JP2017208891A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも過電圧保護に関わる部品の点数が少なく、製造コストが抑えられた電源装置を提供する。【解決手段】電源装置１は、負荷４０に主駆動電圧を出力する主電源部１０と、主駆動電圧が低下したときに主電源部１０に代わって負荷４０に副駆動電圧を出力する副電源部２０とを備えている。副電源部２０は、副駆動電圧を生成する副駆動電圧生成部と出力端子Ｔ２の間に設けられたスイッチＳＷ２と、接続用端子Ｔ１とスイッチＳＷ２のゲート端子に接続され、オン状態になることで上記ゲート端子の電圧を変動させるバイポーラトランジスタＱとを備え、主駆動電圧が過電圧状態になると、バイポーラトランジスタＱがオン状態になり、スイッチＳＷ２がオフ状態になる。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷に主駆動電圧を出力する主電源部と、主駆動電圧が低下したときに主電源部に代わって負荷に副駆動電圧を出力する副電源部とを備えた電源装置に関する。

従来から、様々な分野において、商用交流電圧から生成した主駆動電圧を負荷に出力する主電源部と、停電等により主駆動電圧が低下したときに主電源部に代わって負荷に副駆動電圧を出力する副電源部とを備えた電源装置が使用されている。このような電源装置は「無停電電源装置」と呼ばれることが多い。

従来の無停電電源装置としては、例えば、図５に示す電源装置１００がある。電源装置１００は、主電源部１０１と、副電源部１０２と、電気二重層コンデンサ１０３とを備えている。主電源部１０１は、商用交流電圧を直流化する整流平滑回路と、その出力電圧を所定の主駆動電圧に変換する第１のＤＣ／ＤＣコンバータとを含んでいる。また、副電源部１０２は、電気二重層コンデンサ１０３の電圧を所定の副駆動電圧に変換する第２のＤＣ／ＤＣコンバータを含んでいる。

主電源部１０１の第１のＤＣ／ＤＣコンバータは、負荷１０４、副電源部１０２および電気二重層コンデンサ１０３に主駆動電圧を出力する。また、副電源部１０２の第２のＤＣ／ＤＣコンバータは、停電等により主駆動電圧が低下したときに、電気二重層コンデンサ１０３に蓄えられた電力を利用して、副駆動電圧を負荷１０４に出力する。

特開平６−３５１２４５号公報

上記従来の電源装置１００では、主電源部１０１および副電源部１０２が負荷１０４に対して並列に接続されている。このため、この電源装置１００では、負荷１０４に過電圧が印加されるのを防ぐために、主電源部１０１および副電源部１０２のそれぞれに駆動電圧（主駆動電圧，副駆動電圧）の出力を停止させるためのスイッチ等を設ける必要があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、従来よりも過電圧保護に関わる部品の点数が少なく、製造コストが抑えられた電源装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電源装置は、負荷に主駆動電圧を出力する主電源部と、主駆動電圧が低下したときに主電源部に代わって負荷に副駆動電圧を出力する副電源部とを備えた電源装置であって、副電源部が、副駆動電圧を生成する副駆動電圧生成部と、負荷が接続される出力端子と、副駆動電圧生成部と出力端子の間に設けられた電圧制御型の第１スイッチと、第１スイッチと副駆動電圧生成部の接続点に接続され、主駆動電圧に応じてオン／オフ状態が切り替わることで第１スイッチの制御端子の電圧を変動させる第２スイッチとを備え、主電源部の出力が接続点に接続され、第１スイッチが主駆動電圧による駆動電流の経路と副駆動電圧による駆動電流の経路を兼ねており、主駆動電圧が過電圧状態になると、第２スイッチのオン／オフ状態が切り替わり、第１スイッチがオフ状態になるよう構成されていることを特徴とする。

この構成では、副電源部に備えられた第１スイッチが、主電源部が出力する主駆動電圧による駆動電流の経路にもなっている。そして、主駆動電圧が過電圧状態になると、第２スイッチのオン／オフ状態が切り替わり、第１スイッチがオフ状態になる。したがって、この構成によれば、主電源部が過電圧保護のためのスイッチを備えていなくても、負荷に過電圧が印加されるのを防ぐことができる。

上記電源装置の具体的な構成としては、例えば、第２スイッチが第１スイッチと副駆動電圧生成部の接続点および第１スイッチの制御端子に接続され、第２スイッチがオン状態になると第１スイッチがオフ状態になる構成が考えられる。

また、上記電源装置のさらに具体的な構成としては、例えば、副電源部が定電圧ダイオードをさらに備え、第１スイッチが、ドレイン端子が出力端子に接続され、かつソース端子が接続点に接続されたＰチャネル型の電界効果トランジスタであり、第２スイッチが、エミッタが接続点に接続され、コレクタが第１スイッチの制御端子たるゲート端子に接続され、かつベースが定電圧ダイオードのカソードに接続されたＰＮＰ型のバイポーラトランジスタであるとの構成が考えられる。

この構成によれば、主駆動電圧が定電圧ダイオードの設定電圧を上回ったときに、第２スイッチがオン状態になり、第１スイッチがオフ状態になるので、負荷に過電圧が印加されるのを防ぐことができる。

なお、上記電源装置の主電源部は、例えば、商用交流電圧を直流化して主駆動電圧を生成する回路を含み、副駆動電圧生成部は、一次電池または二次電池の直流出力電圧を昇圧または降圧して副駆動電圧を生成する回路を含むが、これらには限定されない。

本発明によれば、従来よりも過電圧保護に関わる部品の点数が少なく、製造コストが抑えられた電源装置を提供することができる。

本発明の実施例に係る電源装置の回路図である。 図１に示す電源装置に備えられた主電源部の回路図である。 図１に示す電源装置に備えられたスイッチング制御部の回路図である。 図１に示す電源装置の動作波形図である。 従来の電源装置の回路図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る電源装置の実施例について説明する。

図１に示すように、本発明の実施例に係る電源装置１は、出力端子Ｔ３から主駆動電圧を出力する主電源部１０と、出力端子Ｔ２から副駆動電圧または上記主駆動電圧を出力する副電源部２０とを備えている。主電源部１０の出力端子Ｔ３は、副電源部２０に設けられた接続用端子Ｔ１に接続されている。

図２に示すように、主電源部１０は、直流電圧源１１と、直流電圧源１１と出力端子Ｔ３の間において直列に接続されたスイッチＳＷ３およびコイルＬ２と、スイッチＳＷ３とコイルＬ２の接続点にカソードが接続されたダイオードＤ３と、出力端子Ｔ３に一端が接続されたコンデンサＣ２とを備えている。ダイオードＤ３のアノードおよびコンデンサＣ２の他端は接地されている。

直流電圧源１１は、商用交流電圧を直流化して所定の直流電圧を出力する回路で構成されているが、これには限定されず、一次電池、二次電池または大容量のコンデンサで構成されていてもよい。

主電源部１０は、不図示のスイッチング制御部がスイッチＳＷ３をオン／オフさせることで、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、出力端子Ｔ３から直流の主駆動電圧を出力する。本実施例では、主駆動電圧は５．２［Ｖ］である。

図１に示すように、副電源部２０は、直流電圧源２１と、直流電圧源２１と出力端子Ｔ２の間において直列に接続されたコイルＬ１、ダイオードＤ１およびスイッチＳＷ２と、コイルＬ１とダイオードＤ１の接続点に一端（ドレイン端子）が接続されたスイッチＳＷ１とを備えている。スイッチＳＷ１の他端（ソース端子）は接地されている。

コイルＬ１、ダイオードＤ１およびスイッチＳＷ１は、本発明の「副駆動電圧生成部」を構成している。副駆動電圧生成部は、後述するスイッチング制御部２３がスイッチＳＷ１をオン／オフさせることで、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、直流の副駆動電圧を出力端子Ｔ２から出力する。本実施例では、副駆動電圧は５．０［Ｖ］である。

直流電圧源２１は、満充電時の電圧が５．０［Ｖ］よりも低い一次電池で構成されているが、これには限定されず、二次電池または直流電圧を出力し得る回路で構成されていてもよい。

スイッチＳＷ１は、ドレイン端子がコイルＬ１とダイオードＤ１の接続点に接続され、ソース端子が接地されたＮチャネル型の電界効果トランジスタからなる。

スイッチＳＷ２は、ドレイン端子が出力端子Ｔ２に接続され、ソース端子が副駆動電圧生成部を構成するダイオードＤ１のカソード（すなわち、接続用端子Ｔ１）に接続されたＰチャネル型の電界効果トランジスタからなる。スイッチＳＷ２は、本発明の「第１スイッチ」に相当する。

副電源部２０は、低電圧検出部２２と、低電圧検出部２２の出力に一端が接続された抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ１の他端に一端が接続された抵抗Ｒ３とをさらに備えている。抵抗Ｒ３の他端は副駆動電圧生成部とスイッチＳＷ２の接続点（すなわち、接続用端子Ｔ１）に接続され、抵抗Ｒ１の他端はスイッチＳＷ２のゲート端子にも接続されている。

低電圧検出部２２は、直流電圧源２１の電圧が正常な場合、すなわち直流電圧源２１の電圧が予め定められた閾値よりも大きい場合、Ｌｏｗレベル（０［Ｖ］）の電圧を出力する。このとき、スイッチＳＷ２はオン状態となる。一方、低電圧検出部２２は、直流電圧源２１の電圧が予め定められた閾値よりも小さい場合、特定の電圧を出力しない。その結果、スイッチＳＷ２のゲート端子の電圧（制御電圧）は、ソース端子の電圧にほぼ等しくなり、スイッチＳＷ２はオフ状態となる。スイッチＳＷ２のゲート端子とソース端子の電圧が等しくなるのは、抵抗Ｒ３が存在するからである。

副電源部２０は、出力端子Ｔ２に一端が接続された抵抗Ｒ４と、抵抗Ｒ４の他端に一端が接続された抵抗Ｒ５と、出力端子Ｔ２に一端が接続されたコンデンサＣ１と、スイッチング制御部２３とをさらに備えている。抵抗Ｒ５の他端およびコンデンサＣ１の他端は接地されている。また、スイッチング制御部２３は、分圧回路を構成する抵抗Ｒ４，Ｒ５の接続点に接続された端子Ｔ４と、抵抗Ｒ１を介して低電圧検出部２２の出力に接続された端子Ｔ５と、スイッチＳＷ１のゲート端子に接続された端子Ｔ６とを有している。

本実施例では、抵抗Ｒ４，Ｒ５は抵抗値が等しい。したがって、スイッチング制御部２３の端子Ｔ４には、負荷４０に出力されている電圧の１／２倍の電圧が入力される。例えば、主駆動電圧（＝５．２［Ｖ］）が負荷４０に出力されている場合、スイッチング制御部２３の端子Ｔ４には、２．６［Ｖ］が入力される。

図３に示すように、スイッチング制御部２３は、基準電圧源３０と、誤差アンプ３１と、波形生成部３２と、ＰＷＭコンパレータ３３と、ＮＯＴ回路３４，３６と、ＮＡＮＤ回路３５とを備えている。誤差アンプ３１は、非反転入力端子（＋）が端子Ｔ４に接続され、反転入力端子（−）が基準電圧源３０に接続されている。ＰＷＭコンパレータ３３は、反転入力端子（−）が誤差アンプ３１の出力端子に接続され、非反転入力端子（＋）が波形生成部３２に接続されている。ＮＯＴ回路３４は、入力端子が端子Ｔ５に接続されている。ＮＡＮＤ回路３５は、第１入力端子がＰＷＭコンパレータ３３の出力端子に接続され、第２入力端子がＮＯＴ回路３４の出力端子に接続されている。また、ＮＯＴ回路３６は、入力端子がＮＡＮＤ回路３５の出力端子に接続され、出力端子が端子Ｔ６に接続されている。

基準電圧源３０の電圧は、上記２．６［Ｖ］よりも僅かに低い２．５［Ｖ］である。また、波形生成部３２は、三角波形、鋸波形等のＲＡＭＰ信号を生成する。

低電圧検出部２２が、直流電圧源２１の電圧が予め定められた閾値よりも小さいことを検出している場合、すなわち、端子Ｔ５の電圧がＨｉｇｈレベルの場合、端子Ｔ６の電圧はＬｏｗレベルとなる。主駆動電圧が負荷４０に出力されている場合、すなわち、端子Ｔ４の電圧が基準電圧源３０の電圧よりも大きい場合も、端子Ｔ６の電圧はＬｏｗレベルとなる。これらの場合、スイッチＳＷ１はオフ状態に維持され、副駆動電圧生成部は昇圧動作を行わない。

一方、上記２つの場合に当てはまらない場合は、誤差アンプ３１から出力される誤差信号と波形生成部３２から出力されるＲＡＭＰ信号の大小関係が変化する度に、端子Ｔ６の電圧は変化する。その結果、スイッチＳＷ１はオン／オフを繰り返し、副駆動電圧生成部は昇圧動作により生成した副駆動電圧を出力する。

図１に示すように、副電源部２０は、スイッチＳＷ２のソース端子にエミッタが接続され、スイッチＳＷ２のゲート端子にコレクタが接続されたＰＮＰ型のバイポーラトランジスタＱと、スイッチＳＷ２のソース端子に一端が接続され、バイポーラトランジスタＱのベースに他端が接続された抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ２の他端にカソードが接続された定電圧ダイオードＤ２とをさらに備えている。定電圧ダイオードＤ２のアノードは接地されている。

バイポーラトランジスタＱは、本発明の「第２スイッチ」に相当する。また、本実施例では、定電圧ダイオードＤ２の設定電圧は５．６［Ｖ］である。

主電源部１０が出力する主駆動電圧が正常な場合、定電圧ダイオードＤ２はオフ状態となる。この場合、バイポーラトランジスタＱは、オフ状態に維持され、スイッチＳＷ２のゲート端子の電圧に何ら影響を及ぼさない。

一方、主電源部１０が出力する主駆動電圧が５．６［Ｖ］を超える過電圧状態になると、定電圧ダイオードＤ２はオン状態になる。そして、スイッチＳＷ２のゲート端子の電圧がソース端子の電圧にほぼ等しくなり、スイッチＳＷ２はオフ状態となる。これにより、負荷４０が過電圧から保護される。

図４は、本実施例に係る電源装置１の過電圧保護動作を示す波形図である。時間ｔ１において、接続用端子Ｔ１の電圧Ｖｔ１（すなわち、主駆動電圧）が５．２［Ｖ］から１０［Ｖ］に変化すると、定電圧ダイオードＤ２のカソード電圧Ｖｄ２が５．２［Ｖ］から５．６［Ｖ］に変化する。そして、これと同時にバイポーラトランジスタＱがオン状態になり、スイッチＳＷ２がオフ状態になり、出力端子Ｔ２の電圧Ｖｔ２が５．２［Ｖ］から０［Ｖ］に低下する。その後、時間ｔ２において過電圧状態が解消すると、電圧Ｖｔ２は５．２［Ｖ］に復帰する。

このように、本実施例に係る電源装置１では、副電源部２０のスイッチＳＷ２が主駆動電圧による駆動電流の経路と副駆動電圧による駆動電流の経路を兼ねるように主電源部１０と副電源部２０が接続されているので、スイッチＳＷ２をオフ状態に変化させることにより、過電圧状態となった主駆動電圧が負荷４０に印加されるのを防ぐことができる。言い換えると、本実施例に係る電源装置１によれば、主電源部１０が過電圧保護のためのスイッチを備えていなくても、負荷４０に過電圧が印加されるのを防ぐことができる。

以上、本発明の実施例に係る電源装置１について説明してきたが、本発明の構成は実施例の構成に限定されるものではない。

例えば、主電源部１０は、負荷４０に適した直流の主駆動電圧を出力し得る任意の回路構成をとることができる。同様に、副電源部２０の副駆動電圧生成部も、負荷４０に適した直流の副駆動電圧を出力し得る任意の回路構成（例えば、昇圧回路および降圧回路）をとることができる。

また、上記実施形態では、バイポーラトランジスタＱ（第２スイッチ）がスイッチＳＷ２（第１スイッチ）の制御端子に接続され、第２スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わることで第１スイッチがオフ状態になるように構成しているが、第２スイッチがオン状態からオフ状態に切り替わることで第１スイッチがオフ状態になるように構成してもよい。すなわち、主駆動電圧に応じて第２スイッチのオン／オフ状態が切り替わるように構成し、主駆動電圧が過電圧状態になると、第２スイッチのオン／オフ状態が切り替わり、第１スイッチがオフ状態になればよい。

１ 電源装置
１０ 主電源部
１１ 直流電圧源
２０ 副電源部
２１ 直流電圧源
２２ 低電圧検出部
２３ スイッチング制御部
３０ 基準電圧源
３１ 誤差アンプ
３２ 波形生成部
３３ ＰＷＭコンパレータ
３４ ＮＯＴ回路
３５ ＮＡＮＤ回路
３６ ＮＯＴ回路
４０ 負荷
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１，Ｄ３ ダイオード
Ｄ２ 定電圧ダイオード
Ｌ１，Ｌ２ コイル
Ｑ バイポーラトランジスタ（本発明の「第２スイッチ」）
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ 抵抗
ＳＷ１，ＳＷ３ スイッチ
ＳＷ２ スイッチ（本発明の「第１スイッチ」）

Claims (4)

1. 負荷に主駆動電圧を出力する主電源部と、前記主駆動電圧が低下したときに前記主電源部に代わって前記負荷に副駆動電圧を出力する副電源部とを備えた電源装置であって、
   前記副電源部が、
   前記副駆動電圧を生成する副駆動電圧生成部と、
   前記負荷が接続される出力端子と、
   前記副駆動電圧生成部と前記出力端子の間に設けられた電圧制御型の第１スイッチと、
   前記第１スイッチと前記副駆動電圧生成部の接続点に接続され、前記主駆動電圧に応じてオン／オフ状態が切り替わることで前記第１スイッチの制御端子の電圧を変動させる第２スイッチと、を備え、
   前記主電源部の出力が前記接続点に接続され、前記第１スイッチが前記主駆動電圧による駆動電流の経路と前記副駆動電圧による駆動電流の経路を兼ねており、
   前記主駆動電圧が過電圧状態になると、前記第２スイッチのオン／オフ状態が切り替わり、前記第１スイッチがオフ状態になるよう構成されている
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記第２スイッチが前記接続点および前記制御端子に接続され、
   前記第２スイッチがオン状態になると、前記第１スイッチがオフ状態になる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記副電源部が、定電圧ダイオードをさらに備え、
   前記第１スイッチは、ドレイン端子が前記出力端子に接続され、かつソース端子が前記接続点に接続されたＰチャネル型の電界効果トランジスタであり、
   前記第２スイッチは、エミッタが前記接続点に接続され、コレクタが前記第１スイッチの前記制御端子たるゲート端子に接続され、かつベースが前記定電圧ダイオードのカソードに接続されたＰＮＰ型のバイポーラトランジスタであり、
   前記主駆動電圧が前記定電圧ダイオードの設定電圧を上回ると、前記第２スイッチがオン状態になり、前記第１スイッチがオフ状態になる
   ことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記主電源部が、商用交流電圧を直流化して前記主駆動電圧を生成する回路を含み、
   前記副駆動電圧生成部が、一次電池または二次電池の直流出力電圧を昇圧または降圧して前記副駆動電圧を生成する回路を含む
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電源装置。

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