JP2010263773A

JP2010263773A - 電源回路

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Publication number: JP2010263773A
Application number: JP2010078339A
Authority: JP
Inventors: Daizo Seko; 大造瀬古; Hiroshi Seki; 博司堰
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP5447093B2

Abstract

【課題】待機電力用回路に要するコストを抑制したうえで、電力効率の良い電源回路を提供するもの。
【解決手段】交流電源７と、スイッチ８を介して交流電源７の出力側に接続した整流回路部９と、この整流回路部９の出力側に接続した力率改善回路部１０と、逆流防止ダイオード１１を介して力率改善回路部１０の出力側に接続したＤＣＤＣコンバータ部１２とを備え、逆流防止ダイオード１１とＤＣＤＣコンバータ部１２との接続点１３に待機充電キャパシタ１４を接続し、交流電源７の出力部と接続点１３とをバイパスダイオード１６により接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器に使用される通常動作状態と待機状態との機能を有する電源回路に関するものである。

以下、従来の電源回路について図面を用いて説明する。図８（ａ）および図８（ｂ）は従来の電源回路であり、図８（ａ）においては、交流電源１と整流回路部２と力率改善回路部３とＤＣＤＣコンバータ部４を順に接続することにより、通常の動作状態における電源回路を形成しているものであった。

また、電源回路が待機状態においては、待機専用コンバータ５のみを動作させるために、スイッチ６をオープンとし、整流回路部２から出力側の回路を切り離し、消費電力を低減する対策としていた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては例えば特許文献１が知られている。

特開２０００−２１４９３７号公報

従来の電源回路では、図８（ａ）に示すように通常動作状態と待機状態との機能を持たせるために、特に待機状態に機能させるための待機専用コンバータ５を設けるものであった。この場合、文字通り待機専用である待機専用コンバータ５を設けるため、専用回路を付加することによるコスト増を伴うものであった。

或いは、図８（ｂ）に示すように、交流電源１と整流回路部２と力率改善回路部３とＤＣＤＣコンバータ部４を順に接続することのみにより、通常動作状態と待機状態とにおいてもこの構成により対応することも可能ではあるものの、ここでは図示しないが待機状態の場合においても、力率改善回路部３を構成する抵抗体による電力の消費が伴うために、ハード面における専用回路相当のコスト削減はできるものの、電力の効率が低下してしまう、すなわち待機時の電力の浪費という弊害が存在するものであった。

以上のように従来の電源回路では、専用回路の付加によるコスト増および電力効率低下の双方を共に回避することが困難なものであった。

そこで本発明は、待機専用回路を設けずに高電力効率の電源回路を得るものである。

そしてこの目的を達成するために、交流電源と、スイッチを介して前記交流電源の出力側に接続した整流回路部と、この整流回路部の出力側に接続した力率改善回路部と、逆流防止ダイオードを介して前記力率改善回路部の出力側に接続したＤＣＤＣコンバータ部とを備え、前記逆流防止ダイオードと前記ＤＣＤＣコンバータ部との接続点に待機充電キャパシタを接続し、前記交流電源の出力部と前記接続点とをバイパスダイオードにより接続したことを特徴とするものである。

本発明によれば、待機専用回路を設けず回路に要するコストを抑制したうえで、電力効率の良い電源回路の提供を可能とするものである。

本発明の第１の実施形態における電源回路の第１のブロック図本発明の第１の実施形態における電源回路の第２のブロック図本発明の第１の実施形態における電源回路の回路図本発明の第１の実施形態における電源回路の第３のブロック図本発明の第１の実施形態における電源回路の第４のブロック図本発明の第２の実施形態における電源回路の第１のブロック図本発明の第２の実施形態における電源回路の第２のブロック図（ａ）従来の電源回路における第１のブロック図、（ｂ）従来の電源回路における第２のブロック図

以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態における電源回路である。ここではまず、交流電源７の出力側を、動作状態と待機状態との切り替えを行うスイッチ８を介して整流回路部９の入力側に接続している。次に、整流回路部９の出力側を力率改善回路部１０の入力側に接続し、さらにこの力率改善回路部１０の出力側には逆流防止ダイオード１１のアノード側を接続している。そして逆流防止ダイオード１１のカソード側をＤＣＤＣコンバータ部１２の入力側に接続し、ＤＣＤＣコンバータ部１２の出力側から所望の直流信号を得ている。ここで、逆流防止ダイオード１１のカソード側とＤＣＤＣコンバータ部１２の入力側との接続点１３には、待機充電キャパシタ１４の＋側を接続したうえでその−側は接地させている。これに加え、スイッチ８と整流回路部９と力率改善回路部１０と逆流防止ダイオード１１との直列接続部１５に対して並列接続したバイパスダイオード１６を設けており、バイパスダイオード１６のアノード側を交流電源７の出力側に、カソード側をＤＣＤＣコンバータ部１２の入力側にあたる接続点１３に、それぞれ接続している。

ここで、通常動作状態と待機状態とをスイッチ８の切り替えに応じて選択するが、それぞれの状態について回路の説明を行う。

まず最初に、通常動作状態となるスイッチ８を閉じた場合の電源回路について説明する。このとき、交流電源７の出力側の電位は例えばＡＣ２４０（Ｖ）の場合、整流回路部９において瞬時値を整流したＤＣ約３４０（Ｖ）となり、これを力率改善回路部１０においてＤＣ３８０（Ｖ）程度となるよう制御されるため、バイパスダイオード１６には逆バイアスが加わった状態となる。よって、バイパスダイオード１６は図２に示すように通常動作における回路形態では無視できる状態とすることができる。

この場合、交流電源７と整流回路部９と力率改善回路部１０と逆流防止ダイオード１１とＤＣＤＣコンバータ部１２とが直列に接続した状態となり、逆流防止ダイオード１１のカソード側とＤＣＤＣコンバータ部１２の入力側との接続点１３に待機充電キャパシタ１４を接続した回路の形態となる。

ここで、力率改善回路部１０をさらに詳細に図３にて示す。力率改善回路部１０には平滑用キャパシタ１７を電力伝送路１８とアース１９との間に設けている。また、逆流防止ダイオード１１には順方向の電流が流れるため、これは通常の導体と同様の扱いとなる。よって、通常動作状態においては、平滑用キャパシタ１７と待機充電キャパシタ１４とが並列接続となるため、本来の平滑を目的とした場合に比較して容量が大きくなる方向で変化することとなる。しかしながら、待機充電キャパシタ１４は本来の目的として待機時対応のためのものであることから、その容量は平滑用キャパシタ１７の容量に比較して概ね１／１０〜１／３０と非常に小さな値のものとしている。従って、待機充電キャパシタ１４は平滑のための動作には何ら影響は及ぼさず、平滑用キャパシタ１７のみが回路内に存在する場合と変わらない平滑の動作が行われることとなる。

次に、図１に示すスイッチ８を開放した場合、つまり待機状態の電源回路について説明する。このとき交流電源７の出力側の電位は例えばＡＣ２４０（Ｖ）とし、これに対して接続点１３はほぼ零電位となっていることから、バイパスダイオード１６には順方向電位が加わった状態となるため、スイッチ８が開放されている整流回路部９と力率改善回路部１０と逆流防止ダイオード１１とは無視できる非接続と同様の状態となる。

これは、図４に示すように、交流電源７の出力側をバイパスダイオード１６のアノード側に接続し、カソード側をＤＣＤＣコンバータ部１２の入力側に接続し、バイパスダイオード１６とＤＣＤＣコンバータ部１２との接続点１３に待機充電キャパシタ１４のプラス側を接続し、マイナス側を接地した回路状態とするものである。そして、この回路状態を満たすために、図３に示すように逆流防止ダイオード１１を接続するものである。ここでは、力率改善回路部１０は電力の供給を受けていない状態であるため、力率改善回路部１０内部の入力モニター抵抗２０、出力設定抵抗２１、および平滑用キャパシタ１７に対して逆流防止ダイオード１１が逆バイアス方向の接続となり、力率改善回路部１０は双方の方向から電気的に切り離された状態とすることができる。これにより、入力モニター抵抗２０、出力設定抵抗２１においては非通電状態となるため、そこでの電力消費は存在しないこととなる。

よって、待機状態において電力消費を継続するのは図４に示す、待機充電キャパシタ１４よりも出力側に位置するところの、交流電源７から発した交流電圧をバイパスダイオード１６によって半波整流したたうえで待機充電キャパシタ１４により平滑した電圧を供給する、ＤＣＤＣコンバータ部１２および出力側のＤＣＤＣコンバータ部１２に接続した負荷（図示せず）のみとなる。そして、ＤＣＤＣコンバータ部１２には常に電圧が供給されているため、電源回路の外部より、待機状態から動作状態への切り替え、あるいは動作状態から待機状態への切り替えの何れかの指示を行う信号を受けた際には、その信号をＤＣＤＣコンバータ部１２が受信し、ＤＣＤＣコンバータ部１２から直接、または制御部（図示せず）を介して指示することで図１に示すスイッチ８の開閉動作を行うこととなる。一般的に電源回路全体としては、この電源回路の系全体を駆動させようとする時は、まず初期動作として待機状態となり、その後に待機状態の継続もしくは通常動作状態への切り替えを選択することとなる。

ここでは待機状態であるため、この負荷（図示せず）は殆ど無視できる状態もしくは無い状態とできることから、ＤＣＤＣコンバータ部１２における微小電力のみが消費電力として存在するのみとなり、この結果、消費電力を非常に小さく抑えることができるものである。

以上のように、待機状態においては図１に示す、スイッチ８と整流回路部９と力率改善回路部１０と逆流防止ダイオード１１とからなる直列接続部１５では電力の消費が起こらないこと、および接続点１３から出力側にかけては電力の消費量が非常に低く抑制できることから、待機状態対応用の回路を設けることなく、待機電力を低減することが可能である。

また、図５に示すように電源回路が通常動作状態および待機状態を含めたうえでＯＮ状態である場合、つまり、交流電源７が電力を供給している状態と、電源回路が通常動作状態および待機状態を含めたうえでＯＦＦ状態である場合、つまり、交流電源７が電力を供給していない状態とをオペレータが判定する手段として、ＤＣＤＣコンバータ部１２の出力側に表示用発光ダイオード２２を接続し、その発光状態により判定を行うことが一般的である。

当然ながら、ＯＮ状態であれば待機状態であっても表示用発光ダイオード２２には微小電流は流れるため、表示用発光ダイオード２２は発光し、その状態を示すこととなる。また、ＯＦＦ状態へ切り替わった場合には表示用発光ダイオード２２は発光を停止することとなるが、ＯＮ状態からＯＦＦ状態への切り替えは、電源回路の通常動作状態から直接にＯＦＦに切り替わるのではなく、ＯＮ状態の通常動作状態から待機状態へと切り替わり、その後に待機状態からＯＦＦ状態に切り替わることとなるように設定している。

仮にここで、逆流防止ダイオード１１と待機充電キャパシタ１４とを設けない状態である、例えば図８（ｂ）に示す形態とした場合の待機状態からＯＦＦ状態に切り替わる際の動作、つまり電源回路をストップしたとしては、力率改善回路部３の内部に接続している図３に示す平滑用キャパシタ１７に待機状態時に蓄えられた電荷の放出に際し、平滑用キャパシタ１７の容量が大きいため放電に長い時間を要することとなる。つまり、実際にはＯＦＦ状態にもかかわらず、表示の状態としてはＯＮ状態を示す時間が長く存在することとなる。

これに対して、図５に示すように力率改善回路部１０に逆流防止ダイオード１１と待機充電キャパシタ１４とを設けた状態では、電源回路ＯＮ状態からＯＦＦ状態へと切り替えた場合、つまり電源回路をストップした場合、表示用発光ダイオード２２は当然ながら発光を停止する動作へ移行するが、ＤＣＤＣコンバータ部１２へは待機充電キャパシタ１４から待機充電キャパシタ１４が待機状態に蓄電した電荷のみによる放電が起こることとなる。そして、待機充電キャパシタ１４は先にも述べたように容量を小さくしているために、放電を継続する時間もまた短いこととなる。

よって、表示用発光ダイオード２２のＯＮ状態からＯＦＦ状態への切り替えに伴う発光の停止（減衰）も即座（短時間）に行われることとなり、オペレータが電源回路に関して、ＯＮ状態からＯＦＦ状態へと切り替わったことに対する確認もまた短時間に行うことが可能となる。これにより、待機状態における電力損失を低減することと同時に、待機状態からＯＦＦ状態へと切り替わる際の誤操作等を抑制するものでもある。

ここでは、平滑用キャパシタ１７に蓄えられた電荷は、共にＯＮ状態である通常動作状態から待機状態へと切り替わった瞬間において、逆流防止ダイオード１１を通じて図１に示すＤＣＤＣコンバータ部１２およびＤＣＤＣコンバータ部１２に接続した負荷（図示せず）に放電することとなり、その後に負荷（図示せず）を切り離すもしくは無視が可能な微小負荷に切り替えたうえで待機状態が継続するため、平滑用キャパシタ１７においては待機状態からＯＦＦ状態に切り替わる際に電荷を殆ど有さないためでもある。

（第２の実施形態）
次に、以上の電源回路においては電力効率を向上することについて説明したが、これに加え、第２の実施形態ではさらに平滑キャパシタ１７の動作の信頼性を高めるとともに小型化および低コスト化を可能とする電源回路を図を用いて説明する。

図６は本発明の実施の形態２における電源回路であり、力率改善回路部１０の平滑キャパシタ１７に対して並列に過電圧保護回路２３を逆流防止ダイオード１１のアノード側に設けている。このとき、先にも例として示したように、図１の電源回路においては交流電源７の出力側を交流電圧２４０（Ｖ）とした場合、電源回路の動作状態においては図６に示す力率改善回路部１０の出力側に位置し、逆流防止ダイオード１１のアノード側である接続点２４からは概ね３８０（Ｖ）のＤＣ出力を得ることができることとしている。ここでは放電灯点灯回路を駆動させるために接続点２４から交流２４０（Ｖ）から直流３８０（Ｖ）を得る形態としているが、一例として示すものであり、これらの電圧値に限るものではない。

ここで、図１に示す交流電源７の出力側の交流電圧が不安定な電圧値を有するものである場合を考慮して、図６に示す平滑キャパシタ１７の耐電圧水準は電圧変動の余裕を考慮して４５０（Ｖ）程度のものを適用していたが、過電圧保護回路２３を設けることにより４００（Ｖ）程度の水準を低くしたものを適用することが可能となる。これは、力率改善回路部１０の動作異常による出力異常、および交流電源７の出力異常を、過電圧保護回路２３が検知することで図１に示すスイッチ８を切断し、図６に示す平滑キャパシタ１７への電圧の印加を無くすためであり、つまり、平滑キャパシタ１７には規定した値以上の電圧の印加は非常に短時間なもので継続されないこととするため、規定の値と同程度の耐圧水準を有するものを適用することができるものである。以下でこれを可能とする回路の動作を説明する。

図７の電源回路に示すように、交流電源７の出力側を、動作状態と待機状態との切り替えを行うスイッチ８を介して整流回路部９の入力側に接続している。次に、整流回路部９の出力側を力率改善回路部１０の入力側に接続し、さらにこの力率改善回路部１０の出力側には逆流防止ダイオード１１のアノード側を接続している。また、力率改善回路部１０の出力側の電圧を検知するための過電圧保護回路２３が、力率改善回路部１０の内部に接続されている平滑キャパシタ１７に対して並列に接続配置している。そして逆流防止ダイオード１１のカソード側をＤＣＤＣコンバータ部１２の入力側に接続し、ＤＣＤＣコンバータ部１２の出力側から所望の直流信号を得ている。ここで、逆流防止ダイオード１１のカソード側とＤＣＤＣコンバータ部１２の入力側との接続点１３には、待機充電キャパシタ１４の＋側を接続したうえでその−側は接地させている。これに加え、スイッチ８と整流回路部９と力率改善回路部１０と逆流防止ダイオード１１との直列接続部１５に対して並列接続したバイパスダイオード１６を設けており、バイパスダイオード１６のアノード側を交流電源７の出力側に、カソード側をＤＣＤＣコンバータ部１２の入力側にあたる接続点１３に、それぞれ接続している。ここでも動作状態と待機状態とをスイッチ８で切り替えを行うための信号は、電源回路外部からの指示信号に従ってＤＣＤＣコンバータ部１２から直接あるいは間接的に発信されることとなっている。

ここで、スイッチ８が接続状態である通常動作状態において交流電源７の出力電圧が不安定な状態となり、その出力電圧が過度に上昇した場合の動作を説明する。交流電源７の出力電圧は整流回路部９で直流電圧に変換し、力率改善回路部１０で任意の電圧（例えば３８０Ｖ）へ昇圧させているが、力率改善回路部１０の出力側では常に過電圧保護回路２３が力率改善回路部１０の出力電圧を検知している。また、力率改善回路部１０は常に昇圧の動作を行っているものではなく、整流回路部９の出力が上記の任意の電圧（３８０Ｖ）よりも大きくなった場合は、力率改善回路部１０は動作せずにその電圧を通過させるだけとなる。

そして、交流電源７の出力電圧が、例えば何らかの電圧変動の要因を受けて限度値を超えて上昇した際の、その限度値に対応する力率改善回路部１０の出力電圧の閾値を予め設定し、力率改善回路部１０の出力電圧がその閾値に達すると、ＤＣＤＣコンバータ部１２をシャットダウンあるいは通常動作状態から待機状態へ切り替えるための検知信号が過電圧保護回路２３からＤＣＤＣコンバータ部１２へ発信されることとなる。これにより、ＤＣＤＣコンバータ部１２から直接あるいは間接的にスイッチ８を開放して、整流回路部９と力率改善回路部１０とを切り離し、平滑キャパシタ１７への電圧印加が無くなることになる。

また、交流電源７が正常な状態であっても力率改善回路１０の固有の動作異常によって力率改善回路１０の出力が限度を超えたものであっても、以上と同様の順序によってＤＣＤＣコンバータ部１２をシャットダウンあるいは通常動作状態から待機状態への切り替えが行われる。

以上の動作により、予め決定した過度の電圧上昇が過電圧保護回路２３において、交流電源７の出力異常や力率改善回路１０の異常動作によって生じた場合には、即座にＤＣＤＣコンバータ部１２をシャットダウンあるいは待機状態へと動作状態が切り替わることとなり、その結果として力率改善部１０の平滑キャパシタ１７には過電圧保護回路２３で設定した閾値以上の電圧は加わることが無くなる。従って、平滑キャパシタ１７の耐電圧と過電圧保護回路２３で設定した閾値とをほぼ同等の値としておくことで、過度の電圧上昇が交流電源７の出力などで生じた場合を想定して余裕を持たせた平滑キャパシタ１７の耐電圧を設定する必要性はないこととなる。

また、交流電源７の出力電圧や力率改善回路部１０の動作などを原因として力率改善回路部１０の出力側の電圧が限度値を超えて上昇した際は即座にＤＣＤＣコンバータ部１２をシャットダウンあるいは待機状態となるため、待機状態から再度定常動作状態への切り替えを電源回路の系の外部から強制的に指令を与えてスイッチ８を接続状態としても、交流電源７の出力電圧や力率改善回路部１０の動作などを原因として力率改善回路部１０の出力側の電圧が限度値を超えて上昇した状態が継続していれば再度即座に待機状態へと動作状態が切り替わることとなり、平滑キャパシタ１７は過電圧から保護されることとなり、破壊のモードへ至ることはない。

さらに、ＤＣＤＣコンバータ部１２をシャットダウンあるいは待機状態では逆流防止ダイオード１１のアノード側に平滑キャパシタ１７を接続しているため、閾値以上の電圧がスイッチ８を切断するまで瞬間的に平滑キャパシタ１７に加わった後には一旦、平滑キャパシタ１７に対しては完全に電力の供給は断つこととなる。よって、平滑キャパシタ１７の耐電圧の限度近くに閾値を設定しても、その耐電圧を超えることは無いことと同時に、待機状態では完全に電力の供給を断つことで平滑キャパシタ１７は十分に温度等を低下させることができることから、劣化の進行も生じ難く、高い信頼性を維持することができる。

さらに、当然ながら平滑キャパシタ１７の耐電圧について大きな余裕を持たせる必要もないことから、低体積、小面積等の小型化や低コスト化に寄与するものでもある。

また、過電圧保護回路２３もまた通常動作状態においては電力を必要とするものであるものの、待機状態には平滑キャパシタ１７の場合と同様に逆流防止ダイオード１１のアノード側に接続配置しているため電力の消費は生じず、待機電力の低減を何ら阻害するものでもない。

以上のように、交流電圧７の変動と平滑キャパシタ１７の耐電圧と過電圧保護回路２３の閾値との関係は、交流電圧７の変動が大きな地域で使用する場合は平滑キャパシタ１７の耐電圧と過電圧保護回路２３の閾値とを共に交流電圧７の上昇に対応可能で、かつ、接続点２４から出力させる電圧が放電灯点灯回路の動作における許容範囲の水準であれば、高くすることが定常動作状態を継続させるうえで好ましいが、待機状態が長く継続しても使用のうえで支障が無い電源回路では平滑キャパシタ１７の耐電圧と過電圧保護回路２３の閾値とを共に低い値として設定しても平滑キャパシタ１７の信頼性を損ねることはない。

本発明の電源回路は、待機電力用回路に要するコストを抑制したうえで、電力効率の良い電源回路の提供が可能なものであり、各種電子機器において有用である。

７交流電源
８スイッチ
９整流回路部
１０力率改善回路部
１１逆流防止ダイオード
１２ＤＣＤＣコンバータ部
１３接続点
１４待機充電キャパシタ
１５直列接続部
１６バイパスダイオード
１７平滑用キャパシタ
１８電力伝送路
１９アース
２０入力モニター抵抗
２１出力設定抵抗
２２表示用発光ダイオード
２３過電圧保護回路
２４接続点

Claims

交流電源と、
スイッチを介して前記交流電源の出力側に接続した整流回路部と、
この整流回路部の出力側に接続した力率改善回路部と、
逆流防止ダイオードを介して前記力率改善回路部の出力側に接続したＤＣＤＣコンバータ部とを備え、
前記逆流防止ダイオードと前記ＤＣＤＣコンバータ部との接続点に待機充電キャパシタを接続し、
前記交流電源の出力部と前記接続点とをバイパスダイオードにより接続した
電源回路。
通常動作時にはスイッチを閉じてバイパスダイオードは非通電状態とし、
待機動作時には前記スイッチを開放してバイパスダイオードへ通電し、
待機充電キャパシタを充電状態とした
請求項１に記載の電源回路。
交流電源から電力を供給したうえで通常動作状態と待機動作状態とからなる電源ＯＮ状態と、交流電源から電力を非供給とする電源ＯＦＦ状態とからなり、
前記電源ＯＮ状態から前記電源ＯＦＦ状態へ移る際に前記電源ＯＮ状態は待機動作状態とした請求項２に記載の電源回路。
力率改善回路部と逆流防止ダイオードとの間に過電圧保護回路を接続し、
前記力率改善回路部の出力電圧が前記過電圧保護回路で設定した閾値以上となることでスイッチを開放させて待機動作状態とする請求項２に記載の電源回路。