JP2016220485A

JP2016220485A - 予防保守機能を具備するスイッチング電源

Info

Publication number: JP2016220485A
Application number: JP2015106033A
Authority: JP
Inventors: 数哉五嶋; Kazuya Goto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: CN106208674A; US9647530B2; DE102016109198A1; US20160352212A1; CN106208674B; JP6231520B2

Abstract

【課題】出力電圧が低下する前に電源動作が不安定になっていることを検出することが可能なスイッチング電源を提供すること。
【解決手段】本発明のスイッチング電源は、チョークコイルおよび出力コンデンサの劣化によって出力電圧が予め規定された電圧範囲外となる前にスイッチング周波数が予め規定された範囲外となるように制御を行う電源制御部と、ＰＷＭ波形のスイッチング周波数を計測するスイッチング周波数監視部と、スイッチング周波数監視部が計測したスイッチング周波数が予め規定された周波数範囲内に納まっているかを判定し、前記範囲内に納まっていない場合に予防保守アラームを出力するアラーム出力部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチング電源に関し、特に出力電圧が低下する前に電源動作が不安定になっていることを検出する予防保守機能を備えたスイッチング電源に関する。

スイッチング電源は、主にＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）により定電圧を出力している。このようなスイッチング電源を含む電源回路の異常を検出する従来技術として、図４に示すように、電源回路に出力電圧を監視する回路を組み込む手法が開示されている（例えば、特許文献１，２）。電源に電圧監視回路を組み込んで出力電圧を監視することにより電源に異常がないかをシステムにおいて認識することができる。

また、電源回路の異常を検出するその他の従来技術として、例えば特許文献３には、劣化の進行度（寿命）を推定する推定モデルに稼働状況を照らし合わせることで残存寿命を推定する技術が開示されている。

更に、特許文献４，５などには、スイッチング電源のスイッチング波形を監視し、監視した値（スイッチング周波数など）があらかじめ定められた閾値の範囲外になった場合に電源回路の異常を検出するスイッチング電源回路が開示されている。

特開平０２−１４５９７７号公報特開２００５−１７２６５３号公報特開平０５−０５６６２９号公報特開２００２−１５３０６４号公報特開２００１−２７５３４４号公報

しかしながら、従来技術には以下に示す課題がある。
特許文献１，２に示す電圧監視回路を備えた電源回路では、出力コンデンサの経年劣化などが原因で監視電圧を外れた出力電圧になると異常を検出することができるが、監視電圧の閾値が低いと、図５に示すように異常を検出してから不具合が発生するまでの期間が短くなり、交換部品の手配が間に合わないと突然の動作停止の要因となり得る。
一方で、必要以上に監視電圧の閾値を高めると、異常を検出してから不具合が発生するまでの交換部品の手配などに必要な期間を取ることができるが、副作用として図５に示すように正常動作期間が短くなり、結果としてコストが上昇することになる。
また、特許文献１，２に開示される技術では電圧監視ＩＣはＤＣレベルで監視を行っているため、電源精度に影響を与えるリップル電圧の監視を行う構成を別途設ける必要がある問題も発生する。

また、特許文献３に開示される技術においては、実際の回路状態を反映したモデルを利用していないため、推定モデルが適用可能な状況には対応できるものの、推定モデルと異なる劣化モードが発生した場合には、推定していた残存寿命より短い期間で不具合が発生するため、突然の動作停止の要因となる。

更に、特許文献４，５に開示される技術は、スイッチング周波数を監視する適用対象として絶縁型ＡＣ−ＤＣコンバータのスイッチング電源を想定している。このような絶縁型ＡＣ−ＤＣコンバータのスイッチング電源は、ハイパワーのアプリケーションであるため部品の劣化の進行が速く、特許文献４，５の技術のようにスイッチング周波数の異常発生後のスイッチング電源の動作（特性）を設定していない状況では、スイッチング周波数異常の検知から出力電源異常までの期間を適切に確保した監視閾値の設定が難しいため、予防保守としての効果は低い。

そこで本発明の目的は、出力電圧が低下する前に電源動作が不安定になっていることを検出することが可能なスイッチング電源を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、入力電圧を一定の出力電圧に制御するためのＰＷＭ波形を出力する電源制御部と、前記電源制御部が出力するＰＷＭ波形を平滑化するチョークコイルおよび出力コンデンサと、を備えたスイッチング電源において、前記ＰＷＭ波形のスイッチング周波数を計測するスイッチング周波数監視部と、該スイッチング周波数監視部が計測したスイッチング周波数が予め規定された周波数範囲内に納まっているかを判定し、前記範囲内に納まっていない場合に予防保守アラームを出力するアラーム出力部と、を備え、前記電源制御部は、チョークコイルおよび出力コンデンサの劣化によって出力電圧が予め規定された電圧範囲外となる前にスイッチング周波数が予め規定された範囲外となるように制御を行う、ことを特徴とするスイッチング電源である。

本願の請求項２に係る発明は、出力電圧を監視する出力電圧監視部を具備し、前記アラーム出力部は、該出力電圧監視部が計測した出力電圧が予め規定された電圧範囲内に収まっているかを判定し、前記範囲内に収まっていない場合に装置交換アラームを出力する、ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源である。

本発明により、出力電圧が低下する前に電源動作が不安定になっていることを検出することが可能となる。また、出力コンデンサのＥＳＲ異常、チョークコイルのインダクタンス低下など、スイッチング電源回路の部品の劣化（＝リップル電圧異常）を検知可能になる。

本発明では、実際の回路の不具合の予兆となる動作がトリガーとなるため、回路状態を反映した予防保守をおこなうことができ、従来技術で発生するような不適当な閾値の設定による副作用が起きることは無い。

また、スイッチング周波数の異常発生後に出力電圧異常が発生するスイッチング電源を用いることで、異常検知から不具合発生までの期間を確保することができ、更に、出力電圧も監視することにより、出力電圧異常のタイミングで装置交換を行うことができるため、保守周期の長期化を図ることができる。

本発明のスイッチング電源の機能概要を説明する図である。本発明の実施形態におけるスイッチング電源の概略構成図である。本発明のスイッチング電源の特性について説明する図である。従来技術におけるスイッチング電源の概略構成図である。従来技術におけるスイッチング電源の課題を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明のスイッチング電源の概要を説明する図である。本発明のスイッチング電源は、チョークコイル及び出力コンデンサの劣化によって出力電圧が予め規定された電圧範囲外となる前に、スイッチング周波数が予め規定された範囲外となるように設計されたスイッチング電源を対象としている。

本発明では、上述した特性を持つスイッチング電源に対してスイッチング周波数監視部を設け、該スイッチング周波数監視部でスイッチング波形を監視し、動作周波数があらかじめ定められた許容範囲内に納まっているかを見ることにより、スイッチング電源が正常動作しているかを判定する。

上述したように本発明で用いるスイッチング電源は、その特性によりスイッチング波形に乱れが出て動作周波数に変動が発生したとしても、その段階では出力電圧は大きく低下（変動）しないように設計されているため、スイッチング波形の変動の検出が予防保守のトリガーとなる。

図２は、本発明の一実施形態におけるスイッチング電源の概略構成図である。本発明のスイッチング電源１は、電源制御部１０、チョークコイル１１、出力コンデンサ１２、スイッチング周波数監視部１３、出力電圧監視部１４、アラーム出力部１５を備える。

電源制御部１０は、入力電圧に対してＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）を行い、スイッチング波形信号を出力する。電源制御部１０の内部では、チョークコイル１１および出力コンデンサ１２の劣化によって出力電圧が予め規定された電圧範囲外となる前に、スイッチング周波数が予め規定された範囲外となるように出力信号が制御される。電源制御部１０による出力信号の制御は、電源制御部１０に内蔵される位相補償回路の各定数を調節することで行われる。
例えば、図３に示すように、正常な特性値のチョークコイル、出力コンデンサが使用されている場合には適切な位相余裕を有し、かつ部品の劣化時に相当する異常な特性値を有するチョークコイル、出力コンデンサが使用されている場合には位相余裕が低下するように位相補償回路の各定数を調節し、チョークコイル及び出力コンデンサの劣化時にスイッチング周波数が予め規定された範囲外となるように設計する。電源制御部１０がデジタル制御の場合には、ＰＩＤパラメータなどの制御パラメータを同様に調節する。

チョークコイル１１、および出力コンデンサ１２は、電源制御部１０から出力されたスイッチング波形信号の出力フィルタ（平滑回路）として機能し、平滑化された出力電圧を出力する。
チョークコイルと出力コンデンサで構成されるローパスフィルタの時定数（√ＬＣ）を、スイッチング波形に乱れが出た際のスイッチング周波数に対して大きくすることで、スイッチング波形に乱れが出ても出力電圧は大きく低下（変動）しない。例えば、スイッチング波形信号に乱れが出た際のスイッチング周波数が、前記ローパスフィルタの遮断周波数（１／２π√ＬＣ）の１０倍以上の周波数となるようにローパスフィルタの時定数を設計する。

スイッチング周波数監視部１３は、電源制御部１０から出力されたスイッチング波形信号を監視し、該スイッチング波形信号のスイッチング周波数が予め規定された範囲内であるかを判定し、スイッチング周波数が予め規定された範囲外となった時にアラーム出力部１５に対して予防保守アラームを出力するよう指令する。スイッチング周波数監視部１３は、ＣＰＵやメモリ、ＤＳＰなどで構成される。

出力電圧監視部１４は、スイッチング電源の出力電圧を監視し、該出力電圧が予め設定された電圧値の範囲内であるかを判定し、出力電圧が予め規定された範囲外となった時に、アラーム出力部１５に対して装置交換アラームを出力するよう指令する。出力電圧監視部１４は、設定された最大電圧値Ｖ_H、最小電圧値Ｖ_Lなどと比較する比較回路などで構成される。

アラーム出力部１５は、スイッチング周波数監視部１３からの予防保守アラーム出力指令、または出力電圧監視部１４からの装置交換アラーム出力指令に従って、予防保守アラーム、または装置交換アラームをそれぞれ出力する。アラームの出力はＬＥＤなどの視覚的なアラームとして出力してもよいし、音などにより出力するようにしてもよく、ユーザがそれぞれのアラームを区別できるように出力されていればどのような出力形態をとってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

１スイッチング電源
１０電源制御部
１１チョークコイル
１２出力コンデンサ
１３スイッチング周波数監視部
１４出力電圧監視部
１５アラーム出力部

Claims

入力電圧を一定の出力電圧に制御するためのＰＷＭ波形を出力する電源制御部と、前記電源制御部が出力するＰＷＭ波形を平滑化するチョークコイルおよび出力コンデンサと、を備えたスイッチング電源において、
前記ＰＷＭ波形のスイッチング周波数を計測するスイッチング周波数監視部と、
該スイッチング周波数監視部が計測したスイッチング周波数が予め規定された周波数範囲内に納まっているかを判定し、前記範囲内に納まっていない場合に予防保守アラームを出力するアラーム出力部と、を備え、
前記電源制御部は、前記チョークコイルおよび前記出力コンデンサの劣化によって出力電圧が予め規定された電圧範囲外となる前にスイッチング周波数が予め規定された範囲外となるように制御を行う、
ことを特徴とするスイッチング電源。
出力電圧を監視する出力電圧監視部を具備し、
前記アラーム出力部は、該出力電圧監視部が計測した出力電圧が予め規定された電圧範囲内に収まっているかを判定し、前記範囲内に収まっていない場合に装置交換アラームを出力する、
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源。