JP2020184844A

JP2020184844A - 過電圧保護回路及び電源装置

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Publication number: JP2020184844A
Application number: JP2019088611A
Authority: JP
Inventors: 昌俊沓掛; Masatoshi Kutsukake; 森山　顕; Akira Moriyama; 顕森山
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2039-05-08
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Abstract

【課題】過電圧保護する際に、過電圧検出レベルを外乱ノイズのレベルよりも低く設定しても、耐ノイズ性を確保可能とする。【解決手段】過電圧保護回路４１は、コンバータ５１の出力電圧を第１の設定電圧に近づけるための第１の指令電圧を出力する誤差増幅器５３と、コンバータ５１の出力電圧を第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧に近づけるための第２の指令電圧を出力する過電圧検出回路５５と、を備え、第１の指令電圧及び第２の指令電圧に基づいてコンバータ５１を制御する。【選択図】図３

Description

本開示は、過電圧保護回路及び電源装置に関する。

電源装置として、出力電圧が所定の基準値を超えた過電圧状態になった場合に出力を停止させる過電圧保護回路を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１８４７０３号公報

電源装置の出力電圧は、外乱ノイズの影響により上昇する場合がある。そこで、耐ノイズ性を向上させるためには、電源装置の過電圧検出レベルを外乱ノイズのレベルよりも高く設定する必要がある。しかし、耐ノイズ性を向上させると、電源装置に接続される負荷モジュールの入力部の回路は、過電圧検出レベルよりも高い電圧に耐える設計にする必要があるため、部品コストの増加、回路サイズの巨大化などの要因となる。

そこで、本開示は、過電圧検出レベルを外乱ノイズのレベルよりも低く設定しても、耐ノイズ性を確保することが可能な過電圧保護回路及び電源装置を提供することにある。

幾つかの実施形態に係る過電圧保護回路は、コンバータの出力電圧を第１の設定電圧に近づけるための第１の指令電圧を出力する誤差増幅器と、前記コンバータの出力電圧を前記第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧に近づけるための第２の指令電圧を出力する過電圧検出回路と、を備え、前記第１の指令電圧及び前記第２の指令電圧に基づいて前記コンバータを制御する。
これにより、過電圧検出回路の過電圧検出レベルを外乱ノイズのレベルよりも低く設定しても、耐ノイズ性を確保することができる。

一実施形態において、前記第２の指令電圧が所定の電圧以下となると過電圧検出信号を出力する監視回路と、前記監視回路が前記過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定するタイマー回路と、を備え、前記タイマー回路により測定された期間が所定のタイマー時間に達すると、前記コンバータを非常停止させてもよい。
これにより、過電圧故障が発生した際に、入力可能な電圧レベルを超えた電圧が負荷モジュールに印加されることを防止することができ、信頼性を高めることができる。

一実施形態において、前記第２の指令電圧が所定の電圧以下となると過電圧検出信号を出力する監視回路と、前記監視回路が前記過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定するタイマー回路と、を備え、前記タイマー回路により測定された期間が所定のタイマー時間に達すると、警告を外部のシステムに通知してもよい。
これにより、過電圧故障が発生した際に、故障を外部のシステムを介してユーザに通達することができ、信頼性を高めることができる。

一実施形態において、前記第２の指令電圧が所定の電圧以下となると過電圧検出信号を出力する監視回路と、前記監視回路が前記過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定するタイマー回路と、を備え、前記過電圧検出回路は、前記タイマー回路により測定された期間が所定のタイマー時間に達すると、前記コンバータの出力電圧を前記第１の設定電圧に近づけるための第３の指令電圧を出力し、前記第１の指令電圧と、前記第２の指令電圧又は前記第３の指令電圧とに基づいて、前記コンバータを制御してもよい。
これにより、過電圧故障が発生した際に、電源装置及び負荷モジュールの故障リスクを低減させることができる。

一実施形態において、前記誤差増幅器の出力端子は、整流機能を有する第１の半導体素子の一方の端子に接続され、前記過電圧検出回路の出力端子は、整流機能を有する第２の半導体素子の一方の端子に接続され、前記第１の半導体素子及び前記第２の半導体素子の他方の端子同士は接続され、前記第１の半導体素子及び前記第２の半導体素子の前記他方の端子の電圧に基づいて前記コンバータを制御してもよい。
また、一実施形態において、前記誤差増幅器の出力端子は、第１の半導体素子の発光素子の一方の端子に接続され、前記過電圧検出回路の出力端子は、第２の半導体素子の発光素子の一方の端子に接続され、前記第１の半導体素子の受光素子の出力端子及び前記第２の半導体素子の受光素子の出力端子同士は接続され、前記第１の半導体素子及び前記第２の半導体素子の前記出力端子の電圧に基づいて前記コンバータを制御してもよい。
これにより、簡易な構成で、誤差増幅器の出力する第１の指令電圧、及び過電圧検出回路の出力する第２の指令電圧に基づいてコンバータを制御することができる。

幾つかの実施形態に係る電源装置は、前記過電圧保護回路を備える。
これにより、過電圧検出回路の過電圧検出レベルを外乱ノイズのレベルよりも低く設定しても、耐ノイズ性を確保することができる。

本開示によれば、過電圧検出レベルを外乱ノイズのレベルよりも低く設定しても、耐ノイズ性を確保することが可能な過電圧保護回路及び電源装置を提供することができる。

比較例に係る電源装置の構成を示すブロック図である。図１に示した過電圧保護回路の動作例を示す図である。第１の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置を示す図である。図３に示した過電圧保護回路及び電源装置の変形例を示す図である。図３及び図４に示した過電圧保護回路の動作例を示す図である。第２の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置を示す図である。図６に示した過電圧保護回路の動作例を示す図である。第３の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置を示す図である。図８に示した過電圧保護回路の動作例を示す図である。第４の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置を示す図である。図１０に示した過電圧保護回路の動作例を示す図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、回路構成には多種のバリエーション（出力電圧Ｖ_ｏｕｔを分圧したり、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの分圧比を変えて基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１，Ｖ_ｒｅｆ２を同じ値にしたり、誤差増幅器／過電圧検出回路／ＰＷＭ制御回路の動作極性を変えたり等）が考えられるが、本開示においては、簡単のため、下記の回路構成を前提に説明する。
・出力電圧Ｖ_ｏｕｔは分圧せずに、誤差増幅器、過電圧検出回路に直接入力する。
・誤差増幅器、過電圧検出回路は、非反転動作である。
・ＰＷＭ制御回路は、ＦＢ端子への入力電圧が低くなると、コンバータのスイッチング素子のデューティ比を低くする方向の信号を出力する。

まず、比較例に係る電源装置について説明する。図１は、比較例に係る電源装置１００の構成を示すブロック図である。比較例に係る電源装置１００は、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）フィルタ１０と、整流器２０と、平滑コンデンサ３０と、過電圧保護回路４０とを備える。過電圧保護回路４０は、コンバータ５１と、ＰＷＭ制御回路５２と、誤差増幅器５３と、過電圧検出回路５４とを備える。

電源装置１００は、ＥＭＩフィルタ１０により電磁ノイズを除去し、整流器２０により交流電力を直流電力に変換する。平滑コンデンサ３０は、整流器２０から入力された直流電圧を一定に維持し、コンバータ５１に出力する。

過電圧保護回路４０は、誤差増幅器５３が故障したことにより、コンバータ５１の出力電圧（すなわち、電源装置１００の出力電圧）Ｖ_ｏｕｔが正常動作時よりも高くなったときに、電源装置１００の出力に接続されている負荷モジュール２００を保護するための回路を含む。

誤差増幅器５３は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に基づいて、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルを制御する。

過電圧検出回路５４は、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが所定の設定電圧を超えた場合に過電圧を検出し、ハイレベルを出力する。また、誤差増幅器５３及び過電圧検出回路５４は、シャントレギュレータや差動増幅器であってもよい。

ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御回路５２は、ＦＢ（フィードバック）端子のレベルに応じて、コンバータ５１のスイッチング素子のデューティ比を変化させるためのＰＷＭ信号を生成し、コンバータ５１に出力する。また、ＰＷＭ制御回路５２は、ＳＤ（シャットダウン）端子に過電圧検出回路５４からハイレベルの電圧が入力されると、コンバータ５１のスイッチング素子のデューティ比を０％にするための信号をコンバータ５１に提供する。これにより、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは０Ｖとなる。

コンバータ５１は、スイッチング素子を有し、ＰＷＭ制御回路５２から入力されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子をオンオフさせることにより、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを変化させる。具体的には、コンバータ５１は、ＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子のレベルが低い場合には、スイッチング素子のデューティ比を下げて出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルを下げ、ＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子のレベルが高い場合には、スイッチング素子のデューティ比を上げて出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルを上げる。

図２は、過電圧保護回路４０の動作を示す図である。図２は上から順に、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形、誤差増幅器５３の出力電圧（図１で示した記号Ａの位置の電圧）の波形、過電圧検出回路５４の出力電圧（図１で示した記号Ｂの位置の電圧）の波形、及びＰＷＭ制御回路５２により制御されたデューティ比を示している。

ここで例えば、誤差増幅器５３が故障して誤差増幅器５３の出力電圧（図１で示した記号Ａの位置の電圧）が最大値（Ｍａｘ）になったような場合には、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルは上昇する。この場合、過電圧検出回路５４は出力電圧Ｖ_ｏｕｔの過電圧を検出し、過電圧検出回路５４の出力電圧（図１で示した記号Ｂの位置の電圧）をハイレベルにする。ＰＷＭ制御回路５２は、過電圧検出回路５４からハイレベルの信号を受け取ると、コンバータ５１のスイッチング素子のデューティ比を０％にするための信号を出力する。デューティ比が０％になると、コンバータ５１は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを０Ｖにする。

電源装置１００は、正常動作時においても、外乱ノイズや負荷変動など（以下、単に「外乱ノイズ」という。）の影響により出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが上昇する場合がある。その外乱ノイズによって、過電圧保護回路４０が誤動作しないように、過電圧検出電圧のレベルを外乱ノイズのレベルよりも高く設定する必要がある。

すなわち、図２で示すように、過電圧保護回路４０の過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐ’のレベルを外乱ノイズＶ_{ｎｏｉｓｅ}よりも高いレベルに設定する必要がある。そのため、電源装置１００に接続される負荷モジュール２００の入力部の回路は、電源装置１００の過電圧保護回路４０の過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐ’のレベルよりも高い電圧に耐える設計にする必要があり、部品コストの増加、回路サイズの巨大化などの要因となる。また、耐ノイズ性と過電圧保護回路４０の過電圧検出レベルはトレードオフの関係になっており、過電圧保護回路４０の過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐ’のレベルを下げると外乱ノイズにより過電圧保護回路４０が過敏に反応することとなり、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔが０Ｖになるケースが増えるなど、耐ノイズ性が低下してしまう。

そこで、本開示では、過電圧検出レベルを外乱ノイズのレベルよりも低く設定しても、耐ノイズ性を確保することが可能な過電圧保護回路及び電源装置について説明する。

（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置を示す図である。図３に示すように、電源装置１は、ＥＭＩフィルタ１０と、整流器２０と、平滑コンデンサ３０と、過電圧保護回路４１とを備える。過電圧保護回路４１は、コンバータ５１と、ＰＷＭ制御回路５２と、誤差増幅器５３と、過電圧検出回路５５と、半導体素子５６，５７とを備える。図１に示した電源装置１００と同じ構成については同一の参照番号を付して適宜説明を省略する。

誤差増幅器５３は、コンバータ５１の出力電圧（すなわち、電源装置１の出力電圧）Ｖ_ｏｕｔを第１の設定電圧に近づけるための第１の指令電圧を出力する。図３ではコンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔをそのまま誤差増幅器５３の入力電圧としているが、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを分圧して誤差増幅器５３の入力電圧としてもよい。誤差増幅器５３は、コンバータ５１から入力された電圧（コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔをそのまま誤差増幅器５３の入力電圧とする場合にはＶ_ｏｕｔであり、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを分圧して誤差増幅器５３の入力電圧とする場合にはＶ_ｏｕｔを分圧した電圧）を基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に近づけるための第１の指令電圧を出力する。

図１に示した従来の過電圧検出回路５４の出力はロジック的な動作となるが、過電圧検出回路５５の出力はアナログ的な動作を行う。過電圧検出回路５５は、誤差増幅器５３と同様の機能を有しており、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧（過電圧検出電圧）に近づけるための第２の指令電圧を出力する。
図３ではコンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔをそのまま過電圧検出回路５５の入力電圧としているが、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを分圧して過電圧検出回路５５の入力電圧としてもよい。過電圧検出回路５５は、コンバータ５１から入力された電圧（コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔをそのまま過電圧検出回路５５の入力電圧とする場合にはＶ_ｏｕｔであり、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを分圧して過電圧検出回路５５の入力電圧とする場合にはＶ_ｏｕｔを分圧した電圧）を基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２に近づけるための第２の指令電圧を出力する。

ここで、過電圧検出回路５５の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２は、誤差増幅器５３の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１よりも高いものとする。なお、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１と基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２とを等しくして、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの分圧比を変えて、過電圧検出回路５５の入力電圧が誤差増幅器５３の入力電圧よりも低くなるようにしてもよい。

半導体素子５６，５７は、図３ではダイオードである場合を示している。誤差増幅器５３及び過電圧検出回路５５は並列に接続される。誤差増幅器５３の出力端子は半導体素子５６を介してＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子に接続され、過電圧検出回路５５の出力端子は、半導体素子５７を介してＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子に接続される。すなわち、半導体素子５６，５７と抵抗により、誤差増幅器５３の出力電圧と、過電圧検出回路５５の出力電圧との比較を行っている。同電圧比較が可能であれば、本回路構成以外の回路構成を用いてもよい。

ＰＷＭ制御回路５２は、誤差増幅器５３の出力する第１の指令電圧、及び過電圧検出回路５５の出力する第２の指令電圧のうち、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを低い電圧にする方を優先して制御する。例えば、図３に示すように、誤差増幅器５３の出力端子は半導体素子５６のカソードに接続され、過電圧検出回路５５の出力端子は半導体素子５７のカソードに接続される。また、半導体素子５６，５７のアノード同士は接続され、ＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子に接続される。

図４は、半導体素子５６，５７がフォトカプラである場合の過電圧保護回路及び電源装置を示す図である。半導体素子５６，５７の入力は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔでもよいし、定電圧でもよい。図４に示す例では、誤差増幅器５３の出力端子は、半導体素子５６の発光素子のカソードに接続され、過電圧検出回路５５の出力端子は、半導体素子５７の発光素子のカソードに接続される。また、半導体素子５６の受光素子の出力端子（図４ではコレクタ）及び半導体素子５７の受光素子の出力端子（図４ではコレクタ）同士は接続され、ＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子に接続される。

図３や図４に示す構成により、ＦＢ端子の電圧は、誤差増幅器５３の出力電圧と過電圧検出回路５５の出力電圧の低い方に応じたレベルとなる。したがって、過電圧保護回路４１は、誤差増幅器５３が出力する第１の指令電圧、及び過電圧検出回路５５が出力する第２の指令電圧の低い方に基づいてコンバータ５１を制御する。

なお、誤差増幅器５３、過電圧検出回路５５、及びＰＷＭ制御回路５２の極性を逆にするなどにより、過電圧保護回路４１は、誤差増幅器５３が出力する第１の指令電圧、及び過電圧検出回路５５が出力する第２の指令電圧の高い方に基づいてコンバータ５１を制御するようにしてもよい。

次に、過電圧保護回路４１の動作について図５を参照して説明する。図５は上から順に、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形、誤差増幅器５３の出力電圧（図３及び図４で示した記号Ｃの位置の電圧）の波形、過電圧検出回路５５の出力電圧（図３及び図４で示した記号Ｄの位置の電圧）の波形、ＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子に入力される電圧（図３及び図４で示した記号Ｅの位置の電圧）の波形、及びＰＷＭ制御回路５２により制御されたデューティ比を示している。

誤差増幅器５３の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１よりも過電圧検出回路５５の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２のほうが高く設定されているため、誤差増幅器５３が正常に動作している場合には、誤差増幅器５３の出力電圧に基づいてＰＷＭ制御が行われる。

誤差増幅器５３が正常に動作している場合には、誤差増幅器５３の入力電圧は基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に近づくため、誤差増幅器５３が出力する第１の指令電圧は、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔが誤差増幅器５３の第１の設定電圧と等しくなる時のレベルに近づく。また、誤差増幅器５３が正常に動作している場合には、過電圧検出回路５５の入力電圧は基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２よりも低いため、過電圧検出回路５５が出力する第２の指令電圧は最大値（Ｍａｘ）となる。

コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが上昇する方向に誤差増幅器５３が故障した場合には、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが誤差増幅器５３の第１の設定電圧を超えるようになる。半導体素子５６、５７及び抵抗は、電圧Ｃと電圧Ｄとの比較を行い、低い方となる電圧をＰＷＢ制御回路５２の入力端子ＦＢに提供する。そのため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが過電圧検出回路５５の第２の設定電圧である過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐまで上昇すると、ＰＷＭ制御回路５２は過電圧検出回路５５の出力電圧に基づいて、コンバータ５１のスイッチング素子のデューティ比を操作する信号を出力する。したがって、コンバータ５１は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの上昇を過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐのレベルに抑制することができる。

上述したように、第１の実施形態の過電圧保護回路４１は、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを第１の設定電圧に近づけるための第１の指令電圧を出力する誤差増幅器５３と、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧（過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐ）に近づけるための第２の指令電圧を出力する過電圧検出回路５５と、を備える。そして、過電圧保護回路４１は、第１の指令電圧及び第２の指令電圧に基づいてコンバータ５１を制御する。

図１に示した従来の過電圧保護回路４０では、図２に示したように誤差増幅器５３が故障して出力電圧Ｖ_ｏｕｔが上昇した場合に、外乱ノイズＶ_{ｎｏｉｓｅ}よりも高い過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐ’を検出した時点で過電圧保護動作を開始する。一方、第１の実施形態の電源装置１は、過電圧保護回路４１の検出レベルを従来の過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐ’よりも低い過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐに設定することが可能となる。そして、図５に示したように、誤差増幅器５３が故障して出力電圧Ｖ_ｏｕｔが上昇した場合に、外乱ノイズＶ_{ｎｏｉｓｅ}よりも低い過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐを検出した時点で過電圧保護動作を開始することができる。そのため、電源装置１に接続される負荷モジュール２００の入力部の設計の制約を緩和することができ、負荷モジュール２００の入力部の部品コストの削減、回路サイズの縮小化などを実現可能となる。

また、過電圧保護回路４１は、図５に示したように、過電圧検出回路５５により設定された過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐを超える外乱ノイズＶ_{ｎｏｉｓｅ}が外部から印加された場合でもＰＷＭ制御を停止させない。そのため、従来のような過電圧検出レベルと耐ノイズ性のトレードオフの関係がなくなり、過電圧検出レベルを下げても、耐ノイズ性を確保することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置について説明する。第１の実施形態では上述したように誤差増幅器５３の故障による過電圧を抑制することができるが、誤差増幅器５３の故障が発生したことを検出する手段がないため、電源装置１は動作を継続する。この状態で出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが上昇する方向に過電圧検出回路５５が故障した場合には、電源装置１に接続される負荷モジュール２００に、入力可能な電圧レベルを超えた電圧が印加されてしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、第１の実施形態に対して、誤差増幅器５３の故障により過電圧検出回路５５による制御が継続した場合に電源装置の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを非常停止させる機能を追加する。本明細書において「非常停止」とは、コンバータ５１の動作自体を停止させてもよいし、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを０Ｖにしてもよいし、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを出力オープンにしてもよい。以下では、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを０Ｖにするものとして説明する。

図６は、第２の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置を示す図である。図６に示すように、電源装置２は、ＥＭＩフィルタ１０と、整流器２０と、平滑コンデンサ３０と、過電圧保護回路４２とを備える。過電圧保護回路４２は、コンバータ５１と、ＰＷＭ制御回路５２と、誤差増幅器５３と、過電圧検出回路５５と、半導体素子５６，５７と、監視回路５８と、タイマー回路５９とを備える。本実施形態では、第１の実施形態と比較して、過電圧保護回路４２が監視回路５８及びタイマー回路５９を更に備える点が相違する。

過電圧検出回路５５は、コンバータ５１の出力電圧（すなわち、電源装置２の出力電圧）Ｖ_ｏｕｔを第２の設定電圧（過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐ）に近づけるための第２の指令電圧を、半導体素子５７及び監視回路５８に出力する。

監視回路５８は、過電圧検出回路５５から入力された第２の指令電圧を監視し、第２の指令電圧が所定の電圧以下になると、その旨を示す過電圧検出信号（例えば、ハイレベルの電圧信号）をタイマー回路５９に出力する。

タイマー回路５９は、監視回路５８が過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定（カウント）する。そして、タイマー回路５９は、測定した期間が所定のタイマー時間（カウント値）に達すると、動作停止信号（例えば、ハイレベルの電圧信号）をＰＷＭ制御回路５２のＳＤ端子に出力する。

ＰＷＭ制御回路５２は、ＳＤ端子にタイマー回路５９から動作停止信号が入力されると、コンバータ５１のスイッチング素子のデューティ比を０％とするＰＷＭ信号を出力し、コンバータ５１はその出力電圧を０Ｖとする。すなわち、過電圧保護回路４２は、タイマー回路５９により測定された期間が所定のタイマー時間に達すると、コンバータ５１の出力電圧は０Ｖとなる。

次に、過電圧保護回路４２の動作について、図７を参照して説明する。図７は上から順に、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形、誤差増幅器５３の出力電圧（図６で示した記号Ｆの位置の電圧）の波形、過電圧検出回路５５の出力電圧（図６で示した記号Ｇの位置の電圧）の波形、ＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子に入力される電圧（図６で示した記号Ｈの位置の電圧）の波形、タイマー回路５９の測定期間を示す波形、及びＰＷＭ制御回路５２により制御されたデューティ比を示している。

出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが上昇する方向に誤差増幅器５３が故障した場合には、過電圧検出回路５５が出力する第２の指令電圧のほうが、誤差増幅器５３が出力する第１の指令電圧よりも低くなる。すると、ＰＷＭ制御回路５２は第２の指令電圧に基づいてＰＷＭ制御を行うようになるため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの上昇を抑制することができる。

過電圧検出回路５５が出力する第２の指令電圧が所定の電圧以下になると、タイマー回路５９は測定を開始する。タイマー回路５９が測定した期間が所定のタイマー時間に達すると、ＰＷＭ制御回路５２は、スイッチング素子のデューティ比を０％にする。デューティ比が０％になるとコンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは低下して０になる。

上述したように、第２の実施形態の過電圧保護回路４２は、第１の実施形態の過電圧保護回路４１の構成に加え、第２の指令電圧が所定の電圧以下となると過電圧検出信号を出力する監視回路５８と、監視回路５８が過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定するタイマー回路５９と、を備える。そして、過電圧保護回路４２は、タイマー回路５９により測定された期間が所定のタイマー時間を超えると、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを自動的に０Ｖに推移させる。

本実施形態では、過電圧検出回路５５の出力を監視回路５８により監視することで、誤差増幅器５３が過電圧故障した際に、コンバータ５１及び電源装置２の出力を自動的に０Ｖに推移させることができる。したがって、過電圧検出回路５５に故障が発生した際に、入力可能な電圧レベルを超えた電圧が負荷モジュール２００に印加されることを防止することができ、第１の実施形態と比較して、さらに信頼性を高めることが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置について説明する。第１の実施形態では上述したように誤差増幅器５３の故障による過電圧を抑制することができるが、誤差増幅器５３の故障が発生したことを検出する手段がないため、電源装置１は動作を継続する。この状態で出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが上昇する方向に過電圧検出回路５５が故障した場合には、電源装置１に接続される負荷モジュール２００に、入力可能な電圧レベルを超えた電圧が印加されてしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、第１の実施形態に対して、電源装置が異常状態に陥ったことを上位システムに通知する機能を追加する。

図８は、第３の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置を示す図である。図８に示すように、電源装置３は、ＥＭＩフィルタ１０と、整流器２０と、平滑コンデンサ３０と、過電圧保護回路４３とを備える。過電圧保護回路４３は、コンバータ５１と、ＰＷＭ制御回路５２と、誤差増幅器５３と、過電圧検出回路５５と、半導体素子５６，５７と、監視回路５８と、タイマー回路６０とを備える。本実施形態では、第１の実施形態と比較して、過電圧保護回路４３が監視回路５８及びタイマー回路６０を更に備え、電源装置３が上位システム３００に接続される点が相違する。なお、上位システム３００がタイマー回路６０を備える構成としてもよい。

過電圧検出回路５５は、第２の実施形態と同様に、コンバータ５１の出力電圧（すなわち、電源装置３の出力電圧）Ｖ_ｏｕｔを第２の設定電圧（過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐ）に近づけるための第２の指令電圧を、半導体素子５７及び監視回路５８に出力する。

監視回路５８は、第２の実施形態と同様に、過電圧検出回路５５から入力された第２の指令電圧を監視し、第２の指令電圧が所定の電圧以下になると、その旨を示す過電圧検出信号（例えば、ハイレベルの電圧信号）をタイマー回路６０に出力する。

タイマー回路６０は、第２の実施形態と同様に、監視回路５８が過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定（カウント）する。そして、タイマー回路６０は、測定した期間が所定のタイマー時間（カウント値）に達すると、警告を外部のシステムに通知する。例えば、タイマー回路６０は、警告信号（例えば、ハイレベルの電圧信号）を上位システム３００に出力する。

上位システム３００は、タイマー回路６０から警告信号が入力されることで、電源装置３の異常をユーザに通達する。上位システム３００は、例えば分散制御システム（ＤＣＳ：Distributed Control System）、及びＳＣＡＤＡ（Supervisory Control And Data Acquisition）システムなどのプラント用の制御システムであってよい。

次に、過電圧保護回路４３の動作について、図９を参照して説明する。図９は上から順に、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形、誤差増幅器５３の出力電圧（図８で示した記号Ｉの位置の電圧）の波形、過電圧検出回路５５の出力電圧（図８で示した記号Ｊの位置の電圧）の波形、ＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子に入力される電圧（図８で示した記号Ｋの位置の電圧）の波形、タイマー回路６０の測定期間を示す波形、タイマー回路６０の出力電圧の波形、及びＰＷＭ制御回路５２により制御されたデューティ比を示している。

コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが上昇する方向に誤差増幅器５３が故障した場合には、過電圧検出回路５５が出力する第２の指令電圧のほうが、誤差増幅器５３が出力する第１の指令電圧よりも低くなる。すると、ＰＷＭ制御回路５２は第２の指令電圧に基づいてＰＷＭ制御を行うようになるため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの上昇を抑制することができる。

過電圧検出回路５５が出力する第２の指令電圧が所定の電圧以下になると、タイマー回路６０は測定を開始する。

タイマー回路６０が測定した期間が所定のタイマー時間に達すると、タイマー回路６０は警告信号を出力し、上位システム３００に電源装置３の異常を通知する。

上述したように、第３の実施形態の過電圧保護回路４３は、第１の実施形態の過電圧保護回路４１の構成に加え、第２の指令電圧が所定の電圧以下となると過電圧検出信号を出力する監視回路５８と、監視回路５８が過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定するタイマー回路６０と、を備える。そして、過電圧保護回路４３は、タイマー回路６０により測定された期間が所定のタイマー時間に達すると、警告を外部の上位システム３００に通知する。

本実施形態では、過電圧検出回路５５の出力を監視回路５８により監視することで、誤差増幅器５３が過電圧故障した際に、電源装置３の故障を上位システム３００に通知することができる。したがって、第１の実施形態と比較して、さらに信頼性を高めることが可能となる。

（第３の実施形態の変形例）
さらに、第３の実施形態の変形例として、タイマー回路６０は警告信号を上位システム３００に出力した後、新たに、監視回路５８が過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定し、測定した期間が所定のタイマー時間に達すると、動作停止信号（例えば、ハイレベルの電圧信号）をＰＷＭ制御回路５２のＳＤ端子に出力するようにしてもよい。

ＰＷＭ制御回路５２は、ＳＤ端子にタイマー回路６０から動作停止信号が入力されると、コンバータ５１のスイッチング素子のデューティ比を０％とするＰＷＭ信号を出力し、コンバータ５１の出力電圧を０Ｖとする。その他の構成は、第３の実施形態と同じである。したがって、この変形例では、誤差増幅器５３が過電圧故障した際に、電源装置３の故障を上位システム３００に通知することができ、さらに誤差増幅器５３の故障を上位システム３００に通知後に出力電圧Ｖ_ｏｕｔが所定の期間を超えて過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐの状態のままである場合に、コンバータ５１及び電源装置３の出力を自動的に０Ｖに推移させることが可能となる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置について説明する。第１の実施形態でも誤差増幅器５３の故障による過電圧を抑制することができるが、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐの状態のまま、電源装置１は動作を継続してしまう。この状態が継続されると、電源装置１の消費電力増加に伴う電源装置１の故障リスクや、負荷モジュール２００への印加電圧上昇に伴う負荷モジュール２００の故障リスクが増加する。そこで、本実施形態では、第１の実施形態に対して、過電圧発生時の出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルをＶ_ｏｖｐから再度引き下げる機能を追加する。

図１０は、第４の実施形態に係る過電圧保護回路及び電源装置を示す図である。図１０に示すように、電源装置４は、ＥＭＩフィルタ１０と、整流器２０と、平滑コンデンサ３０と、過電圧保護回路４４とを備える。過電圧保護回路４４は、コンバータ５１と、ＰＷＭ制御回路５２と、誤差増幅器５３と、過電圧検出回路５５と、半導体素子５６，５７と、監視回路５８と、タイマー回路６１と、スイッチ６２とを備える。本実施形態では、第１の実施形態と比較して、過電圧保護回路４４が監視回路５８、タイマー回路６１、及びスイッチ６２を更に備える点、及び過電圧検出回路５５の制御が相違する。

監視回路５８は、第２の実施形態と同様に、過電圧検出回路５５から入力された第２の指令電圧を監視し、第２の指令電圧が所定の電圧以下になると、その旨を示す過電圧検出信号（例えば、ハイレベルの電圧信号）をタイマー回路６１に出力する。

スイッチ６２は、タイマー回路６１の指示に基づき、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１、及び基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１よりも高い基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２のいずれか一方を選択し、過電圧検出回路５５に出力する。スイッチ６２は、初期状態では基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２を選択する。

タイマー回路６１は、第２の実施形態と同様に、監視回路５８が過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定（カウント）する。そして、タイマー回路６１は、測定した期間が所定のタイマー時間（カウント値）に達すると、スイッチ６２に、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１を選択するように指示する。

過電圧検出回路５５は、コンバータ５１から入力された電圧（コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔをそのまま過電圧検出回路５５の入力電圧とする場合にはＶ_ｏｕｔであり、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを分圧して過電圧検出回路５５の入力電圧とする場合にはＶ_ｏｕｔを分圧した電圧）を、スイッチ６２により選択された基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２又は基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に近づけるための指令電圧を出力する。つまり、過電圧検出回路５５は、スイッチ６２が基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２を選択している場合には、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧（過電圧検出電圧Ｖ_ｏｖｐ）に近づけるための第２の指令電圧を出力し、タイマー回路６１により測定された期間が所定のタイマー時間に達したことによりスイッチ６２が基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１を選択している場合には、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを第１の設定電圧Ｖ_{ｎｏｒｍａｌ}に近づけるための第３の指令電圧を出力する。

次に、過電圧保護回路４４の動作について、図１１を参照して説明する。図１１は上から順に、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形、誤差増幅器５３の出力電圧（図１０で示した記号Ｌの位置の電圧）の波形、過電圧検出回路５５の出力電圧（図１０で示した記号Ｍの位置の電圧）の波形、ＰＷＭ制御回路５２のＦＢ端子に入力される電圧（図１０で示した記号Ｎの位置の電圧）の波形、タイマー回路６１の測定期間を示す波形、スイッチ６２の選択を示す波形、及びＰＷＭ制御回路５２により制御されたデューティ比を示している。

コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルが上昇する方向に誤差増幅器５３が故障した場合には、過電圧検出回路５５が出力する第２の指令電圧のほうが、誤差増幅器５３が出力する第１の指令電圧よりも低くなる。すると、ＰＷＭ制御回路５２は第２の指令電圧に基づいてＰＷＭ制御を行うようになるため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの上昇は電圧Ｖ_ｏｖｐのレベルで抑制される。

過電圧検出回路５５が出力する第２の指令電圧が所定の電圧以下になると、タイマー回路６１は時間測定を開始する。

タイマー回路６１が測定した期間が所定のタイマー時間に達すると、スイッチ６２は選択する基準電圧をＶ_ｒｅｆ２からＶ_ｒｅｆ１に切り替える。すると、ＰＷＭ制御回路５２は第３の指令電圧に基づいてＰＷＭ制御を行うようになるため、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルは故障前の電圧Ｖ_{ｎｏｒｍａｌ}のレベルまで下降する。

上述したように、第４の実施形態の過電圧保護回路４４は、第１の実施形態の過電圧保護回路４１の構成に加え、第２の指令電圧が所定の電圧以下となると過電圧検出信号を出力する監視回路５８と、監視回路５８が過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定するタイマー回路６１と、を備える。また、過電圧検出回路５５は、タイマー回路６１により測定された期間が所定のタイマー時間に達すると、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを第１の設定電圧Ｖ_{ｎｏｒｍａｌ}に近づけるための第３の指令電圧を出力する。そして、過電圧保護回路４４は、第１の指令電圧と、第２の指令電圧又は第３の指令電圧とに基づいて、コンバータ５１を制御する。

本実施形態では、過電圧検出回路５５の出力を監視回路５８により監視することで、誤差増幅器５３が過電圧故障した際に、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルを電圧Ｖ_ｏｖｐに抑制することができ、その後所定のタイマー時間が経過すると、コンバータ５１の出力電圧Ｖ_ｏｕｔのレベルを電圧Ｖ_{ｎｏｒｍａｌ}に戻すことができる。したがって、第１の実施形態と比較して、電源装置４及び負荷モジュール２００の故障リスクを更に低減させることができ、更に信頼性を高めることが可能となる。また、第３の実施形態と同様に、本実施形態においても電源装置４を上位システムに接続し、タイマー回路６１が測定した期間が所定のタイマー時間に達すると、警告を外部の上位システムに通知するようにしてもよい。これにより、誤差増幅器５３が故障していることをユーザに通達することができるため、より一層信頼性を高めることが可能となる。

本開示は、上述した実施形態で特定された構成に限定されず、特許請求の範囲に記載した開示の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、各構成部に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再構成可能であり、複数の構成部を１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。

１，２，３，４電源装置
１０ＥＭＩフィルタ
２０整流器
３０コンデンサ
４１，４２，４３，４４過電圧保護回路
５１コンバータ
５２ＰＷＭ制御回路
５３誤差増幅器
５５過電圧検出回路
５６，５７半導体素子
５８監視回路
５９，６０，６１タイマー回路
６２スイッチ
２００負荷モジュール
３００上位システム

Claims

コンバータの出力電圧を第１の設定電圧に近づけるための第１の指令電圧を出力する誤差増幅器と、
前記コンバータの出力電圧を前記第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧に近づけるための第２の指令電圧を出力する過電圧検出回路と、を備え、
前記第１の指令電圧と前記第２の指令電圧とに基づいて、前記コンバータを制御することを特徴とする過電圧保護回路。
前記第２の指令電圧が所定の電圧以下となると過電圧検出信号を出力する監視回路と、
前記監視回路が前記過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定するタイマー回路と、を備え、
前記タイマー回路により測定された期間が所定のタイマー時間に達すると、前記コンバータを非常停止させることを特徴とする、請求項１に記載の過電圧保護回路。
前記第２の指令電圧が所定の電圧以下となると過電圧検出信号を出力する監視回路と、
前記監視回路が前記過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定するタイマー回路と、を備え、
前記タイマー回路により測定された期間が所定のタイマー時間に達すると、警告を外部のシステムに通知することを特徴とする、請求項１に記載の過電圧保護回路。
前記第２の指令電圧が所定の電圧以下となると過電圧検出信号を出力する監視回路と、
前記監視回路が前記過電圧検出信号を継続して出力する期間を測定するタイマー回路と、を備え、
前記過電圧検出回路は、前記タイマー回路により測定された期間が所定のタイマー時間に達すると、前記コンバータの出力電圧を前記第１の設定電圧に近づけるための第３の指令電圧を出力し、
前記第１の指令電圧と、前記第２の指令電圧又は前記第３の指令電圧とに基づいて、前記コンバータを制御することを特徴とする、請求項１に記載の過電圧保護回路。
前記誤差増幅器の出力端子は、整流機能を有する第１の半導体素子の一方の端子に接続され、前記過電圧検出回路の出力端子は、整流機能を有する第２の半導体素子の一方の端子に接続され、前記第１の半導体素子及び前記第２の半導体素子の他方の端子同士は接続され、
前記第１の半導体素子及び前記第２の半導体素子の前記他方の端子の電圧に基づいて前記コンバータを制御することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の過電圧保護回路。
前記誤差増幅器の出力端子は、第１の半導体素子の発光素子の一方の端子に接続され、前記過電圧検出回路の出力端子は、第２の半導体素子の発光素子の一方の端子に接続され、前記第１の半導体素子の受光素子の出力端子及び前記第２の半導体素子の受光素子の出力端子同士は接続され、
前記第１の半導体素子及び前記第２の半導体素子の前記出力端子の電圧に基づいて前記コンバータを制御することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の過電圧保護回路。
請求項１から６のいずれか一項に記載の過電圧保護回路を備えることを特徴とする電源装置。