JP2015061475A - 過電流保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載される電子機器の信頼性を確保する。
【解決手段】少なくとも２つ以上の負荷装置５が並列に接続された端末装置３に搭載され、当該端末装置３を過電流から保護する過電流保護装置６であって、負荷装置５の前段に個々にヒューズ６１を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、少なくとも２つ以上の負荷装置が並列に接続された電子機器に搭載され、当該電子機器を過電流から保護することで、当該電子機器の信頼性を確保する過電流保護装置に関するものである。

端末装置等の電子機器では、短絡性の故障が発生して電流が過大となると、故障が生じる恐れがある。そこで、これを防ぐために過電流保護装置が搭載されている。この過電流保護装置としては、過電流が流れた際に物理的に電線を溶断することで端末装置を保護するヒューズがある（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１の構成では、ヒューズが端末装置内の電源入力端に配置されている。

このヒューズは、一旦溶断して切れると復旧しないという特徴がある。そのため、端末装置の故障原因がわからないまま再度使用されて、さらに大きな被害となることを防ぐため、製造業者などによる原因解析、修理まで二度と電源が入らないようにしたいという理由から、ヒューズが使用されることも多い。

しかしながら、ヒューズは、溶断する電流値（溶断電流値）のばらつきが大きく、突入電流や経年劣化を考慮しなければならない。よって、正常動作時に誤って溶断されることを防ぐため、搭載される端末装置の定格電流値に対して、ある程度余裕を持った溶断電流値のものを使用しなければならない。

一方、過電流保護装置として、電流検出回路およびスイッチ素子から構成されたものも知られている（例えば特許文献３参照）。この構成では、電流検出回路にて異常電流を検出してスイッチ素子を開いて電流を停止させた後も復旧が可能であり、また、ヒューズを用いた構成に対して精度を向上させることができる。なお、商用電源などの交流を直流へ変換する電源装置では、一般的に、上記電流検出回路およびスイッチ素子からなる過電流保護装置が搭載されている。

特開平６−２９６３２２号公報 特開平１１−１４４６０３号公報 実開平５−６７１４３号公報

ここで、特許文献１，２のようなヒューズからなる過電流保護装置が搭載された端末装置と、特許文献３のような電流検出回路およびスイッチ素子からなる過電流保護装置が搭載された電源装置とを接続した場合、ヒューズは余裕をもった溶断電流値のものを使用しなければならないため、過電流が流れた場合に、端末装置内のヒューズが溶断する前に電源装置内の過電流保護装置が働いてしまう恐れがある。以下、端末装置内で短絡が生じて過電流が流れた場合において、端末装置内のヒューズが溶断する前に電源装置内の過電流保護装置が働いた場合での動作について説明する。
この場合、まず、電源装置内の過電流保護装置により電源装置からの出力が停止する。 これにより、端末装置への過電流が解除される。そして、端末装置は正常状態へ遷移し、電源装置内の過電流保護装置による出力停止が解除される。そして、電源装置から端末装置へ電流が再度流れ始める。しかしながら、端末装置内での短絡状態は維持されているため、再度、電源装置内の過電流保護装置により出力が停止され、上記動作が繰り返される。そして、過電流の停止・再開が繰り返されることで、端末装置に故障が生じる恐れがあり、端末装置の信頼性を確保することができないという課題がある。

一方、端末装置内の過電流保護装置についても、特許文献３のような電流検出回路およびスイッチ素子から構成することで、精度を向上させ、電源装置内の過電流保護装置が働く前に端末装置内の過電流保護装置を働かせることが可能となる。しかしながら、電気素子が故障した場合には電流を停止することができないため、信頼性が低いという課題がある。
また、電源装置の容量を、ヒューズの溶断電流値よりも十分に大きくすることで、ヒューズを溶断させることも可能である。しかしながらこの場合、電源装置のコストが増大し、サイズが大きくなるという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、搭載される電子機器の信頼性を確保することができる過電流保護装置を提供することを目的としている。

この発明に係る過電流保護装置は、少なくとも２つ以上の負荷装置が並列に接続された電子機器に搭載され、当該電子機器を過電流から保護する過電流保護装置であって、負荷装置の前段に個々にヒューズを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、搭載される電子機器の信頼性を確保することができる。

この発明の実施の形態１に係る過電流保護装置が端末装置に搭載されたシステムの構成例を示す図である。 従来の過電流保護装置が端末装置に搭載されたシステムの構成例を示す図である。 図１に示す各部の電流設定値を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る過電流保護装置が端末装置に搭載されたシステムの構成例を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る過電流保護装置が端末装置に搭載されたシステムの構成例を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る過電流保護装置が端末装置に搭載されたシステムの構成例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る過電流保護装置６が端末装置３に搭載されたシステムの構成例を示す図である。
図１に示すシステムは、コンセント等の電源入力端子１、ＡＣアダプタ等の電源装置２および端末装置（電子機器）３から構成されている。

電源入力端子１は、商用電源等に接続され、商用電源等からの電力を電源装置２へ供給するものである。
電源装置２は、電源入力端子１からの電力を端末装置３に必要な電圧に変換して当該端末装置３へ供給するものである。この電源装置２には、電流検出回路４１およびスイッチ素子４２からなる過電流保護装置４が設けられている。過電流保護装置４は、電流検出回路４１によって電源入力端子１からの電力を監視することで異常電流を検出し、スイッチ素子４２の開閉制御を行うことにより、過電流保護機能を実現するものである。

端末装置３は、並列に接続された少なくとも２つ以上のＩＣ等の負荷装置５を有し、電源装置２からの電力を負荷装置５へ供給するものである。なお図１では、２つの負荷装置５ａ，５ｂを設けた場合を示している。また、端末装置３には、ヒューズ（過電流保護素子）６１および降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換器６２からなる過電流保護装置６が設けられている。

ヒューズ６１は、端末装置３の回路の支流に配置された負荷装置５の前段に個々に設けられ、過電流が流れた際に物理的に電線が溶断することにより過電流保護機能を実現するものである。すなわち、端末装置３の短絡故障は、一般的に部品故障によるものが多いため、端末装置３内の回路が分岐した後の支流で発生することが多い。そこで、従来構成（図２参照）のように端末装置３内の電源入力端にヒューズ６１を配置するのではなく、支流にヒューズ６１を分けて配置する。なお図１では、３つのヒューズ６１ａ〜６１ｃを設けた場合を示している。

電圧変換器６２は、ヒューズ６１の前段に個々に設けられ、降圧変換を行うものである。なお図１では３つの電圧変換器６２ａ〜６２ｃを設けた場合を示している。端末装置３内では、この電圧変換器６により各負荷装置５に必要な電圧に変換される。
また、図１において、符号６１Ｉ（６１ａＩ〜６１ｃＩ）はヒューズ６１（６１ａ〜６１ｃ）の溶断電流値であり、符号５Ｉ（５ａＩ〜５ｃＩ）は負荷装置５（５ａ，５ｂ）へ流れる電流値である。
また、電源装置２が有する過電流保護装置４と、端末装置３が有する過電流保護装置６および負荷装置５の「装置」という文言には、「素子」の意味も含まれるものとする。

次に、上記のように構成された過電流保護装置６の効果について、図２に示す従来構成と比較しながら説明する。なお、図１，２に示す構成において、端末装置３の入力端の電流値は３Ａ［アンペア］であり、負荷装置５ａ，５ｂへ流れる電流値５ａＩ〜５ｃＩはそれぞれ１Ａであるとする。

また、図３に示すように、ヒューズ６１の溶断電流の最小値６１Ｉｍｉｎは、突入電流や経年劣化を考慮して、負荷装置５の定格電流値５Ｉよりも大きくなるように設定する。 例えば図１に示す構成では、ヒューズ６１ａの溶断電流の最小値６１ａＩｍｉｎは、負荷装置５ａに流れる電流値５ａＩより大きくなるよう設定される。ここで、負荷装置５ａの電流値５ａＩは、負荷装置５ａに供給される電力５ａＷおよびその電圧５ａＶから求めることができる（５ａＩ＝５ａＷ／５ａＶ）。また、ヒューズ６１ｂ，６１ｃの溶断電流の最小値６１ｂＩｍｉｎ，６１ｃＩｍｉｎの合計は、負荷装置５ｂに流れる電流値５ｂＩ，５ｃＩの合計より大きくなるよう設定される。
以下に示す例では、ヒューズ６１ａ〜６１ｄの溶断電流値６１ａＩ〜６１ｄＩを負荷装置５ａ，５ｂに流れる電流値５ａＩ〜５ｃＩの倍に設定するものとする。

まず、図２に示す従来構成の場合、単一のヒューズ６１ｄが端末装置３の入力端に配置されている。そのため、ヒューズ６１ｄとして溶断電流値６１ｄＩが６Ａのものを使用することになる。よって、例えば負荷装置５ａが短絡した場合には、端末装置３の入力端へ６Ａの電流が流れることになる。

一方、図１に示す本発明の構成の場合、回路の支流側に複数のヒューズ６１ａ〜６１ｃが並列接続されている。そのため、ヒューズ６１ａ〜６１ｃとして溶断電流値６１ａＩ〜６１ｃＩが２Ａのものを使用する。よって、例えば負荷装置５ａが短絡した場合には、負荷装置５ａ側には２Ａの電流が流れてヒューズ６１ａが溶断するが、残りの負荷装置５ｂ側は正常であるため１Ａずつの電流しか流れず、端末装置３の入力端へは４Ａの電流が流れることになる（６１ａＩ：２Ａ＋６１ｂＩ：１Ａ＋６１ｃＩ：１Ａ）。

したがって、本発明の構成では、図３に示すように、ヒューズ６１の溶断電流の最大値６１Ｉｍａｘを、電源装置２内の過電流保護装置４の動作範囲の最小値４Ｉｍｉｎよりも小さくなるよう設定することが可能となる。その結果、電流検出回路４１によって異常電流を検出し、スイッチ素子４２の開閉制御を行うことにより実現した電源装置２の過電流保護装置４が働く前に、端末装置３内のヒューズ６１を確実に溶断することができる。よって、従来構成の課題で示した故障の原因となる電流の停止・再開の繰り返しを防ぐことができ、端末装置３の信頼性を確保することができる。

また、電圧変換器６２ａとして、入力電圧値が１０Ｖであり、出力電圧値が５Ｖである降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータを用い、負荷装置５ａへ流れる電力値を１０Ｗとし、負荷装置５ｂを接続なしとする。ここで、電流Ｉ＝電力Ｗ／電圧Ｖであるため、端末装置３の入力端の電流は１Ａ（１０Ｗ／１０Ｖ）となり、負荷装置５ａに流れる電流値５Ｉａは２Ａ（１０Ｗ／５Ｖ）となる。
この場合、負荷装置５ａへ流れる電流値５Ｉａが２Ａから４Ａへ増加（２Ａ増）しても、端末装置３の入力端の電流は１Ａから２Ａへの増加（１Ａ増）に抑えることができる。 したがって、電源装置２内に流れる電流の増加量に対して負荷装置５に流れる電流値５Ｉの増加量を大きくすることができる。そして、負荷が同一であれば電圧を低くすることで流れる電流は大きくなるため、ヒューズ６１の前段に降圧式ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換器６２を設置することにより、高精度にヒューズ６１を溶断させることができる。よって、必要なヒューズ６１の数を抑えることができ、コストを抑えることができる。

また、本発明は、電源装置２を用いない端末装置３（例えば、商用電源等を内部で電圧変換するなど）の場合にも同様に適用可能である。そして、より低い電流でヒューズ６１を溶断させることにより、短絡時や準短絡（数Ωなどでの短絡）時に、部品に定格以上の大電流が流れ、故障が生じる可能性を低減することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、少なくとも２つ以上の負荷装置５が並列に接続された端末装置３に搭載され、当該端末装置３を過電流から保護する過電流保護装置６であって、負荷装置５の前段に個々にヒューズ６１を備えたので、電源装置２内の過電流保護装置４が働く前にヒューズ６１を確実に溶断することができ、端末装置３の信頼性を確保することができる。また、ヒューズ６１を溶断させるために大きな容量の電源装置２を用意する必要がないため、システム全体のコストを下げ、小型化を図ることが可能となる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る過電流保護装置６が端末装置３に搭載されたシステムの構成例を示す図である。この図４に示す実施の形態２に係る過電流保護装置６は、図１に示す実施の形態１に係る過電流保護装置６に異常検出部６３、ＬＥＤ等の表示部６４およびリセットＩＣ等の誤動作防止部６５を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

異常検出部６３は、ヒューズ６１の前後における電位差を監視することで、端末装置３の異常を検出するものである。図１に示す異常検出部６３は、２つの電圧監視部６３１，６３２および不図示のコンパレータから構成されている。
電圧監視部６３１は、ヒューズ６１の前段に配置され、ヒューズ６１への入力電圧を検出するものである。電圧監視部６３２は、ヒューズ６１の後段に配置され、ヒューズ６１からの出力電圧を検出するものである。コンパレータは、電圧監視部６３１，６３２による検出結果を比較することにより、ヒューズ６１が溶断して端末装置３が異常状態となったかを検出するものである。

表示部６４は、異常検出部６３による検出結果を表示するものである。
誤動作防止部６５は、異常検出部６３により端末装置３の異常が検出された場合に、該当する負荷装置７の誤動作を防止するものである。

次に、上記のように構成された過電流保護装置６の効果について説明する。
図３に示す構成において、ヒューズ６１ａ〜６１ｃが正常であれば、電圧監視部６３１の電位は電圧監視部６３２と同電位（Ｈｉｇｈレベル）である。一方、例えばヒューズ６１ａが溶断すると、電圧監視部６３１の電位がＬｏｗレベルとなる。よって、この電位を個々に監視することにより、どの経路に故障が発生したかを検出することができ、サイレント故障を防ぐことが可能となる。また、電位をワイヤード・オア接続することにより、１つでもヒューズ６１が溶断した場合に故障を検出することができる。ワイヤード・オア接続の場合、電圧監視を個々に行う必要がないため、安価に実現可能となる。

また、異常検出部６３により端末装置３の異常を検出した場合に、ＬＥＤ等の表示部６４に通知することにより、故障を視覚的に通知することができる。電圧監視部６３１により異常が検出された場合、その経路の電位はＬｏｗレベルである。よって、当該経路を表示部６４に接続することにより、ＬＥＤを消灯することが可能である。また、電圧監視部６３２側は電位がＨｉｇｈレベルである。よって、その経路を表示部６４に接続することにより、赤等の任意の色のＬＥＤを点灯させることが可能である。

さらに、異常検出部６３により端末装置３の異常を検出した場合に、誤動作防止部６５に通知することで、該当する負荷装置５の誤動作を防止することができる。すなわち、Ｌｏｗレベルとなった異常状態の経路をリセットＩＣ等の誤動作防止部６５に接続し、誤動作防止部６５の出力をＬＳＩ等の該当負荷装置５に接続することにより、Ｈ／Ｗリセットをかけて誤動作を防止する。また、Ｓ／Ｗリセットをかけることも可能である。Ｓ／Ｗリセットの場合、Ｈ／Ｗリセットに比べてリセットＩＣが不要な分、安価に実現可能であるが、Ｓ／Ｗリセットをかける負荷装置５への給電ラインのヒューズ６１が溶断した場合には、電圧監視部６３２等の別箇所から給電しなければならない。

以上のように、この実施の形態２によれば、ヒューズ６１の前後における電位差を監視することで、端末装置３の異常を検出する異常検出部６３を備えたので、実施の形態１における効果に加え、サイレント故障を防ぐことができる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る過電流保護装置６が端末装置３に搭載されたシステムの構成例を示す図である。この図５に示す実施の形態３に係る過電流保護装置６は、図４に示す実施の形態２に係る過電流保護装置６に通知部６６を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

通知部６６は、電気または通信網を通じて、異常検出部６３による検出結果を、端末装置３の外部に設けられた親装置７に通知するものである。
端末装置３と親装置７とが電気接続されている場合には、異常状態通知信号用の専用配線を設置し、異常検出部６３により端末装置３の異常が検出された場合にＨｉｇｈレベルまたはＬｏｗレベルの信号を親装置７に通知する。端末装置３と親装置７とが通信網を通じて接続されている場合には、端末装置３の実装プロトコルを使用して親装置７に異常を通知する。なお、親装置７では、異常通知を受けた場合に、音や表示等により管理者に報知する。これにより、外部の管理者は端末装置３の異常を知ることができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、異常検出部６３による検出結果を、端末装置３の外部に設けられた親装置７に通知する通知部６６を備えたので、実施の形態１，２における効果に加え、外部の管理者に端末装置３の異常を知らせることができる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４に係る過電流保護装置６が端末装置３に搭載されたシステムの構成例を示す図である。図６に示す実施の形態４に係る過電流保護装置６は、図５に示す実施の形態３に係る過電流保護装置６にヒューズ６７および電圧変換器６８を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

ヒューズ６７は、端末装置３の外部に設けられて負荷装置５に並列に接続された被給電端末装置８の前段に設けられ、過電流が流れた際に物理的に電線が溶断することにより過電流保護機能を実現するものである。また、電圧変換器６８は、ヒューズ６７の前段に設けられ、降圧変換を行うものである。
このように構成することで、被給電端末装置８の短絡時や準短絡時に、部品に定格異常の電流が流れて故障が生じる可能性を低減することができる。なお、ヒューズ６７を交換式にすることにより、ヒューズ６７と短絡した被給電端末装置８の交換で容易に復旧することができる。

なお図６では、図５に示す実施の形態３の構成にヒューズ６７および電圧変換器６８を追加した場合を示したが、図１，４に示す実施の形態１，２の構成にヒューズ６７および電圧変換器６８を追加するようにしてもよい。

また、実施の形態１〜４では、過電流保護素子としてヒューズ６１，６７を用いた場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、過電流保護素子として、例えば過電流保護機能付きのＤＣ／ＤＣコンバータ等を用いてもよく、同様の作用効果を得ることができる。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 電源入力端子、２ 電源装置、３ 端末装置（電子機器）、４，６ 過電流保護装置、５，５ａ，５ｂ 負荷装置、７ 親装置、８ 被給電端末装置、４１ 電流検出回路、４２ スイッチ素子、６１，６１ａ〜６１ｄ，６７ ヒューズ（過電流保護素子）、６２，６２ａ〜６２ｃ，６８ 電圧変換器、６３ 異常検出部、６４ 表示部、６５ 誤動作防止部、６６ 通知部、６３１，６３２ 電圧監視部。

Claims (7)

1. 少なくとも２つ以上の負荷装置が並列に接続された電子機器に搭載され、当該電子機器を過電流から保護する過電流保護装置であって、
   前記負荷装置の前段に個々に過電流保護素子を備えた
   ことを特徴とする過電流保護装置。
2. 前記過電流保護素子の前段に個々に降圧式の電圧変換器を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の過電流保護装置。
3. 前記過電流保護素子の前後における電位差を監視することで、前記電子機器の異常を検出する異常検出部を備えた
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の過電流保護装置。
4. 前記異常検出部による検出結果を表示する表示部を備えた
   ことを特徴とする請求項３記載の過電流保護装置。
5. 前記異常検出部により前記電子機器の異常が検出された場合に、該当する前記負荷装置の誤動作を防止する誤動作防止部を備えた
   ことを特徴とする請求項３または請求項４記載の過電流保護装置。
6. 前記異常検出部による検出結果を、前記電子機器の外部に設けられた装置に通知する通知部を備えた
   ことを特徴とする請求項３から請求項５のうちのいずれか１項記載の過電流保護装置。
7. 前記電子機器の外部に設けられて前記負荷装置に並列に接続された装置の前段に過電流保護素子を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の過電流保護装置。

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