数の電源モジュールと、
   前記複数の電源モジュールへの給電を切り替える給電切り替えスイッチと、
   前記複数の電源モジュールへのそれぞれの入力電流または前記複数の電源モジュールからのそれぞれの出力電流を検出する複数の電流検出器と、
   前記複数の電流検出器からの電流検出値の情報が入力され、前記電流検出値の情報に基づいて、起動中の前記電源モジュールのそれぞれの出力電流を確認し、前記出力電流に対する前記電源モジュールの効率の情報に基づいて、前記電源モジュールの効率が予め設定された範囲に入るように、前記複数の電源モジュールをパワーオンさせるパワーオン信号の出力を制御し、前記パワーオン信号の出力状態に連動して、前記給電切り替えスイッチへのオン信号の出力を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする電源ユニット。
4. 複数の電源モジュールと、前記複数の電源モジュールへの給電を切り替える給電切り替えスイッチと、前記複数の電源モジュールへの入力電流または前記複数の電源モジュールからの出力電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器からの電流検出値の情報が入力され、前記電流検出値の情報に基づいて、起動中の前記電源モジュールの１台当たりの出力電流を確認し、前記出力電流に対する前記電源モジュールの１台当たりの効率の情報に基づいて、前記電源モジュールの１台当たりの効率が予め設定された範囲に入るように、前記複数の電源モジュールをパワーオンさせるパワーオン信号の出力を制御し、前記パワーオン信号の出力状態に連動して、前記給電切り替えスイッチへのオン信号の出力を制御する制御回路とを有する電源ユニットと、
   前記電源ユニットから電源が供給される電子回路とを備えたことを特徴とする電子装置。

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