JP2012210048A - 耐サージ電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機器に要求される絶縁抵抗や耐圧を満たし、シグナルグランドとフレームグランドが接続されている負荷回路が接続された場合にもサージ電圧の影響が少ない電源装置のサージ保護回路を提供する。
【解決手段】耐サージ電源装置において、交流又は直流電力が供給される入力端と、直流電力を出力する出力端と、入力側の回路と出力側の回路とを電気的に絶縁するトランスと、入力端に供給される交流又は直流電力を所定の電圧の直流電力に変換して出力端に供給するコンバータと、サージ電圧を吸収する保護回路と、を備え、入力端は第１及び第２の入力端子（Ｌ，Ｎ）を含み、出力端は低電位の第１の出力端子（−Ｖ）と第１の出力端子よりも高電位の第２の出力端子（＋Ｖ）を含み、保護回路は、第１の入力端子と第１の出力端子相互間及び第２の入力端子と第１の出力端子相互間を接続する。
【選択図】図３

Description

本発明は電源をサージ電圧から保護するサージ保護回路を備えた耐サージ電源装置に関し、特に、絶縁型電源を使用する装置の保護に関する。

パソコン、モニタ等を含め、各種の電子機器（負荷装置）に電源を供給するためにＡＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＤＣコンバータなどを含む電源装置が使用されている。このような電源装置には絶縁型電源が一般的に使用されている。絶縁型電源は、非絶縁型電源が入力側（一次側）接地（ＧＮＤ）と出力側（二次側）接地（ＧＮＤ）とが電気的に接続されているのに対して、入力側接地と出力側接地とが電気的に接続されていない（絶縁されている。）。

絶縁型電源（絶縁型コンバータ）を使用すると、入力側の接地系と出力側の接地系とを分離することができるので、例えば、出力側の基準電位を入力側とは別途に設定できる、商用電源やバッテリ側から直接接地ラインに沿って負荷装置にノイズが回り込みことを防止することができるなどの利点がある。

ところで、電源装置には、電源装置や負荷装置などを落雷などに起因する、当該電源装置や負荷装置などを破壊するような急激な過電圧、即ちサージ電圧から保護するためにサージ電圧の保護回路が設けられる。例えば、特開２０１０−９８８７２号公報（特許文献１）には商用電源の外来サージから電源装置を保護するために、整流回路前段に設けられた雑音防止回路内にサージアブソーバ（バリスタ、アレスタ）などからなる保護回路を設けることを提案している。また、特開平５−２８４７３２号公報（特許文献２）には、電源装置のＡＣ入力端と雑音防止回路との間に、各ＡＣライン相互間、各ＡＣラインと接地（フレームグランド）相互間にそれぞれバリスタを設けてなる保護回路の例が記載されている。

このように電源装置に保護回路を設けることによって電源装置などをサージ電圧から保護することが可能となる。

特開２０１０−９８８７２号公報 特開平５−２８４７３２号公報

しかしながら、ＡＣライン間に避雷などのために保護回路（サージアブソーバ）を挿入すると、保護回路における漏れ電流によって電源入力端子と接地端子間の絶縁抵抗（絶縁耐圧）が低下する傾向がある。

また、シグナルグランド（ＳＧ）とフレームグランド（ＦＧ）が接続されている負荷装置（あるいは負荷回路）を絶縁型電源を持つ装置（あるいは絶縁型電源）に接続する場合がある。この場合には、上述のようなサージ電圧保護回路を入力側に備えた絶縁型電源装置であっても、接地系のサージ電圧が負荷装置のフレームグランド、シグナルグランドを経由して当該電源装置の出力側（二次側回路）のシグナルグランドに回り込むことが考えられる。絶縁型電源装置は入力側（一次側）のシグナルグランドと出力側（二次側）のシグナルグランドとを電気的に分離（絶縁）しており、入力側に設けられたサージ電圧保護回路は出力側に印加されたサージ電圧を吸収できない。それにより、電源装置の出力側の部品などが故障することも考えられる（後述の図２参照）。

よって、本発明は機器に要求される絶縁抵抗や耐圧を満たし、シグナルグランドとフレームグランドが接続されている負荷装置（あるいは負荷回路）が出力端に接続された場合にも出力端側からのサージ電圧の影響が少ない電源装置を持つ装置（あるいは電源装置）を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様の一つは、負荷回路（あるいは負荷装置）に所定の電力を供給する耐サージ電源装置において、交流又は直流電力が供給される入力端と、直流電力を出力する出力端と、入力側の回路と出力側の回路とを電気的に絶縁するトランスと、上記入力端に供給される上記交流又は直流電力を所定の電圧の直流電力に変換して上記出力端に供給するコンバータと、サージ電圧を吸収する保護回路と、を備え、上記入力端は第１及び第２の入力端子を含み、上記出力端は低電位の第１の出力端子と第１の出力端子よりも高電位の第２の出力端子を含み、上記保護回路は、上記第１の入力端子と上記第１の出力端子相互間及び上記第２の入力端子と上記第１の出力端子相互間を接続する。

かかる構成とすることによって、電源装置の出力端に負荷回路側から落雷などによるサージ電圧が侵入したときでも、損傷を受けることを回避することが可能となる。ＡＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータなどのトランスを用いる絶縁型電源では、トランスの一次側回路と二次側回路とを絶縁（分離）しているので、通常一次側に設けられるサージ電圧吸収回路は二次側回路を保護する機能をもっていない。

例えば、負荷回路が、回路内でシグナルグランドラインとフレームグランドラインとを接続している場合、サージ電圧は商用ライン側の他に、接地（アース）、負荷回路のフレームグランドライン、シグナルグランドライン、電源の第１の出力端子（低電位端子）のルートで侵入する。（商用電源ラインからサージ電圧が侵入する）電源の第１及び第２の入力端子の各端子と（負荷側からサージ電圧が侵入する）第１の出力端子の相互間にサージ電圧保護回路を設けてサージ電圧をバイパスすることで絶縁型電源の（特に二次側の）回路が保護される。

好ましくは、上記保護回路はバリスタやガスアレスタなどによって構成される。バリスタはバリスタ自体が故障したときに短絡状態となることがあるが、ガスアレスタはガスアレスタ自体が故障したときに開放（遮断）状態になるので、より具合が良い。

また、上記負荷回路は、当該負荷回路のシグナルグランドラインと、接地されるフレームグランドラインとを含み、これ等のシグナルグランドラインとフレームグランドラインは電気的に接続され、更に、上記シグナルグランドラインが上記第１の出力端子に接続される。このような負荷回路側から電源側にサージ電圧が侵入し得る構成をもたらす負荷回路に電源を供給する場合であってもサージ電圧による破損を回避することが可能となる。

好ましくは、上記第１の出力端子が基準電位となる端子である。それにより、電源の出力電圧が設定される。

本発明によれば、負荷回路（あるいは負荷装置）側から侵入する雷などによるサージ電圧から電源装置（あるいは電源装置を持つ装置）を保護することが可能となる。

参考例を説明する説明図である。 参考例における不具合を説明する説明図である。 本発明の実施の形態を説明する説明図である。 本発明をＡＣ−ＤＣ電源に適用した例を説明する説明図である。 本発明をＤＣ−ＤＣ電源に適用した例を説明する説明図である。 本願発明の効果（絶縁耐圧、絶縁抵抗）を説明する説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照し説明する。各図において、対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

（参考例）
図１及び図２は、本発明の理解を容易にするための電源装置のノイズ対策の参考例を示している。ノイズ対策には、雑音除去回路やサージアブソーバ（避雷器、保護回路）などが使用される。

図１（Ａ）は、ＤＣ−ＤＣ電源装置の例を概略的に示している。なお、説明の便宜上、電源装置の直流入力端の高電位側端子を＋、低電位側端子を−、直流出力端の高電位側端子を＋Ｖ、低電位側端子を−Ｖと表示する。

同電源装置は、図示しない外部の直流電力源から直流入力端１、雑音除去回路（ノイズフィルタ）２を介して供給される直流の入力電力ＤＣinを、絶縁トランスを内蔵したＤＣ−ＤＣコンバータ（絶縁型電源）３によって所望の直流出力電圧を形成して直流出力端４（＋Ｖ，−Ｖ）に出力する。雑音除去回路２はコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３、コモンモードチョークコイルＬなどによって構成され、直流入力端１への供給電力ＤＣinに重畳される雑音電力成分を除去する。

図１（Ｂ）は、ＡＣ−ＤＣ電源装置の例を概略的に示している。なお、説明の便宜上、電源装置の商用電源ＡＣinが供給される交流入力端１のライブライン側端子をＬ、ニュートラルライン側端子をＮ、直流出力端４の高電位側端子を＋Ｖ、低電位側端子を−Ｖと表示する。

同電源装置は、図示しない外部の交流電力源から交流入力端１、ヒューズ５、サージアブソーバ６を介して供給される交流の入力電力ＡＣinを、絶縁トランスを内蔵したＡＣ−ＤＣコンバータ（絶縁型電源）３によって所望の直流出力電圧ＤＣoutを形成して直流出力端４（端子＋Ｖ，端子−Ｖ）に出力する。この例では交流入力端１に接地端子Ｇが設けられている。交流入力端１の３つの端子（Ｌ，Ｎ，Ｇ）は３ピンのコネクタ（プラグ）に相当し、接地端子Ｇは図示しない屋内配線の接地（アース）系に接続される。サージアブソーバ６は、落雷などによるサージ電圧を吸収するもので、バリスタなどが使用される。この例では、バリスタＢ１はライブラインが接続される端子Ｌと端子Ｎとの間、バリスタＢ２は端子Ｎと端子Ｇとの間、バリスタＢ３は端子Ｇと端子Ｌとの間にそれぞれ設けられている。

図２は、上述した電源に、シグナルグランドＳＧとフレームグランドＦＧを接続した負荷装置（負荷回路）１０を接続した場合の不具合を説明する説明図である。

図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示す電源装置に生じ得る不具合を説明するもので、既述電源装置の出力側の＋Ｖ端子と−Ｖ端子に負荷装置１０の（高電位側）入力端子ＩＮとシグナルグランド端子ＳＧがそれぞれ接続されている。シグナルグランド端子ＳＧは負荷装置内でフレームグランド端子ＦＧに接続されている。したがって、電源装置の出力側−Ｖ端子のラインは負荷装置１０を経由して接地される。ここで、負荷装置１０は特定のものに限定されるものではなく、負荷回路と表現しても良い。例えば、コンピュータ装置、その周辺装置（ディスプレイ、プリンタ）など各種の機器が該当する。ディスプレイ、プリンタなどはシグナルグランドとフレームグランドとを接続しているのが一般的である。他の機器の例においても同様の接続がなされる場合がある。

このような状態で、例えば、落雷などによってサージ電圧ＳＶが発生すると、図示のように電源装置の入力端側のみならず、出力端の−Ｖ側（接地側）からもサージ電圧ＳＶが侵入する。絶縁型電源３はトランスなどによって一次側と二次側とを電気的に分離（絶縁）しているので、サージ電圧ＳＶをバイパスし得る雑音除去回路２の高耐圧コンデンサは一次側（入力側）回路しか保護できない。このため、一次側の配線と−Ｖ側（二次側接地）の配線との間に印加されるサージ電圧ＳＶによって絶縁型電源３内の回路部品の破損が生じ得る。

図２（Ｂ）は、同様の理由によって図１（Ｂ）に示す電源装置に生じる不具合を説明するものである。既述電源装置の＋Ｖ端子と−Ｖ端子に負荷装置１０の（高電位側）入力端子ＩＮとシグナルグランド端子ＳＧがそれぞれ接続されている。シグナルグランド端子ＳＧは負荷装置１０内でフレームグランド端子ＦＧに接続されている。したがって、電源装置の出力側−Ｖ端子のラインは負荷装置１０を経由して接地される。ここでも、負荷装置１０は特定のものに限定されるものではない。

このような状態で、例えば、落雷などによってサージ電圧ＳＶが発生すると、図示のように電源装置の入力端１側と出力端４の−Ｖ側（接地側）からサージ電圧ＳＶが侵入する。絶縁型電源３はトランスなどによって一次側と二次側とを電気的に分離（絶縁）しているので、サージ電圧ＳＶをバイパスし得るサージアブソーバ６は一次側（入力側）回路しか保護できない。このため、一次側の配線と−Ｖ側（接地側）の配線との間に印加されるサージ電圧ＳＶによって絶縁型電源３内の回路部品の破損が生じ得る。

このように、例えば、フレームグランド（ＦＧ）とシグナルグランド（ＳＧ）を分離して設計される産業用機器に、フレームグランドとシグナルグランドが同一となっているパソコンや液晶モニタなどが接続される場合がある。絶縁電源を内蔵している産業用機器に、フレームグランドＦＧとシグナルグランドＳＧが接続されている機器が接続されると、電源装置が電力を供給していなくても出力側―Ｖ端子が機器のシグナルグランド（ＳＧ）に繋がるため、その機器から回り込んで電源装置の回路に雷サージノイズＳＶなどが印加される場合がある。

（実施例１）
図３は、本発明の一態様を説明する説明図である。この態様においては、絶縁型電源の入力側（ライブラインＬ，ニュートラルラインＮ）と出力側（低電位ライン−Ｖ）との間にサージ電圧を吸収する保護回路８が設けられている。

なお、同図において、図１及び図２に示された部分と対応する部分には同一符号を付している。また、この例においては説明の便宜のため、直流電力ＤＣinが供給される場合であっても入力端の符号にＬ，Ｎを使用している。

この実施例では、電源装置の入力端１には、図示しない電力源から直流電力ＤＣin又は交流電力ＡＣinが供給される。本発明は外部から供給される電力（電源）の種類により制約（限定）されるものではなく、直流電源ＤＣinが供給される場合には、絶縁型電源３はＤＣ−ＤＣコンバータによって構成される。交流電源ＡＣinが供給される場合には、絶縁型電源３はＡＣ−ＤＣコンバータによって構成される。

図３（Ａ）に示す例においては、入力端１とＤＣ−ＤＣ（又はＡＣ−ＤＣ）コンバータ（絶縁型電源）３の入力との間に、既述したサージアブソーバ６、雑音除去回路２が設けられている。入力端１には端子Ｌ，Ｎに加えてグランド端子Ｇが設けられており、３端子プラグに相当する。グランド端子Ｇは図示しない配電系統の接地ラインに接続される。

サージアブソーバ６はライブラインＬとニュートラルラインＮ間に接続されたバリスタなどによって構成される。図１（Ｂ）と同様に他のライン間にもそれぞれ設けても良い。

雑音除去回路２は、グランドラインＧの追加に対応して、ライブラインＬとグランドラインＧとの間にコンデンサＣ５、グランドラインＧとニュートラルラインＮとの間にもコンデンサＣ４，Ｃ６が接続され、それぞれノイズをバイパスする。

更に、実施例においては、入力端１の端子Ｌと直流出力端４の端子−Ｖとの相互間、入力端側の端子Ｎと直流出力端側の端子−Ｖとの相互間をそれぞれサージアブソーバ（サージ電圧を吸収する保護回路あるいは避雷器）８によって接続している。サージ電圧を吸収する素子ＧＡとしては、印加電圧が所定電圧を超えるまで高インピーダンス（絶縁抵抗大）で、所定電圧を超える低インピーダンス（短絡状態）となるバリスタやガスアレスタなどが用いられる。特に、ガスアレスタは電極が離間している構造なので非動作時の絶縁抵抗値が高く、破損したときに遮断状態（非短絡状態）となるのでバリスタよりもより望ましい。また、サージ電圧を吸収する素子としては、サージ防護サイリスタ、アバランシェダイオードなどを用いても良い。他の実施例でも同様である。

図３（Ｂ）は、実施例におけるサージ電圧吸収を説明する図である。上述した実施例の構成において、例えば、落雷などによってサージ電圧ＳＶが発生すると、図示のように電源装置の入力端Ｌ，Ｎ，Ｇ側と出力端の−Ｖ側（接地側）からサージ電圧ＳＶがそれぞれ侵入する。絶縁型電源３の一次側回路は、入力端Ｌ，Ｎ，Ｇから侵入したサージ電圧に対して雑音吸収回路２、サージアブソーバ６が動作するので保護される。負荷装置１０側が接地されることにより、入力端１のＬ，Ｎ端子と絶縁型電源の−Ｖ側（接地側）端子間に発生するサージ電圧は追加されたサージアブソーバ（保護回路）８によって除去されるので、絶縁型電源３内の回路は保護される。

このように、入力端子とＡＣ−ＤＣ電源、ＤＣ−ＤＣ電源の二次側の−Ｖ端子(あるいはシグナルグランド)の間に、ガスアレスタなどの放電素子（保護回路８）を接続し、二次側のシグナルグランドＳＧに回り込んだサージ電圧（サージノイズ）を放電（あるいはバイパス吸収）させる。

（実施例２）
図４は、ＡＣ−ＤＣ電源（電源３）の構成例と、このような電源に本発明を適用した例を示している。同図の電源はいわゆるスイッチング電源であり、ＡＣ入力からノイズを除去するノイズフィルタ３１、交流電流を整流して平滑にして直流を得る整流平滑回路３２、直流電流を断続するスイッチング回路３３、出力の検出電圧と基準電圧とを比較して誤差電圧に応じてスイッチングトランジスタのオンオフを制御するドライブ制御回路３４、スイッチング電流が一次側を流れる絶縁トランス３５、トランスの二次側出力を整流して平滑にする整流平滑回路３６、直流出力電圧のレベルを検出する出力電圧検出回路３７、レベル検出信号を出力回路側から入力回路側に電気的に絶縁して伝送する光カップラ３８、サージ電流をグランドに逃がす接地用コンデンサ３９，４０、などによって構成される。このようなＡＣ−ＤＣ電源は公知の構成を使用することができ、特定の回路構成に限定されるものではない。

かかる構成において、電源装置の入力端１のＬ，Ｎ端子と出力端−Ｖとの間にガスアレスタなどの放電素子ＧＡ（保護回路８）を接続し、図示しない負荷装置から二次側のシグナルグランドラインＳＧ（−Ｖ端子）に回り込んだノイズを放電させて除去する。それにより、絶縁型電源内の回路素子の破損を防止する。

（実施例３）
図５は、ＤＣ−ＤＣ電源（電源３）の構成例を示している。同電源はいわゆるスイッチング電源であり、公知のスイッチング動作をおこなうための、チョークコイル５１、コンデンサ５２，５３、絶縁トランス５４、スイッチング回路５５、スイッチング制御回路５６、２次側の２つのスイッチング素子５７，５８、二次側のスイッチング制御回路５９、チョークコイル６０、平滑回路（高耐圧）６１、出力電圧検出回路６２、光カップラ６３、などを備えている。このようなＤＣ−ＤＣ電源はどのような構成であっても良く、特定の回路構成に限定されるものではない。

かかる構成において、電源装置の入力端１のＬ，Ｎ端子と出力端−Ｖとの間にガスアレスタなどの放電素子ＧＡ（保護回路８）を接続し、図示しない負荷装置から電源３の二次側シグナルグランドラインＳＧ（−Ｖ端子）に回り込んだノイズを放電させて除去する。それにより、絶縁型電源内の回路素子の破損を防止する。

（効果の説明）
上述したように本発明の実施例によれば、絶縁型電源の２次側の−Ｖ端子（シグナルグランド）に印加されるサージ電圧（ノイズ）から絶縁型電源内の回路を保護することが可能である。

また、電源（電気機器）に要求される所要の絶縁抵抗や耐圧の試験において、試験は電源端子（Ｌ，Ｎ）とフレームグランドとの間で行う。

図６（Ａ）に示すように比較例の電源ではサージアブソーバの漏れ電流により、絶縁抵抗や絶縁耐圧を高く保つことができない。これに対して、図６（Ｂ）に示すように本願の実施例では、電源端子（Ｌ，Ｎ）とフレームグランドとの間には高耐圧コンデンサしかないため、絶縁抵抗や耐圧を高く保つことができる。

以上説明したように、本発明の電源装置は各入力端子と出力側の−Ｖ端子との間にサージ電圧対策部品（避雷器）を接続するため、絶縁型電源の−Ｖ端子に、フレームグランドＦＧとシグナルグランドラインＳＧが接続された負荷装置を接続した場合であっても、サージ電圧による絶縁型電源内の部品の故障を回避することが可能となる。

本発明は種々のタイプの絶縁型電源をサージ電圧から保護することができて具合がよい。また、このような電源を備える機器の信頼性を向上することができて好ましい。

１ 入力端、２ 雑音除去回路、３ 絶縁型電源、４ 出力端、５ ヒューズ、６ サージアブソーバ、８ サージ電圧保護回路、ＧＡ 避雷素子（ガスアレスタなど）

Claims (5)

1. 負荷回路に所定の電力を供給する耐サージ電源装置であって、
   交流又は直流電力が供給される入力端と、
   直流電力を出力する出力端と、
   入力側の回路と出力側の回路とを電気的に絶縁するトランスを含み、前記入力端に供給される前記交流又は直流電力を所定の電圧の直流電力に変換して前記出力端に供給するコンバータと、
   サージ電圧を吸収する保護回路と、を備え、
   前記入力端は第１及び第２の入力端子を含み、
   前記出力端は低電位の第１の出力端子と第１の出力端子よりも高電位の第２の出力端子を含み、
   前記保護回路は、前記第１の入力端子と前記第１の出力端子相互間及び前記第２の入力端子と前記第１の出力端子相互間を接続する、耐サージ電源装置。
2. 前記保護回路はバリスタ、ガスアレスタのいずれかを含む、請求項１に記載の耐サージ電源装置。
3. 前記負荷回路は、シグナルグランドラインと接地されるフレームグランドラインとを含み、前記シグナルグランドラインと前記フレームグランドラインは電気的に接続され、更に、前記シグナルグランドラインが前記第１の出力端子に接続される、請求項１又は２に記載の耐サージ電源装置。
4. 前記第１の出力端子が基準電位となる端子である、請求項１乃至３のいずれかに記載の耐サージ電源装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の耐サージ電源装置を持つ電子機器。

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