JP2019092316A

JP2019092316A - 電源装置およびその制御方法

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Publication number: JP2019092316A
Application number: JP2017220127A
Authority: JP
Inventors: 智浩河本; Tomohiro Kawamoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: US20190148937A1; US10811875B2; JP6951206B2

Abstract

【課題】受電における電力効率を改善しつつ負荷部への安定した電力供給を行う。【解決手段】第１の電源及び第２の電源から受電可能に構成され、負荷部へ電力を提供する電源装置は、第１の電源からの第１の電圧を変換した第１の変換電圧の電力を供給する第１の供給手段と、第２の電源からの第２の電圧の電力を供給する第２の供給手段と、第２の電源からの第２の電圧を変換した第２の変換電圧の電力を供給する第３の供給手段と、第１の電源及び第２の電源からの受電状態に基づいて、第１乃至第３の供給手段の何れにより負荷部へ電力を供給するかを制御する制御手段と、を有する。制御手段は、第１の電源からの受電を開始した所定の期間は、第３の供給手段により負荷部へ電力を供給するよう制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、供給元の電源を切り替えて利用する電源装置に関するものである。

近年、イーサネット（登録商標）ケーブルを用いてデータと電力を供給する技術が知られている。例えば、ＩＥＥＥ８０２．３ａｔ規格に準拠したものはＰｏＥ（Power Over Ethernet（登録商標））と呼ばれている。ＰｏＥでは、給電装置（ＰＳＥ：Power Sourcing Equipment）から受電装置（ＰＤ：Powered Device）に電力が供給される。ＰｏＥでは、ケーブルに過大な電流が流れるのを防止するため、ＰＳＥは所定以上の電流が消費されるとＰＤへの給電を停止する機能を有する。また、ＰＳＥは、ＰＤが接続された場合、規格に則ったネゴシエーションフローを実施したのち、ＰＤへの給電を開始する。ここで、ＰＳＥは、ネゴシエーションフローを終えるまでの間、過大な電流が流れるのを防止するために給電を停止する機能を有する。

このため、例えば、汎用電源（ＡＣアダプタなど）及びＰｏＥ電源（ＰＳＥ）を切り替えて受電可能な受電装置（例えば、監視カメラ）においては、電源切り替えの際に動作に課題がある。例えば、ＡＣアダプタからＰＳＥに切り替えた際に、ネゴシエーションフローを終えるまでの間、給電が行われないために動作が停止してしまうという課題がある。

特許文献１では、ＰｏＥ対応電源の電圧が所定の電圧に達してから所定の期間が経過した後に、ＡＣアダプタからＰｏＥ対応電源に切り替わるようにすることで、給電停止を防止する技術が開示されている。

特開２０１５−１９２５０６号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術においては、汎用電源からの給電経路に昇圧回路を有していることにより受電時の電力効率が低くなるという課題がある。更に、回路からの発熱が増加するため熱対策にも追加のコストが必要となる。

本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、受電における電力効率を改善しつつ負荷部への安定した電力供給が可能な電源装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る電源装置は以下の構成を備える。すなわち、第１の電源及び第２の電源から受電可能に構成され、負荷部へ電力を提供する電源装置は、前記第１の電源からの第１の電圧を変換した第１の変換電圧の電力を供給する第１の供給手段と、前記第２の電源からの第２の電圧の電力を供給する第２の供給手段と、前記第２の電源からの前記第２の電圧を変換した第２の変換電圧の電力を供給する第３の供給手段と、前記第１の電源及び前記第２の電源からの受電状態に基づいて、前記第１の供給手段と前記第２の供給手段と前記第３の供給手段との何れにより前記負荷部へ電力を供給するかを制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記第１の電源に接続してから所定の期間は、前記第３の供給手段により前記負荷部へ電力を供給するよう制御する。

本発明によれば、受電における電力効率を改善しつつ負荷部への安定した電力供給が可能な電源装置を提供することができる。

第１実施形態に係る受電装置の内部構成を示すブロック図である。２つの電源との接続状態に対応するＦＥＴの動作状態を示す図である。２つの電源の両方に接続している場合の電源の供給状態を例示的に示す図である。電源１０１のみと接続している場合の電源の供給状態を例示的に示す図である。電源１０２のみと接続している場合の電源の供給状態を例示的に示す図である。２つの電源との接続状態それぞれにおいて負荷部へ供給する電源を示す図である。電源１０２による電源供給から電源１０１による電源供給に切り替える場合の負荷部への供給電圧を例示的に示す図である。電源１０１による電源供給から電源１０２による電源供給に切り替える場合の負荷部への供給電圧を例示的に示す図である。図８のｔ０＜ｔ＜ｔ１の期間における負荷部への電源の供給状態を例示的に示す図である。

以下に、図面を参照して、この発明の実施の形態の一例を詳しく説明する。なお、以下の実施の形態はあくまで例示であり、本発明の範囲を限定する趣旨のものではない。

（第１実施形態）
本発明に係る電源装置の第１実施形態として、ＰＳＥ及び汎用電源から給電を受ける受電装置１０３を例に挙げて以下に説明する。

＜装置構成＞
図１は、第１実施形態に係る受電装置１０３の内部構成を示すブロック図である。電源１０２は、ＰｏＥ規格に準じた電源供給を行う電源装置（すなわち、ＰＳＥ）である。一方、電源１０１は、ＡＣアダプタなどに代表される汎用の電源装置である。また、受電装置１０３は、カメラなどに代表される電子機器である。

受電装置１０３では、電源１０１を含む２次電源系と、電源１０２を含む１次電源系と、が絶縁するように構成されている。また、受電装置１０３は、イメージセンサーや画像処理ＩＣなどからなる負荷部１１１に対して、電源１０１及び電源１０２から供給される電力を切り替えて提供するよう構成されている。

そのため、受電装置１０３は、２次電源系においては、電源１０１の電圧を変換する電圧変換部１０５を有している。より詳細には、電源１０１と電圧変換部１０５との間には逆流防止用ダイオード１０４が配置され、電圧変換部１０５と負荷部１１１との間には逆流防止用ダイオード１０６が配置される。また、ダイオード１０４と負荷部１１１との間にはスイッチ機能としてのＦＥＴ１０７が配置される。また、受電装置１０３は、１次電源系においては、電源１０２の電圧を変換する絶縁型電圧変換部１０９を有している。

また、絶縁型電圧変換部１０９と負荷部１１１との間には逆流防止用ダイオード１１０が配置される。更に、電源１０２とＦＥＴ１０７の間には、電源１０２が接続されていることを１次電源系から２次電源系へ伝達するフォトカプラ１０８が配置される。すなわち、フォトカプラ１０８は、電源１０２が接続されていることを検出する検出部の機能を担っている。

なお、以下の説明では、電源１０２の出力電圧は４８Ｖであり、電源１０１の出力電圧は１２Ｖであるとする。また、電圧変換部１０５の出力電圧は８Ｖであり、絶縁型電圧変換部１０９の出力電圧は１０Ｖであるとする。

＜装置の動作＞
受電装置が動作する場合における２つの電源との接続状態（受電状態）には以下の３つのパターンがある（双方に接続していないパターンでは負荷部への給電は不可能のため考慮しない）。なお、ここで「接続」とは、電源供給が可能な状態であることを意味している。

パターン１：電源１０１と電源１０２が両方接続されている場合
パターン２：電源１０２のみが接続されている場合
パターン３：電源１０１のみが接続されている場合

図２は、２つの電源との接続状態に対応するＦＥＴ１０７の動作状態を示す図である。パターン１では「ＯＦＦ」、パターン２では「ＯＦＦ」、パターン３では「ＯＮ」となる。詳しくは後述するが、ＦＥＴ１０７は、ダイオード１０４から負荷部１１１への給電とダイオード１０６から負荷部１１１への給電とを切り替える制御を担う。また、図６は、２つの電源との接続状態それぞれにおいて負荷部１１１へ実際に電源供給を行う電源を示す図である。

自明ではあるが、パターン２では電源１０２が負荷部１１１へ電源を供給し、パターン３では電源１０１が負荷部１１１へ電源を供給する。そのことを明示的に示すため、図６では、パターン２に対しては電源１０２を丸印で囲っており、パターン３では電源１０１を丸印で囲っている。一方、パターン１においては、電源１０２から負荷部１１１へ、電源が供給される。このことを明示的に示すため、図６では、電源１０２を丸印で囲っている。

以下では、上述した３つのパターンにおいて、電源供給に関する変化が発生した場合の負荷部１１１への電圧供給経路の変化を説明する。具体的には、パターン１からパターン２、パターン１からパターン３、パターン３からパターン１、パターン２からパターン１、の４つの状態変化について説明する。

＜１．パターン１からパターン２へ変化した場合の動作＞
図３は、２つの電源の両方に接続している場合の電源の供給状態を例示的に示す図である。すなわち、図６におけるパターン１での電圧供給状態を示している。電源１０１と電源１０２が両方接続されているため、ＦＥＴ１０７は、図２で説明したとおり「ＯＦＦ」となる。

電源１０１から供給された１２Ｖの電圧は、電圧変換部１０５によって８Ｖへと変換される。一方、電源１０２から供給された４８Ｖの電圧は、絶縁型電圧変換部１０９によって１０Ｖへと変換される。

電圧変換部１０５の出力と絶縁型電圧変換部１０９の出力とは、ダイオード１０６とダイオード１１０によってダイオードＯＲ接続されている。このダイオードＯＲ接続は、電圧変換部１０５からの出力と絶縁型電圧変換部１０９からの出力との切り替え機能を担っている。具体的には、負荷部１１１に対しては、電圧が高いダイオード１１０側から供給が行われる。

図３の状態から、電源１０１が抜かれた場合、すなわち、図６におけるパターン１からパターン２に変化した場合は、電源の切り替えが発生しない。つまり、負荷部１１１へ電力を供給する電源は供給電源１０２のまま変化しない。したがって、負荷部１１１への給電停止は、そもそも発生しない。

＜２．パターン１からパターン３へ変化した場合の動作＞
図３の状態から、電源１０２が抜かれた場合、すなわち、図６におけるパターン１からパターン３に変化した場合は、電源の切り替えが発生する。つまり、負荷部１１１へ電力を供給する電源は電源１０２から電源１０１へ変化する。

図７は、電源１０２による電源供給から電源１０１による電源供給に切り替える場合の負荷部１１１への供給電圧を例示的に示す図である。横軸は時間ｔ、縦軸は電圧Ｖを示しており、ｔ＝ｔ０のときに電源の切り替えが発生した場合を示している。

すなわち、ｔ＝ｔ０のときに、電源１０２から電源供給されている状態から、電源１０１から電源供給されている状態への切り替えが発生した場合を示している。そのため、図２に従って、ｔ＝ｔ０を境に、ＦＥＴ１０７は「ＯＦＦ」の状態から「ＯＮ」の状態に変化する。

電源の切り替えが発生する前（すなわちｔ＜ｔ０）は、図６におけるパターン１の状態である。そのため、上述したとおり、負荷部１１１へは、電源１０２から電源供給されている状態であり、その電圧値は１０Ｖである。

電源の切り替えが発生した後（すなわちｔ＞ｔ０）は、図６におけるパターン３の状態である。そのため、上述したとおり、負荷部１１１へは、電源１０１から電源供給されている状態であり、その電圧値は１２Ｖである。

このように、パターン１からパターン３に変化した場合には、電源と受電装置１０３のネゴシエーションフローは発生しない。したがって、負荷部１１１への給電停止が生じることなく電源の切り替えを行うことができる。

＜３．パターン３からパターン１へ変化した場合の動作＞
図４は、電源１０１のみと接続している場合の電源の供給状態を例示的に示す図である。すなわち、図６におけるパターン３での電圧供給状態を示している。電源１０１のみが接続されているため、ＦＥＴ１０７は、図２で説明したとおり「ＯＮ」となる。

電源１０１から供給された１２Ｖの電圧は、電圧変換部１０５によって、８Ｖへと変換される。電圧変換部１０５の出力と電源１０１の出力とは、ダイオード１０４とダイオード１０６によってダイオードＯＲ接続されている。このダイオードＯＲ接続は、電圧変換部１０５からの出力と電源１０１からの出力との切り替え機能を担っている。具体的には、負荷部１１１に対しては、電圧が高いダイオード１０４側から供給が行われる。

すなわち、第１実施形態の構成（図１）においては、ＦＥＴ１０７を介したダイオード１０４から負荷部１１１への経路が配置されている。そのため、電源１０１のみが接続されている場合にはＦＥＴ１０７を介した経路で負荷部１１１へ電力が供給されることとなる。その結果、電圧変換部１０５を通る経路で負荷部１１１へ電力を供給する場合よりも、電力効率が高くなるという効果がある。

図４の状態から、電源１０２が接続された場合、すなわち、図６におけるパターン３からパターン１に変化した場合は、電源の切り替えが発生する。つまり、負荷部１１１へ電力を供給する電源は電源１０１から電源１０２へ変化する。ただし、電源１０２と受電装置１０３のネゴシエーションのフローが発生するため、接続してから所定の期間は、電源１０２から受電装置１０３への給電は停止している状態にある。

図８は、電源１０１による電源供給から電源１０２による電源供給に切り替える場合の負荷部１１１への供給電圧を例示的に示す図である。図７と同様に、横軸は時間ｔ、縦軸は電圧Ｖを示しており、ｔ＝ｔ０のときに電源の切り替えが発生した場合を示している。

すなわち、ｔ＝ｔ０のときに、電源１０１から電源供給されている状態から、電源１０２から電源供給される状態への切り替えが発生した場合を示している。そのため、図２に従って、ｔ＝ｔ０を境に、ＦＥＴ１０７は「ＯＮ」の状態から「ＯＦＦ」の状態に変化する。

電源の切り替えが発生する前（すなわちｔ＜ｔ０）は、図６におけるパターン３の状態である。そのため、上述したとおり、負荷部１１１へは、電源１０１から電源供給されている状態であり、その電圧値は１２Ｖである。

電源の切り替えが発生した後（すなわちｔ＞ｔ０）は、図６におけるパターン１の状態である。切り替えた直後の所定の期間（ｔ０＜ｔ＜ｔ１）は、電源１０２と受電装置１０３のネゴシエーションのフローが発生する。これにより、電源１０２は受電装置１０３への給電を停止している状態にある。ただし、以下で説明するようにダイオード１０６側から８Ｖの電源の供給が行われることになる。

図９は、図８のｔ０＜ｔ＜ｔ１の期間における負荷部１１１への電源の供給状態を例示的に示す図である。絶縁型電圧変換部１０９は給電を停止しているが、電源１０２は接続されている。そのため、ＦＥＴ１０７の状態は、「ＯＦＦ」となる。そのため、負荷部１１１へは、ダイオード１０６側から電源の供給が行われる。

なお、電圧変換部１０５およびダイオード１０６を介した経路が存在しない場合は、図８におけるｔ０＜ｔ＜ｔ１の間に、負荷部１１１へ電源の供給を行うことができない。そのため、負荷部１１１への給電停止が発生してしまうことになる。

ｔ＞ｔ１では、電源１０２が受電装置１０３への給電を開始しているため、図３に示した電力供給状態となる。その電圧値は、上述したとおり、１０Ｖである。

このように、パターン３からパターン１に変化した場合においても、負荷部１１１への給電停止が生じることなく電源の切り替えを行うことができる。

＜４．パターン２からパターン１へ変化した場合の動作＞
図５は、電源１０２のみと接続している場合の電源の供給状態を例示的に示す図である。すなわち、図６におけるパターン２での電圧供給状態を示している。

電源１０１が接続されていないため、電源１０２から供給された４８Ｖの電圧は、絶縁型電圧変換部１０９によって１０Ｖへと変換され、ダイオード１１０を介して負荷部１１１へ供給が行われる。

図５の状態から、電源１０１が接続された場合、すなわち、図６におけるパターン２からパターン１に変化した場合は、電源の切り替えが発生しない。つまり、負荷部１１１へ電力を供給する電源は供給電源１０２のまま変化しない。したがって、負荷部１１１への給電停止は、そもそも発生しない。

以上説明したとおり第１実施形態によれば、受電装置１０３は、電源１０２からの受電を開始した所定の期間は、電源１０１からの第２の電圧を変換した第２の変換電圧の電力を負荷部へ供給する。具体的には、電源１０２が接続されている場合にＯＦＦになるＦＥＴ１０７を経由した第１の経路と、電圧変換部１０５を介した第２の経路と、を設け、電源１０２からの受電を開始した所定の期間における電力を提供する。この構成により、供給元の電源を切り替えて利用する電源装置において、受電における電力効率を改善しつつ負荷部への安定した電力供給が可能となる。

１０１電源（汎用電源）；１０２電源（ＰＳＥ）；１０３受電装置；１０４ダイオード；１０５電圧変換部；１０６ダイオード；１０７ＦＥＴ；１０８フォトカプラ；１０９絶縁型電圧変換部；１１０ダイオード；１１１負荷部

Claims

第１の電源及び第２の電源から受電可能に構成され、負荷部へ電力を提供する電源装置であって、
前記第１の電源からの第１の電圧を変換した第１の変換電圧の電力を供給する第１の供給手段と、
前記第２の電源からの第２の電圧の電力を供給する第２の供給手段と、
前記第２の電源からの前記第２の電圧を変換した第２の変換電圧の電力を供給する第３の供給手段と、
前記第１の電源及び前記第２の電源からの受電状態に基づいて、前記第１の供給手段と前記第２の供給手段と前記第３の供給手段との何れにより前記負荷部へ電力を供給するかを制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記第１の電源に接続してから所定の期間は、前記第３の供給手段により前記負荷部へ電力を供給するよう制御する
ことを特徴とする電源装置。
前記制御手段は、前記第１の電源から受電している場合は前記第１の供給手段により前記負荷部へ電力を供給するよう制御し、前記第２の電源のみから受電している場合は前記第２の供給手段により前記負荷部へ電力を供給するよう制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記第１の供給手段は、前記第１の電圧を前記第１の変換電圧に変換する第１の電圧変換部と、該第１の電圧変換部と前記負荷部との間に配置された第１のダイオードと、を有し、
前記第３の供給手段は、前記第２の電圧を前記第２の変換電圧に変換する第２の電圧変換部と、前記第２の電源と前記第２の電圧変換部との間に配置された第２のダイオードと、前記第２の電圧変換部と前記負荷部との間に配置された第３のダイオードと、を有し、
前記第２の供給手段は、前記第２のダイオードと前記負荷部との間に配置されたスイッチと、前記第１の電源から前記第１の電圧変換部への受電状態を検出する検出部と、を有し、
前記検出部により受電が検出された場合、前記スイッチはＯＦＦになり、前記検出部により受電が検出されない場合、前記スイッチはＯＮになるよう構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
前記スイッチがＯＮの場合に前記第１のダイオードの出力及び前記第２のダイオードの出力はダイオードＯＲ接続されるよう構成され、
前記スイッチがＯＦＦの場合に前記第１のダイオードの出力及び前記第３のダイオードの出力はダイオードＯＲ接続されるよう構成され、
前記第１の変換電圧は、前記第２の変換電圧より大きく前記第２の電圧より小さい
ことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
前記検出部はフォトカプラであり、
前記第１の電圧変換部は絶縁型電圧変換部である
ことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
前記第１の電圧は、前記第２の電圧より大きい
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電源装置。
前記第１の電源は、ＰｏＥ（Power Over Ethernet（登録商標））規格に基づいて動作する給電装置である
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の電源装置。
前記所定の期間において、前記第１の電源と前記電源装置との間で前記ＰｏＥ規格に基づくネゴシエーションが実施される
ことを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
前記負荷部は、カメラである
ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の電源装置。