JP3575545B2

JP3575545B2 - Insulated power supply

Info

Publication number: JP3575545B2
Application number: JP2001293273A
Authority: JP
Inventors: 昭二渡部
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003102173A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の負荷に電力を供給する絶縁電源装置において、小型化を図ることができる絶縁電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁電源装置は、本体から測定モジュールに電気的に絶縁して電力を供給するものである。このような絶縁電源装置を用いる機器の例としては、測定モジュールに設けられる信号入力端子に、本体にて使用される電圧よりも高い電圧の信号が入力される機器などがあげられる。
【０００３】
さらに具体的な機器の例としては、本体と本体から電気的に絶縁されている測定モジュールが分離可能な測定器（オシロスコープや電力計等）があげられる。本体には、ハードディスクやメモリ等の測定波形を記憶する記憶部、信号処理や演算、制御を行うＣＰＵ、演算結果や測定結果を表示する表示部、測定結果を印刷するプリンタ等が設けられる。また、測定モジュールには、被測定物に電気的に接触するプローブ、被測定信号を処理する信号処理部などが設けられる。
【０００４】
測定モジュールに入力される被測定信号には、設計を超える過大な信号電圧または電流が入力される場合がある。本体と測定モジュールが電気的に絶縁されていないと、この過大入力により本体の回路が破壊されてしまう場合がある。
【０００５】
また、測定モジュールの回路を駆動するためには、本体から電力の供給をうけられるようにするか、測定モジュールごとに電源が必要となる。
【０００６】
このような絶縁電源装置の構成を図３に示し説明する。図３において、電力を供給する側である本体１０、電力を供給される側である複数の測定モジュール２ａ〜２ｃから構成される。
【０００７】
本体１０は、内部に直流電圧発生部１１が設けられる。直流電圧発生部１１は、一定の直流電圧を出力するものである。複数の測定モジュール２ａ〜２ｃは、測定モジュールごとに図示しない負荷回路、強化絶縁されたスイッチング電源部２０が設けられる。強化絶縁とは、海外の安全規格（ＩＥＣ６０９５０、ＥＮ６０９５０、ＵＬ１９５０等）で規定される絶縁の種類であり、他に基礎絶縁がある。基礎絶縁とは、感電に対する基礎的な保護の役目をしている絶縁である。また強化絶縁とは、例えばＩＥＣ９５０で規定した条件のもとで、二重絶縁と同程度に感電に対する保護を行うことができる単一の絶縁体系を指す。
【０００８】
スイッチング電源部２０は、入力側が直流電圧発生部１１の出力側と電気的に接続され、出力側が図示しない負荷回路と電気的に接続される。スイッチング電源部２０は、入力側の直流電圧を任意の電圧にして出力するが、入力側と出力側は強化絶縁されていて、電気的に絶縁されている。
【０００９】
さらに詳細に、スイッチング電源部２０の構成を図４に示し説明する。スイッチング電源部２０は、スイッチング部２１、強化絶縁されたトランス２２、整流平滑回路２３、誤差検出部２４、強化絶縁されたフォトカプラ２５、コントロール・ドライバ２６から構成される。
【００１０】
スイッチング部２１は、パワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ素子等により構成される。スイッチング部２１の入力側は、直流電圧発生部１１の出力側と電気的に接続される。スイッチング部２１は、スイッチ素子のオン・オフの動作により、入力された直流電圧を矩形波状の交流電圧にして出力する。またスイッチング部２１は、スイッチ素子のオン・オフを制御するための制御信号入力端を有する。
【００１１】
トランス２２は、１次巻き線側がスイッチング部２１の出力側と電気的に接続される。トランス２２は、１次巻き線側に入力された信号により２次巻き線側に信号を誘起させるものであり、１次側と２次側とは電気的に強化絶縁されている。
【００１２】
整流平滑回路２３は、入力側がトランス２２の２次巻き線側と電気的に接続される。また、整流平滑回路２３は、ダイオード、コンデンサ等から構成され、２次巻き線側からの交流電圧を整流平滑化し、直流電圧として後段の図示しない負荷回路へ出力する。
【００１３】
誤差検出部２４は、基準電圧部２４Ａと誤差増幅部２４Ｂから構成される。基準電圧部２４Ａは、基準電圧を発生する。誤差増幅部２４Ｂは、入力側の一端が整流平滑回路２３の出力側と電気的に接続され、入力側の他端が基準電圧部２４Ａの出力端と電気的に接続され、整流平滑回路２３の出力信号と基準電圧部２４Ａの基準電圧とを比較し、誤差分を増幅して出力する。
【００１４】
フォトカプラ２５は、入力側が誤差増幅部２４の出力側と電気的に接続される。フォトカプラ２５は、入力側に入力された信号に対応した信号を出力側に伝えるが、入力側と出力側は電気的に強化絶縁されている。
【００１５】
コントロール・ドライバ２６は、入力側がフォトカプラ２５の出力側と電気的に接続され、出力側がスイッチング部２１の制御信号入力端と電気的に接続される。コントロール・ドライバ２６は、フォトカプラ２５の出力信号をうけ、スイッチング部２１のスイッチ素子のオン・オフを制御する信号を出力する。
【００１６】
このような装置において、複数の測定モジュール２ａ〜２ｃに電力を供給する動作を以下に説明する。直流電圧発生部１１は、複数の測定モジュール２ａ〜２ｃごとに設けられるスイッチング電源部２０に、直流電圧を出力する。
【００１７】
スイッチング電源部２０では、入力側に入力された直流電圧を制御信号に従ってスイッチング部２１のスイッチ素子をオン・オフすることにより、矩形波状の信号を生成する。トランス２２では、１次巻き線側に入力された矩形波状の信号に対応した信号が２次巻き線側に誘起される。この誘起された信号を整流平滑回路２３にて、直流電圧に変換して出力し、負荷に電力を供給する。ここで、スイッチング電源部２０からの出力信号の電圧は、スイッチ素子のオン・オフのデューティ比によって決まる。
【００１８】
また、スイッチング電源部２０からの出力電圧を安定にするため、スイッチング部２１、トランス２２、整流平滑回路２３、誤差検出部２４、フォトカプラ２５、コントロール・ドライバ２６によって、フィードバック・ループを形成している。
【００１９】
誤差検出部２４は、整流平滑回路２３の出力信号と、基準電圧部２４Ａの基準電圧との誤差を増幅し、フォトカプラ２５に信号を出力する。フォトカプラ２５は、入力信号に対応した出力信号を、コントロール・ドライバ２６に出力する。コントロール・ドライバ２６は、入力された信号からスイッチング部２１のスイッチ素子を制御する信号を生成し、スイッチング部２１の制御信号入力端に出力する。スイッチング部２１は、この信号をうけ、スイッチ素子のオン・オフのデューティ比を制御し、スイッチング電源部２０の出力信号を安定にしている。
【００２０】
つまり、誤差検出部２４、フォトカプラ２５、コントロール・ドライバ２６は、スイッチング電源部２０の出力信号を安定にするための、出力信号の制御部とみなせる。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、複数の測定モジュール２ａ〜２ｃを駆動するために、測定モジュールごとにスイッチング電源部２０が必要である。また、安定化した信号を得るために、基準電圧部２４Ａ、誤差増幅部２４Ｂ、フォトカプラ２５、コントロール・ドライバ２６から構成される出力信号の制御部を測定モジュールごとに必要とし、多くの部品とスペースを必要する。
【００２２】
また、海外の安全規格のため、基礎絶縁よりもトランスの１次巻き線側と２次巻き線側に絶縁材を付加したり、距離を離し強化絶縁としている。同様に、フォトカプラも絶縁材の付加や素子間の距離を保つことにより強化絶縁としている。そのため、トランス及びフォトカプラは形状が大きくなってしまい、測定モジュールの形状も大きくなるという問題点があった。
【００２３】
そこで本発明の目的は、小型化を図ることができる絶縁電源装置を実現することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、
本体と分離可能な複数のモジュールを備え、前記本体の直流電圧から前記モジュールごとに所望直流電圧を発生する絶縁電源装置において、
前記本体に設けられ、制御信号に基づいて前記直流電圧から交流電圧を発生する交流電圧発生部と、
前記本体に設けられ、前記交流電圧発生部の交流電圧が入力される第１のトランスと、
前記モジュールごとに設けられ、前記第１のトランスが出力する交流電圧が入力される第２のトランスと、
前記モジュールに第２のトランスごとに設けられ、第２のトランスの出力する交流電圧が入力され、整流平滑を行い、前記所望直流電圧を出力する整流平滑回路と、
前記本体に設けられ、前記第１のトランスが出力する交流電圧が入力され、交流電圧に基づいた制御信号を、前記交流電圧発生部に絶縁して与える絶縁部と
を有することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
第１、第２のトランス、絶縁部を基礎絶縁としたことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、
絶縁部は、少なくともフォトカプラまたはトランスにいずれかを設けたことを特徴とするものである。
【００２８】
請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、
絶縁部は、
第１のトランスが出力する交流電圧に基づいた制御信号を出力する制御部と、
この制御部の制御信号が入力され、交流電圧発生部に出力するフォトカプラと
を設けたことを特徴とするものである。
【００２９】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、
制御部は、
第１のトランスが出力する交流電圧の振幅を検出する交流振幅検出部と、
この交流振幅検出部の出力電圧と基準電圧とを比較し、誤差を示す制御信号をフォトカプラに出力する誤差増幅部と
を設けたことを特徴とするものである。
【００３０】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、
交流電圧発生部は、
直流電圧を任意の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
このＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電圧を交流電圧に変換し、第１のトランスに入力するＤＣ／ＡＣインバータと、
フォトカプラからの制御信号に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコントロール・ドライバと
を設けたことを特徴とするものである。
【００３１】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、
交流電圧発生部は、
スイッチングにより交流電圧を発生することを特徴とするものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図３と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。
【００３３】
図１において、本体１０と複数の測定モジュール２ａ〜２ｃとから構成される。本体１０は、直流電圧発生部１１、交流電圧発生部１２、第１のトランス１３、制御部１４、基礎絶縁されたフォトカプラ１５から構成される。複数の測定モジュール２ａ〜２ｃは、測定モジュールごとに基礎絶縁された電源２７、図示しない負荷から構成さる。
【００３４】
交流電圧発生部１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１２Ｂ、コントロール・ドライバ１２Ｃから構成される。
【００３５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａは、入力側が直流電圧発生部１１の出力側と電気的に接続され、出力信号の電圧を制御するための制御信号入力端を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａは、直流電圧発生部１１の直流電圧を、制御信号によって制御された任意の直流電圧Ｖｄｃｏに変換する。このＤＣ／ＤＣコンバータ１２ＡはパワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子を含み、このスイッチのオン・オフにより出力信号の電圧を制御している。
【００３６】
ＤＣ／ＡＣインバータ１２Ｂは、入力側がＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａの出力側と電気的に接続され、入力側の直流電圧を矩形波状の交流電圧に変換し出力する。図２に示すように、矩形波の交流信号のデューティ比ＴｈとＴｌは一定であり、入力される直流信号の電圧によって、交流信号の電圧の振幅Ｖａｃが制御される。
【００３７】
コントロール・ドライバ１２Ｃは、出力側がＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａの制御信号入力端と電気的に接続される。コントロール・ドライバ１２Ｃは、入力信号からＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａの出力信号の直流電圧を制御する信号Ｖｅを出力する。
【００３８】
第１のトランス１３は、１次巻き線側がＤＣ／ＡＣインバータ１２Ｂの出力側と電気的に接続される。第１のトランス１３は、１次巻き線側に入力された信号により２次巻き線側に信号を誘起させるものであり、１次側と２次側とは電気的に基礎絶縁されている。
【００３９】
制御部１４は、交流振幅検出部１４Ａ、基準電圧部１４Ｂ、誤差増幅部１４Ｃから構成される。交流振幅検出部１４Ａは、入力側が第１のトランス１３の２次側と電気的に接続され、第１のトランス１３の交流電圧の振幅Ｖａｃに対応した直流電圧Ｖａを出力する。基準電圧部１４Ｂは、基準電圧Ｖｒを出力する。誤差増幅部１４Ｃは、入力側の一端が交流振幅検出部１４Ａの出力側と電気的に接続され、入力側の他端が基準電圧部１４Ｂの出力端と電気的に接続される。そして、誤差増幅部１４Ｃは、基準電圧Ｖｒと交流振幅検出部１４Ａの出力である直流電圧Ｖａとを比較し、その差分を増幅して出力信号Ｖｂを出力する。
【００４０】
基礎絶縁されたフォトカプラ１５は、入力側が誤差増幅部１４Ｃの出力側と電気的に接続され、出力側がコントロール・ドライバ１２Ｃの入力側と電気的に接続される。フォトカプラ１５は、入力側に入力された信号Ｖｂに対応した信号を出力側に伝えるが、入力側と出力側は電気的に基礎絶縁されている。
【００４１】
電源２７は、第２のトランス２８と整流平滑回路２９から構成される。第２のトランス２８は、１次巻き線側が第１のトランス１３の２次巻き線側と電気的に接続され、１次巻き線側に入力された信号により２次巻き線側に信号を誘起させるものであり、１次側と２次側とは電気的に基礎絶縁されている。整流平滑回路２９は、ダイオード、コンデンサ等から構成され、入力側が第２のトランス２８の２次巻き線側と電気的に接続され、出力側が図示しない負荷回路と電気的に接続され、２次巻き線側からの交流電圧を整流平滑化し、直流電圧Ｖｄｃとして後段の図示しない負荷回路へ出力する。
【００４２】
このような装置において、複数の測定モジュール２ａ〜２ｃの負荷回路に電力を供給する動作を以下に説明する。直流電圧発生部１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａの入力側に、直流電圧を出力する。
【００４３】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａは、制御信号入力端に入力される制御信号Ｖｅによって制御された直流電圧Ｖｄｃｏを出力する。制御信号Ｖｅと出力信号の直流電圧Ｖｄｃｏは係数ｋ_１を用いて表すと式（１）となる。
Ｖｄｃｏ＝ｋ_１・Ｖｅ（１）
【００４４】
ＤＣ／ＡＣインバータ１２Ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａの出力電圧Ｖｄｃｏから、矩形波状の交流信号で電圧の振幅がＶａｃｏとなる出力を生成する。このとき、ＤＣ／ＡＣインバータ１２Ｂの入力信号Ｖｄｃｏと出力信号Ｖａｃｏは、係数ｋ_２を用いて表すと式（２）となる。
Ｖａｃｏ＝ｋ_２・Ｖｄｃｏ（２）
【００４５】
第１のトランス１３は、ＤＣ／ＡＣインバータ１２Ａの出力電圧Ｖａｃｏが１次巻き線側に印加され、２次巻き線側に巻き数比に比例した電圧を誘起する。このとき、１次巻き線側の入力信号である交流電圧の振幅Ｖａｃｏと２次巻き線側の出力信号である交流電圧の振幅Ｖａｃは、巻き数比によって定まる係数ｋ_３を用いて表すと式（３）となる。
Ｖａｃ＝ｋ_３・Ｖａｃｏ（３）
【００４６】
式（１）〜（３）より、ＶａｃとＶｅの関係は、式（４）となる。ここで、Ｋ_１＝ｋ_１・ｋ_２・ｋ_３である。
Ｖａｃ＝Ｋ_１・Ｖｅ（４）
【００４７】
交流振幅検出部１４Ａは、第１のトランス１３から出力される交流電圧の振幅Ｖａｃに応じた直流電圧Ｖａを出力する。交流電圧Ｖａｃと直流電圧Ｖａは、係数Ｋ_２を用いて表すと式（５）となる。
Ｖａ＝Ｋ_２・Ｖａｃ（５）
【００４８】
誤差増幅部１４Ｃは、交流振幅検出部１４Ａから出力された直流電圧Ｖａと基準電圧部１４Ｂの基準電圧Ｖｒとを比較してその差分を増幅し、出力電圧Ｖｂを出力する。誤差増幅部の増幅度をＡとすると、直流電圧Ｖａ、基準電圧Ｖｒ、出力電圧Ｖｂの関係は式（６）となる。
Ｖｂ＝Ａ（Ｖａ−Ｖｒ）（６）
【００４９】
フォトカプラ１５は、誤差増幅部１４Ｃからの出力信号Ｖｂに対応した出力を、コントロール・ドライバ１２Ｃに出力する。コントロール・ドライバ１２Ｃは、入力された信号から制御入力端子に出力する制御信号Ｖｅを生成する。このとき、出力信号Ｖｂと制御信号Ｖｅは、係数Ｋ_３を用いて表すと式（７）となる。Ｖｅ＝Ｋ_３・Ｖｂ（７）
【００５０】
このように、交流電圧発生部１２、第１のトランス１３、制御部１４、フォトカプラ１５とで閉ループであるフィードバック・ループを構成している。式（４）〜（７）から、Ｖａｃは式（８）で表される。

【００５１】
ここで、誤差増幅部１４Ｃの増幅度Ａを４０ｄＢ（１００倍）程度に設定すれば、式（８）は式（９）とみなせる。
【数１】

【００５２】
つまり式（９）より、第１のトランス１３の出力電圧Ｖａｃは、基準電圧Ｖｒにより決定される。
【００５３】
第２のトランス２８は、１次巻き線側に第１のトランス１３の出力電圧Ｖａｃが印加され、２次巻き線側に巻き数比に応じた交流電圧が誘起される。整流平滑回路２９は第２のトランス２８からの交流信号を整流平滑化し、負荷に直流電圧Ｖｄｃを供給する。このように負荷に供給される直流電圧Ｖｄｃは、フィードバック・ループによって振幅制御が行われた交流電圧の振幅Ｖａｃに対応する。
【００５４】
ここで、複数の電源２７ごとに設けられている第２のトランス２８、整流平滑回路２９の特性は個々に異なるため出力の直流電圧Ｖｄｃにも差を生じるが、実用上無視できる範囲である。
【００５５】
電気的な接続は、直流電圧発生部１１と整流平滑回路２３の出力側とが、第１、第２のトランス１３、２８のそれぞれによって基礎絶縁されているので、全体として２重絶縁が施された構成になっている。
【００５６】
このように、フィードバック・ループは整流平滑回路２９の出力信号Ｖｄｃを安定に保つための制御信号を生成する。このフィードバック・ループの帰還信号には、電源２７の出力信号Ｖｄｃでなく、第１のトランス１３の出力信号Ｖａｃを用いている。これにより、フィードバック・ループは、複数の測定モジュールごとに設ける必要がなく、本体に一箇所だけ設ければよい。よって、電源２７はトランス２８と整流平滑回路２９だけで構成される。従って、回路の小型化ができ、安価に作成できる。
【００５７】
また、交流電圧発生部１２、第１のトランス１３、フォトカプラ１５、制御部１４によってフィードバック・ループを形成して、第１のトランス１３の出力信号の振幅Ｖａｃを制御している。これにより、式（９）に示すように第１のトランス１３の出力信号Ｖａｃは、測定モジュール２ａ〜２ｃの負荷にかかわらず一定となる。従って、整流平滑回路２９の出力の直流電圧Ｖｄｃも安定に保たれている。
【００５８】
そして、第１のトランス１３、第２のトランス２８を２個用いて、測定モジュール２ａ〜２ｃの負荷に電力供給している。これにより、電力の供給側と被供給側で二重絶縁の要求があるシステムであっても、トランスを２個用いるので個々のトランスは基礎絶縁とすることができる。従って、回路の小型化ができ、安価に作成できる。
【００５９】
さらに、制御部１４の帰還信号に用いる信号は、第１のトランス１３の出力である交流信号Ｖａｃを使用している。これにより、フィードバック・ループ内のフォトカプラ１５も基礎絶縁とすることができる。従って、回路の小型化ができ、安価に作成できる。
【００６０】
また、従来のように独立したスイッチング周波数を持つスイッチング電源が複数存在する場合、スイッチング電源のスイッチング周波数の違いにより、各測定モジュール間にビートが発生する。それに対して、スイッチングを行っているのは、交流電圧発生部１２のみなので、これにより各測定モジュール間でビートは発生しない。
【００６１】
そして、電源２７で発熱する部分はほとんどなく、大部分の発熱は、交流電圧発生部１２のＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１２Ｂで発生する。これにより、回路設計で発熱部を一箇所に集中できる。従って、冷却効率をよくできる。
【００６２】
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
測定モジュールは、図１において３個としたが何個でもよい。
【００６３】
また、本体と測定モジュールが、分離可能な測定器をあげたが、本体と測定モジュールが一体化されている測定器であってもよい。
【００６４】
そして、第２のトランスは複数個設ける構成としたが１個の構成でもよい。つまり、１次側のコイルは１個として、２次側のコイルは複数個とする。そして、２次側のコイルは、所望直流電圧を出力する整流平滑回路ごとに設ける構成とする。
【００６５】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２ＡまたはＤＣ／ＡＣインバータ１２Ｂのいずれかはスイッチ素子を用いない構成としてもよい。
【００６６】
さらに、絶縁部は、制御部１４、フォトカプラ１５とにより構成した例を示したが、フォトカプラ１５のみで構成してもよい。このような構成の場合、制御部１４を交流電圧発生部１２内に設け、フォトカプラ１５は、トランス１３の出力を入力し、交流電圧発生部１２内の制御部１４に与える構成にする。
【００６７】
また、制御部１４がコントロール・ドライバ１２Ｃを設ける構成にしてもよい。このような構成の場合、コントロール・ドライバ１２Ｃは、誤差増幅部１４Ｃの出力を直接入力し、フォトカプラ１５を介して、出力をＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ａに与える構成にする。
【００６８】
さらに、フォトカプラ１５は、基礎絶縁されたトランスとしてもよい。つまり、トランス１３が出力する交流電圧に基づいた制御信号を、交流電圧発生部１２に絶縁して与える構成であればよい。なお、トランスを用いた場合は、トランスを通過させる信号は交流信号であることはういまでもない。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、絶縁部が、第１のトランスが出力する交流電圧に基づいた制御信号を交流電圧発生部にフィードバックするので、整流平滑回路の出力ごとにフィードバック・ループを設ける必要がない。つまり、フィードバック・ループは１つでよいので、絶縁電源装置を小型化でき、安価にできる。
【００７０】
また、第１、第２のトランスの２つにより、絶縁を確保し、第１のトランスの出力をフィードバックしているので、第１、第２のトランス、絶縁部の絶縁を小型化でき、安価にできる。
【００７１】
そして、複数の所望直流電圧ごとに設けられる構成は、第２のトランス、整流平滑回路、発熱を考慮しなくてよく、交流電圧発生部の一箇所に発熱部を集中でき、冷却を効率よく行うことができる。
【００７２】
請求項７によれば、交流電圧発生部のみがスイッチングを行っているので、ビートを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】本発明の第１のトランスからの出力信号における時間と電圧の関係を示す図である。
【図３】従来の絶縁電源装置の構成を示した構成図である。
【図４】従来の絶縁電源装置の一部分の詳細な構成を示した構成図である。
【符号の説明】
１２交流電圧発生部
１２ＡＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ＢＤＣ／ＡＣインバータ
１２Ｃコントロール・ドライバ
１３第１のトランス
１４制御部
１４Ａ交流振幅検出部
１４Ｂ基準電圧部
１４Ｃ誤差増幅部
１５フォトカプラ
２７基礎絶縁された電源
２８第２のトランス
２９整流平滑回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an insulated power supply that supplies power to a plurality of loads and that can be downsized.
[0002]
[Prior art]
The insulated power supply device is configured to electrically insulate the main body from the main body to the measurement module to supply power. Examples of equipment using such an insulated power supply include equipment in which a signal having a voltage higher than that used in the main body is input to a signal input terminal provided in the measurement module.
[0003]
A more specific example of a device is a measuring instrument (oscilloscope, wattmeter, or the like) that can separate a main body and a measurement module that is electrically insulated from the main body. The main body is provided with a storage unit such as a hard disk and a memory for storing measurement waveforms, a CPU for performing signal processing, calculation, and control, a display unit for displaying calculation results and measurement results, a printer for printing measurement results, and the like. The measurement module is provided with a probe that electrically contacts the device under test, a signal processing unit that processes a signal under test, and the like.
[0004]
An excessive signal voltage or current exceeding the design may be input to the signal under measurement input to the measurement module. If the main body and the measurement module are not electrically insulated, the circuit of the main body may be broken by the excessive input.
[0005]
In addition, in order to drive the circuits of the measurement modules, power must be supplied from the main body, or a power supply is required for each measurement module.
[0006]
The configuration of such an insulated power supply is shown in FIG. 3 and described. In FIG. 3, the main body 10 is a power supply side, and includes a plurality of measurement modules 2a to 2c which are power supply sides.
[0007]
The main body 10 has a DC voltage generator 11 provided therein. The DC voltage generator 11 outputs a constant DC voltage. Each of the plurality of measurement modules 2a to 2c is provided with a load circuit (not shown) and a reinforced insulated switching power supply unit 20 for each measurement module. Reinforced insulation is a type of insulation defined by overseas safety standards (IEC 60950, EN 60950, UL 1950, etc.), and there is also basic insulation. Basic insulation is insulation that serves as a basic protection against electric shock. In addition, reinforced insulation refers to a single insulation system that can provide protection against electric shock as much as double insulation under the conditions specified in IEC950, for example.
[0008]
The switching power supply unit 20 has an input side electrically connected to an output side of the DC voltage generation unit 11, and an output side electrically connected to a load circuit (not shown). The switching power supply unit 20 outputs the DC voltage on the input side as an arbitrary voltage, and the input side and the output side are reinforced and electrically insulated.
[0009]
More specifically, the configuration of the switching power supply unit 20 will be described with reference to FIG. The switching power supply unit 20 includes a switching unit 21, a reinforced insulated transformer 22, a rectifying and smoothing circuit 23, an error detection unit 24, a reinforced insulated photocoupler 25, and a control driver 26.
[0010]
The switching unit 21 includes a switch element such as a power MOSFET or the like. The input side of the switching unit 21 is electrically connected to the output side of the DC voltage generation unit 11. The switching unit 21 converts the input DC voltage into a rectangular-wave AC voltage and outputs the DC voltage by turning on and off the switching element. Further, the switching unit 21 has a control signal input terminal for controlling on / off of the switch element.
[0011]
The primary winding side of the transformer 22 is electrically connected to the output side of the switching unit 21. The transformer 22 induces a signal on the secondary winding side by a signal input to the primary winding side, and the primary side and the secondary side are electrically reinforced and insulated.
[0012]
The input side of the rectifying / smoothing circuit 23 is electrically connected to the secondary winding side of the transformer 22. The rectifying / smoothing circuit 23 is composed of a diode, a capacitor, and the like, and rectifies and smoothes an AC voltage from the secondary winding, and outputs the rectified and smoothed DC voltage to a load circuit (not shown) at a subsequent stage.
[0013]
The error detection unit 24 includes a reference voltage unit 24A and an error amplification unit 24B. The reference voltage section 24A generates a reference voltage. The error amplification unit 24B has one end on the input side electrically connected to the output side of the rectification and smoothing circuit 23, the other end on the input side electrically connected to the output end of the reference voltage unit 24A, and The output signal is compared with the reference voltage of the reference voltage section 24A, and the error is amplified and output.
[0014]
The input side of the photocoupler 25 is electrically connected to the output side of the error amplifier 24. The photocoupler 25 transmits a signal corresponding to the signal input to the input side to the output side, and the input side and the output side are electrically reinforced and insulated.
[0015]
The input side of the control driver 26 is electrically connected to the output side of the photocoupler 25, and the output side is electrically connected to the control signal input terminal of the switching unit 21. The control driver 26 receives the output signal of the photocoupler 25 and outputs a signal for controlling on / off of the switching element of the switching unit 21.
[0016]
The operation of supplying power to the plurality of measurement modules 2a to 2c in such an apparatus will be described below. The DC voltage generation unit 11 outputs a DC voltage to the switching power supply unit 20 provided for each of the plurality of measurement modules 2a to 2c.
[0017]
The switching power supply unit 20 generates a rectangular wave signal by turning on / off the switching element of the switching unit 21 in accordance with the control signal based on the DC voltage input to the input side. In the transformer 22, a signal corresponding to the rectangular wave signal input to the primary winding is induced on the secondary winding. The induced signal is converted into a DC voltage by the rectifying and smoothing circuit 23 and output, thereby supplying power to the load. Here, the voltage of the output signal from the switching power supply unit 20 is determined by the ON / OFF duty ratio of the switch element.
[0018]
Further, in order to stabilize the output voltage from the switching power supply section 20, a feedback loop is formed by the switching section 21, the transformer 22, the rectifying and smoothing circuit 23, the error detecting section 24, the photocoupler 25, and the control driver 26. I have.
[0019]
The error detection unit 24 amplifies an error between the output signal of the rectifying and smoothing circuit 23 and the reference voltage of the reference voltage unit 24A, and outputs a signal to the photocoupler 25. The photocoupler 25 outputs an output signal corresponding to the input signal to the control driver 26. The control driver 26 generates a signal for controlling the switching element of the switching unit 21 from the input signal, and outputs the signal to the control signal input terminal of the switching unit 21. The switching unit 21 receives this signal and controls the ON / OFF duty ratio of the switch element, thereby stabilizing the output signal of the switching power supply unit 20.
[0020]
That is, the error detection unit 24, the photocoupler 25, and the control driver 26 can be regarded as an output signal control unit for stabilizing the output signal of the switching power supply unit 20.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to drive the plurality of measurement modules 2a to 2c, the switching power supply unit 20 is required for each measurement module. In addition, in order to obtain a stabilized signal, a control unit for an output signal including a reference voltage unit 24A, an error amplifier unit 24B, a photocoupler 25, and a control driver 26 is required for each measurement module. Need space.
[0022]
Also, due to overseas safety standards, an insulating material is added to the primary winding side and the secondary winding side of the transformer rather than the basic insulation, or reinforced insulation is provided at a distance. Similarly, the photocoupler has reinforced insulation by adding an insulating material and maintaining a distance between elements. Therefore, there is a problem that the transformer and the photocoupler are large in shape, and the shape of the measurement module is also large.
[0023]
Therefore, an object of the present invention is to realize an insulated power supply device that can be reduced in size.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is
An insulated power supply device comprising a plurality of modules separable from the main body and generating a desired DC voltage for each module from the DC voltage of the main body ,
An AC voltage generator that is provided in the main body and generates an AC voltage from the DC voltage based on a control signal;
A first transformer provided in the main body, to which an AC voltage of the AC voltage generator is input;
A second transformer provided for each of the modules, to which an AC voltage output from the first transformer is input ;
A rectifying / smoothing circuit provided in the module for each second transformer, receiving an AC voltage output from the second transformer, performing rectification and smoothing, and outputting the desired DC voltage;
And an insulation unit provided in the main body, to which an AC voltage output from the first transformer is input, and which insulates and provides a control signal based on the AC voltage to the AC voltage generation unit. It is.
[0026]
The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1 ,
It is characterized in that the first and second transformers and the insulating part are used as basic insulation.
[0027]
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or claim 2 ,
The insulating portion is characterized in that at least one of the photocoupler and the transformer is provided.
[0028]
The invention according to claim 4 is the invention according to

claim

1 or 2 ,
The insulation part is
A control unit that outputs a control signal based on the AC voltage output by the first transformer;
A photocoupler to which a control signal of the control unit is input and which outputs the control signal to the AC voltage generation unit is provided.
[0029]
The invention according to claim 5 is the invention according to claim 4 ,
The control unit is
An AC amplitude detector that detects the amplitude of the AC voltage output by the first transformer;
An error amplifier for comparing an output voltage of the AC amplitude detector with a reference voltage and outputting a control signal indicating an error to the photocoupler is provided.
[0030]
The invention according to claim 6 is the invention according to claim 5 ,
The AC voltage generator is
A DC / DC converter for converting a DC voltage to an arbitrary DC voltage,
A DC / AC inverter that converts a DC voltage from the DC / DC converter into an AC voltage and inputs the AC voltage to a first transformer;
A control driver for controlling the DC / DC converter based on a control signal from a photocoupler is provided.
[0031]
The invention according to claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 6 ,
The AC voltage generator is
An AC voltage is generated by switching.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention. Here, the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0033]
In FIG. 1, a main body 10 and a plurality of measurement modules 2a to 2c are provided. The main body 10 includes a DC voltage generation unit 11, an AC voltage generation unit 12, a first transformer 13, a control unit 14, and a photocoupler 15 with basic insulation. The plurality of measurement modules 2a to 2c include a power supply 27 insulated for each measurement module and a load (not shown).
[0034]
The AC voltage generator 12 includes a DC / DC converter 12A, a DC / AC inverter 12B, and a control driver 12C.
[0035]
The DC / DC converter 12A has an input side electrically connected to the output side of the DC voltage generator 11, and has a control signal input terminal for controlling the voltage of the output signal. The DC / DC converter 12A converts the DC voltage of the DC voltage generator 11 into an arbitrary DC voltage Vdco controlled by a control signal. The DC / DC converter 12A includes a switch element such as a power MOSFET, and controls the voltage of an output signal by turning on / off the switch.
[0036]
The input side of the DC / AC inverter 12B is electrically connected to the output side of the DC / DC converter 12A, and converts the DC voltage on the input side into a rectangular wave AC voltage and outputs it. As shown in FIG. 2, the duty ratios Th and Tl of the rectangular wave AC signal are constant, and the voltage Vac of the AC signal is controlled by the voltage of the input DC signal.
[0037]
The output side of the control driver 12C is electrically connected to the control signal input terminal of the DC / DC converter 12A. The control driver 12C outputs a signal Ve for controlling the DC voltage of the output signal of the DC / DC converter 12A from the input signal.
[0038]
The first winding of the first transformer 13 is electrically connected to the output side of the DC / AC inverter 12B. The first transformer 13 induces a signal on the secondary winding side by a signal input to the primary winding side, and the primary side and the secondary side are electrically and fundamentally insulated.
[0039]
The control unit 14 includes an AC amplitude detection unit 14A, a reference voltage unit 14B, and an error amplification unit 14C. The AC amplitude detector 14A has an input side electrically connected to the secondary side of the first transformer 13, and outputs a DC voltage Va corresponding to the AC voltage amplitude Vac of the first transformer 13. The reference voltage unit 14B outputs a reference voltage Vr. The error amplification section 14C has one input side electrically connected to the output side of the AC amplitude detection section 14A, and the other input side electrically connected to the output end of the reference voltage section 14B. The error amplifier 14C compares the reference voltage Vr with the DC voltage Va output from the AC amplitude detector 14A, amplifies the difference, and outputs an output signal Vb.
[0040]
The basic insulated photocoupler 15 has an input side electrically connected to the output side of the error amplifier 14C, and an output side electrically connected to the input side of the control driver 12C. The photocoupler 15 transmits a signal corresponding to the signal Vb input to the input side to the output side, and the input side and the output side are electrically basic-insulated.
[0041]
The power supply 27 includes a second transformer 28 and a rectifying / smoothing circuit 29. The second transformer 28 is electrically connected on the primary winding side to the secondary winding side of the first transformer 13, and induces a signal on the secondary winding side by a signal input to the primary winding side. The primary side and the secondary side are electrically insulated from each other. The rectifying and smoothing circuit 29 includes a diode, a capacitor, and the like. The input side is electrically connected to the secondary winding side of the second transformer 28, and the output side is electrically connected to a load circuit (not shown). The AC voltage from the line side is rectified and smoothed and output as a DC voltage Vdc to a load circuit (not shown) at the subsequent stage.
[0042]
The operation of supplying power to the load circuits of the plurality of measurement modules 2a to 2c in such an apparatus will be described below. The DC voltage generator 11 outputs a DC voltage to the input side of the DC / DC converter 12A.
[0043]
Then, the DC / DC converter 12A outputs the DC voltage Vdco controlled by the control signal Ve input to the control signal input terminal. DC voltage Vdco control signal Ve and the output signal is expressed by using a coefficient _{k 1} and Equation (1).
Vdco = k ₁ · Ve (1)
[0044]
The DC / AC inverter 12B generates, from the output voltage Vdco of the DC / DC converter 12A, an output in which the amplitude of the voltage is Vaco in the form of a rectangular AC signal. In this case, the input signal Vdco and output signal Vaco of the DC / AC inverter 12B becomes expressed using the coefficient _{k 2} in the formula (2).
Vaco = k ₂ · Vdco (2)
[0045]
The first transformer 13 receives the output voltage Vaco of the DC / AC inverter 12A on the primary winding side and induces a voltage on the secondary winding side in proportion to the turns ratio. In this case, the amplitude Vac amplitude Vaco an AC voltage which is the output signal of the secondary winding side of the AC voltage which is input signals of the primary winding side, when expressed using the coefficient k ₃ determined by the turns ratio formula (3).
_{Vac = k 3 · Vaco (3} )
[0046]
From Equations (1) to (3), the relationship between Vac and Ve is given by Equation (4). Here, K ₁ = k ₁ · k ₂ · k ₃ .
Vac = K ₁ · Ve (4)
[0047]
The AC amplitude detector 14A outputs a DC voltage Va according to the amplitude Vac of the AC voltage output from the first transformer 13. AC voltage Vac and a DC voltage Va becomes expressed using the coefficient _{K 2} and the equation (5).
Va = K ₂ · Vac (5)
[0048]
The error amplifier 14C compares the DC voltage Va output from the AC amplitude detector 14A with the reference voltage Vr of the reference voltage unit 14B, amplifies the difference, and outputs an output voltage Vb. Assuming that the amplification degree of the error amplifying unit is A, the relationship among the DC voltage Va, the reference voltage Vr, and the output voltage Vb is represented by Expression (6).
Vb = A (Va−Vr) (6)
[0049]
The photocoupler 15 outputs an output corresponding to the output signal Vb from the error amplifier 14C to the control driver 12C. The control driver 12C generates a control signal Ve to be output to a control input terminal from the input signal. At this time, the control signal Ve and the output signal Vb becomes expressed by using the coefficient _{K 3} in the formula (7). _{Ve = K 3 · Vb (7} )
[0050]
As described above, the AC voltage generation unit 12, the first transformer 13, the control unit 14, and the photocoupler 15 constitute a closed loop feedback loop. From equations (4) to (7), Vac is represented by equation (8).

[0051]
Here, if the amplification degree A of the error amplifier 14C is set to about 40 dB (100 times), the equation (8) can be regarded as the equation (9).
(Equation 1)

[0052]
That is, from equation (9), the output voltage Vac of the first transformer 13 is determined by the reference voltage Vr.
[0053]
In the second transformer 28, the output voltage Vac of the first transformer 13 is applied to the primary winding side, and an AC voltage corresponding to the turn ratio is induced on the secondary winding side. The rectifying and smoothing circuit 29 rectifies and smoothes the AC signal from the second transformer 28 and supplies a DC voltage Vdc to the load. The DC voltage Vdc supplied to the load in this manner corresponds to the amplitude Vac of the AC voltage whose amplitude is controlled by the feedback loop.
[0054]
Here, since the characteristics of the second transformer 28 and the rectifying / smoothing circuit 29 provided for each of the plurality of power supplies 27 are different from each other, a difference occurs in the output DC voltage Vdc.
[0055]
As for the electrical connection, the DC voltage generator 11 and the output side of the rectifying / smoothing circuit 23 are basically insulated by each of the first and second transformers 13 and 28, so that double insulation is provided as a whole. Configuration.
[0056]
Thus, the feedback loop generates a control signal for keeping the output signal Vdc of the rectifying / smoothing circuit 29 stable. As the feedback signal of this feedback loop, the output signal Vac of the first transformer 13 is used instead of the output signal Vdc of the power supply 27. Thus, it is not necessary to provide a feedback loop for each of the plurality of measurement modules, and it is only necessary to provide one feedback loop in the main body. Therefore, the power supply 27 is composed of only the transformer 28 and the rectifying / smoothing circuit 29. Therefore, the circuit can be reduced in size and can be manufactured at low cost.
[0057]
Further, a feedback loop is formed by the AC voltage generator 12, the first transformer 13, the photocoupler 15, and the controller 14, and the amplitude Vac of the output signal of the first transformer 13 is controlled. As a result, as shown in Expression (9), the output signal Vac of the first transformer 13 becomes constant regardless of the loads on the measurement modules 2a to 2c. Therefore, the DC voltage Vdc output from the rectifying and smoothing circuit 29 is also kept stable.
[0058]
Then, two first transformers 13 and two second transformers 28 are used to supply power to the loads of the measurement modules 2a to 2c. Thus, even in a system that requires double insulation between the power supply side and the power supply side, each of the transformers can be provided with basic insulation because two transformers are used. Therefore, the circuit can be reduced in size and can be manufactured at low cost.
[0059]
Further, an AC signal Vac output from the first transformer 13 is used as a signal used as a feedback signal of the control unit 14. As a result, the photocoupler 15 in the feedback loop can also be used as basic insulation. Therefore, the circuit can be reduced in size and can be manufactured at low cost.
[0060]
Further, when there are a plurality of switching power supplies having independent switching frequencies as in the related art, a beat is generated between the measurement modules due to a difference in switching frequency of the switching power supplies. On the other hand, since only the AC voltage generator 12 performs switching, no beat is generated between the measurement modules.
[0061]
There is almost no heat generated by the power supply 27, and most of the heat is generated by the DC / DC converter 12A and the DC / AC inverter 12B of the AC voltage generator 12. Thus, the heat generating portion can be concentrated at one place in the circuit design. Therefore, the cooling efficiency can be improved.
[0062]
The present invention is not limited to this, and may be as follows.
Although the number of measurement modules is three in FIG. 1, any number may be used.
[0063]
Further, although a measuring instrument in which the main body and the measuring module are separable has been described, a measuring instrument in which the main body and the measuring module are integrated may be used.
[0064]
Although a plurality of second transformers are provided, one may be provided. That is, the number of primary side coils is one and the number of secondary side coils is plural. The secondary coil is provided for each rectifying and smoothing circuit that outputs a desired DC voltage.
[0065]
Further, either the DC / DC converter 12A or the DC / AC inverter 12B may be configured to use no switch element.
[0066]
Furthermore, although the example in which the insulating unit is configured by the control unit 14 and the photocoupler 15 is shown, the insulating unit may be configured by only the photocoupler 15. In the case of such a configuration, the control unit 14 is provided in the AC voltage generation unit 12, and the photocoupler 15 is configured to receive the output of the transformer 13 and supply the output to the control unit 14 in the AC voltage generation unit 12.
[0067]
Further, the control unit 14 may be provided with the control driver 12C. In the case of such a configuration, the control driver 12C is configured to directly input the output of the error amplifier 14C and to provide the output to the DC / DC converter 12A via the photocoupler 15.
[0068]
Further, the photocoupler 15 may be a transformer with basic insulation. That is, any configuration may be used as long as the control signal based on the AC voltage output from the transformer 13 is insulated to the AC voltage generation unit 12. When a transformer is used, the signal passing through the transformer is not always an AC signal.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the insulating section feeds back a control signal based on the AC voltage output from the first transformer to the AC voltage generating section, it is not necessary to provide a feedback loop for each output of the rectifying / smoothing circuit. That is, since only one feedback loop is required, the size of the isolated power supply device can be reduced, and the cost can be reduced.
[0070]
Further, since insulation is ensured by the first and second transformers and the output of the first transformer is fed back, the insulation of the first and second transformers and the insulation unit can be reduced in size and inexpensive. Can be.
[0071]
The configuration provided for each of the plurality of desired DC voltages eliminates the need for the second transformer, the rectifying / smoothing circuit, and heat generation, allows the heat generation unit to be concentrated at one place of the AC voltage generation unit, and performs cooling efficiently. be able to.
[0072]
According to the seventh aspect , since only the AC voltage generating section performs switching, beat can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between time and voltage in an output signal from a first transformer of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration of a conventional insulated power supply device.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a detailed configuration of a part of a conventional insulated power supply device.
[Explanation of symbols]
12 AC voltage generating unit 12A DC / DC converter 12B DC / AC inverter 12C Control driver 13 First transformer 14 Control unit 14A AC amplitude detecting unit 14B Reference voltage unit 14C Error amplifying unit 15 Photocoupler 27 Basically insulated power supply 28 Second transformer 29 Rectifier smoothing circuit

Claims

An insulated power supply device comprising a plurality of modules separable from the main body and generating a desired DC voltage for each module from the DC voltage of the main body ,
An AC voltage generator that is provided in the main body and generates an AC voltage from the DC voltage based on a control signal;
A first transformer provided in the main body, to which an AC voltage of the AC voltage generator is input;
A second transformer provided for each of the modules, to which an AC voltage output from the first transformer is input ;
A rectifying / smoothing circuit provided in the module for each second transformer, receiving an AC voltage output from the second transformer, performing rectification and smoothing, and outputting the desired DC voltage;
An insulation unit provided in the main body, to which an AC voltage output from the first transformer is input, and which insulates and provides a control signal based on the AC voltage to the AC voltage generation unit. Power supply.

2. The insulated power supply according to claim 1, wherein the first and second transformers and the insulating section are used as basic insulation.

The insulated power supply device according to claim 1, wherein the insulating unit includes at least one of a photocoupler and a transformer.

The insulation part
A control unit that outputs a control signal based on the AC voltage output by the first transformer;
A photocoupler to which a control signal of the control unit is input and output to the
The insulated power supply device according to claim 1 or 2, further comprising:

The control unit is
An AC amplitude detector that detects the amplitude of the AC voltage output by the first transformer;
An error amplifier that compares an output voltage of the AC amplitude detector with a reference voltage and outputs a control signal indicating an error to the photocoupler;
The insulated power supply device according to claim 4, further comprising:

The AC voltage generator is
A DC / DC converter for converting a DC voltage to an arbitrary DC voltage,
A DC / AC inverter that converts a DC voltage from the DC / DC converter into an AC voltage and inputs the AC voltage to a first transformer;
A control driver for controlling the DC / DC converter based on a control signal from a photocoupler;
The insulated power supply device according to claim 5, further comprising:

The AC voltage generator is
The insulated power supply device according to any one of claims 1 to 6, wherein an AC voltage is generated by switching.