JP4065008B2 - 分散型dc電源ネットワーク - Google Patents

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Description

本発明は、分散型DC(直流)電源の分野に関する。より詳細には、本発明は、分散型DC電源ネットワーク(回路網)であって、該ネットワークによって駆動せしめられる負荷へのノイズ(雑音)エネルギの伝播を減少させるべくシステムグラウンドに関してその入力が浮動(フローティング)(float) する1又は2以上のDC/DCコンバータ(直流/直流変換器)に結合された少なくとも一つのスイッチング電源を含むものに関する。かくして、本発明は、血球(blood cell)カウンタ(計数器)のような医療計測及びその他の小信号応用分野における使用に特に適したものである。
血球カウンタ及びその他各種の電子計測制御応用分野においては、充分に調整されたDC電気エネルギを複数の電気負荷に供給することが必要である。かかる負荷は、相互に物理的に離隔して置かれる場合もあれば、相互に著しく異なる電圧電流要件を有する場合もある。そのような負荷を収容するために、単一の大DC電源が共通DCバスに給電し、次いでそのバスが複数の局所的なDC/DCコンバータモジュールに給電し、そのモジュールが各々の負荷によって要求される電圧及び電流を供給する。各DC/DCコンバータは、給電される負荷に物理的に近接して配置されることができる。このことは、布線抵抗による電圧降下を低減し、かつ、入力電圧変動及び/又は負荷によって要求される電流の大きさの変化にもかかわらず負荷電圧の精密な調整を可能とする。典型的には、DC/DCコンバータに給電するDCバスには、線形電源(linear power supply) が給電する。
従来の線形電源においては、変圧器の一次巻線にAC(交流)線間電圧が印加される。次いで、変圧器の1又は2以上の二次巻線の出力は、整流され、そして特定のDC負荷の電圧及び電流要件を満たすのに必要な程度にまで出力リプルを低減させるべく容量的に又は他の方法で調整される。線形電源は、電気ノイズがほとんどない充分に調整された出力を提供することができる一方、数多くの制限を受ける。線形電源は、製造するのに、物理的に巨大で、重く、かつ高価なものとなる傾向がある。
線形電源の上述の制限のため、システムエンジニアたちは、各種の応用に関し、ますますスイッチング電源に転向してきている。この説明及び特許請求の範囲にて使用されるように、「スイッチング電源(switching power supply)」という用語は、広く解釈されるべきであり、連続列のパルスの幅、デューティサイクル、又は周波数を制御するためのトランジスタのような半導体スイッチングデバイスの伝導状態を変更することによって出力が少なくとも一部は調整されるあらゆる電源をいう。それらは、出力調整のために主としてキャパシタ又は他の受動要素に依存するということがないため、スイッチング電源は、典型的に、同等の出力電力定格の線形電源よりも効率的で、重さが軽く、低価格である。しかしながら、そのような性能は、今までいくつかの応用にとってはスイッチング電源を不適切なものとしてきた特定の不利益を伴う。明らかに、スイッチング電源における半導体スイッチングデバイスの動作は、かなりの量の高周波電気ノイズを発生させる傾向がある。多くの医療器材のようなノイズ感知性の応用分野においては、小さな振幅の信号が測定され又は処理されるが、今までスイッチング電源の使用に伴うものであった信号対ノイズ比の低下は、器材の性能の精度その他の面に不利な影響を与えてきたであろう。さらに、このノイズを、従来の電磁シールド及び/又はフィルタリング技術を適用するだけで充分に低減することは、常にはできない。外部システムへのかかるノイズの放射は、各接地負荷と同様に、アースに結合された信号低インピーダンスグラウンドパスにシステム内の各DC/DCコンバータの負入力側を連結することによって、認可機関(approvals agencies)にとって受容可能なレベルまで低減せしめられることができる。しかしながら、そのような配置は、ノイズがグラウンドパスにそって伝導する傾向があるため、動作中は満足なものでなく、ノイズ感知性負荷の適当な動作を干渉する。
以上に鑑み、少なくとも一つのスイッチング電源を含むがそれにもかかわらず電源に接続されたあらゆる負荷に低レベルの電気ノイズエネルギのみ伝える分散型DC電源の必要性が理解される。本発明の更なる目的は、負荷に低レベルの電気ノイズエネルギのみ伝える一方、過度に精巧な又は高価なシールド又はフィルタリングを含むことなく、各種の規定機関によって課される標準制限に適合することができるように、充分に低レベルの電磁干渉(EMI)を放射する分散型DC電源を提供することにある。
AC線路入力、DC出力端子、及びDCリターン端子を有する少なくとも一つのスイッチング電源を含む分散型電源が提供される。これらのDC出力は、その出力が負荷に給電する、少なくとも一つのDC/DCコンバータの入力側に接続される。本発明によれば、そのDC/DCコンバータの入力は、負荷への高周波スイッチングノイズの伝播を低減するためにシステムグラウンドに関して浮動(フローティング)(float)する。負荷へのノイズの伝播をさらに低減するために、そのシステムグラウンドは、特定のAC周波数を抑止(suppress)するように調整(tune)されたリアクタンス性(誘導性)インピーダンスによってシャーシ(chassis) グラウンド(アースグラウンド)から分離(isolate)される。放射される電磁干渉の過度のレベルを更に避けるために、スイッチング電源出力と各DC/DCコンバータの入力との間に低域通過フィルタが挿入される。スイッチングノイズを更に減衰せしめるために、各DC/DCコンバータの出力と各ノイズ感知性負荷との間に付加的な低域通過フィルタを挿入することが好ましい。更に、本発明によれば、血球(blood cell)カウンタ(計数器)内のコンプレッサモータのような付加的な負荷に給電する同一のAC線路に第2のスイッチング電源が結合されてもよい。付加的な負荷及び/又は第2のスイッチング電源から他の負荷へのノイズの伝播を低減するために、その第2のスイッチング電源の出力は、同様に浮動し、好ましくは、システムグラウンドから完全に電気的に絶縁される。随意に、第2のスイッチング電源と付加的な負荷との間にフィルタネットワークが挿入されてもよい。付加的なスイッチング電源及び関連する負荷は、望まれるならば、相似的にカスケード接続されることができる。本発明のこれらの及び他の目的及び利益は、本開示及び添付図面(類似した参照符号は類似した要素を指定する)に照らし、当業者にとって明らかとなろう。
図1は、複数のシステム負荷12、14、16及び18にDC電気エネルギを供給するのに適した低ノイズ分散型スイッチング電源ネットワーク10のブロック図を示す。これらのシステム負荷は、似たものでもよいし、相互に異なる電圧及び電流要件を有していてもよい。負荷12、14及び/又は16のうちのいくつかのような、ネットワーク10に結合された負荷のうちのいくつかが、電気ノイズの存在によって不利な影響を受ける可能性がある一方、負荷18のような他のものは、顕著なレベルの電気ノイズエネルギをそれ自身発生させるDCコンプレッサモータのようなデバイスからなる可能性もある。ネットワーク10は、AC入力24を有する少なくとも一つのスイッチング電源20を含み、そのAC入力24は、外部AC電力幹線36に結合可能な線路導体30と中性導体(neutral conductor)33とを含む。ネットワーク10は、また、AC電力幹線36と関連づけられたアースグラウンド41に典型的に結合されたシステムグラウンド導体40を含む。好ましくは、導体がループ状に巻かれた個々のフェライトビード(ferrite bead)(すなわち、インダクタ)42、43及び44を介してアースグラウンド41にシステムグラウンド導体40を結合することによって、アースグラウンドとシステムグラウンドとの間にわずかなACインピーダンス差を設け、アースグラウンド41上のノイズをシステムグラウンド導体40から分離する傾向とする。下記のとおり、ビード42、43及び44の各リアクタンス性インピーダンス(インダクタンス)は、特定の望ましくないACノイズ周波数を抑止する調整済回路(tuned circuit)を提供するために選択される。少なくともいくつかの電磁シールドを提供するために、スイッチング電源20のシャーシを含め、ネットワーク10における各スイッチング電源のシャーシは、図示されたアースグラウンド41に直接接続されてもよい。スイッチング電源20は、「チョッパ」型又は「インバータ」型に制限されることなくその他の型を含め、各種の周知の型のものでよい。
典型的な「チョッパ」型スイッチング電源においては、通常、AC入力電圧が変圧器に印加され、より低い振幅のAC電圧にステップダウンされる。次いで、この低AC電圧は、整流され及びフィルタリングされて、DC電圧を提供し、このDC電圧は、制御回路によって作動せしめられる半導体スイッチによって高周波方形波に変換される。フィードバックを用いて、その制御回路は、その方形波のデューティサイクルを調整することにより、負荷に印加されるDC出力電圧を調整する。このDC出力電圧は、典型的には、方形波信号を整流しかつフィルタリングすることによって導かれる。
典型的な「インバータ」型スイッチング電源においては、AC線路入力電圧が、スイッチング回路によって、整流され、フィルタリングされ、かつ、高周波方形波に変換される。この方形波は、高周波変圧器の一次側に印加される。次いで、その変圧器の二次側に現れるAC信号は、整流され、かつ、フィルタリングされて、所望のDC負荷電圧を提供し、このDC負荷電圧は、方形波を発生させるスイッチング回路に電圧フィードバック又は電流フィードバックのいくつかの形を提供することによって調整される。
使用される型にかかわらず、スイッチング電源20は、DC出力端子46とDCリターン端子48(すなわち、システムグラウンド)とを含み、それらは、DCバス51と関連する各導体に結合される。次いで、DCバス51は、少なくとも一つのDC/DCコンバータ56に結合され、また、典型的には、複数の付加的なDC/DCコンバータ58及び60に結合される。DCバス51がDC/DCコンバータ56、58及び60の入力に直接に接続されてもよい一方、スイッチング電源20の出力端子46及び48とDC/DCコンバータ56、58及び60の入力に共通なバス51の部分との間に低域通過フィルタ63が挿入されることが好ましい。電気ノイズの放射を最小限に抑えるために、スイッチング電源20の出力をフィルタ63に接続する電気導体をできるだけ短く保つようにして、フィルタ63がスイッチング電源20にできるだけ密接して位置づけられるようにしなければならない。各DC/DCコンバータ56、58及び60は、それぞれ、正入力66、69及び71を含み、この正入力は、スイッチング電源20のDC出力端子46に結合されたバス51の導体に接続される。同様に、各DC/DCコンバータ56、58及び60は、それぞれ、負入力76、79及び81を含み、この負入力は、スイッチング電源20のDCリターン端子48に結合されたバス51の導体に接続される。DC/DCコンバータ56、58及び60は、それぞれ一対の出力接続点83及び84、86及び87並びに89及び90によって各々が結合される各負荷12、14及び16の電圧、電流及び調整要件に応じて選択される。各DC/DCコンバータ56、58及び60とそれらの各々によって駆動される各負荷12、14及び16との間には、適当な低域通過フィルタ92、94及び96が電気的に挿入されることが好ましい。必要があれば、ノード97、98及び99において示される接続線によって各負荷12、14及び16がシステムグラウンド40に結合されてもよい。しかしながら、ノイズに対する感度を有する可能性があるシステム負荷12、14及び16へスイッチング電源20から電気ノイズが伝播するのをより効果的に低減するために、本発明は、ノイズ感知性であるシステム負荷12、14及び16を駆動するDC/DCコンバータ56、58及び60の負入力76、79及び81を含め、少なくとも入力がシステムグラウンド導体40に関し浮動することを企図する。DC/DCコンバータ56、58及び60の入力は、システムグラウンド導体から完全に電気的に絶縁されるか、又は、より好ましくは、それぞれDC/DCコンバータ56、58及び60の負入力76、79及び81の各1個とアースグラウンド41との間に直列に接続可能なバイパスキャパシタによってAC結合される。かくして、ここで及び特許請求の範囲で使用されるように、「浮動する」又は「浮動」は、少なくともいくつかの高周波AC結合を付加的に許容しつつDC結合が実質的に存在しないことをいう。DC/DCコンバータ56、58及び60によって駆動されるシステム負荷12、14及び16のうちの特定の一つがノイズ保護を必要とするかしないかにかかわらず、ネットワーク10に含まれるDC/DCコンバータの入力は、システムグラウンド40に関しそのように浮動することが好ましい。
本発明の更なる態様が図1のみに示されている。ネットワーク10は、スイッチング電源20に類似した又はそれと異なる型の少なくとも一つの付加的なスイッチング電源101を含んでいてもよい。スイッチング電源101は、スイッチング電源20のAC入力24の線路導体30及び中性導体33に共通に接続されるAC入力103を含む。更に、スイッチング電源101は、コンプレッサモータ18のような付加的なシステム負荷に給電するDC出力端子106及びDCリターン端子108を含む。コンプレッサモータ18の動作によって発生せしめられる電気ノイズを、スイッチング電源101によって発生せしめられる電気ノイズと同様に、実質的に減衰せしめるべく調整(tune)された低域通過フィルタ110によって、付加的な負荷18がスイッチング電源101に結合されることが好ましい。このような電気ノイズの放射を最小限に抑えるのを援助すべく、DC出力106及び108に結合された電気導体及びコンプレッサモータ18に結合された電気導体をできるだけ短く保つことにより、低域通過フィルタ110が、コンプレッサモータ18とスイッチング電源101とにできるだけ密接して位置づけられることが好ましい。本発明のこの態様によれば、スイッチング電源101のDC出力106及び108は、システムグラウンド40に関し浮動し、好ましくは、それから完全に電気的に絶縁されて、システム負荷12、14及び16に電気ノイズが伝播するのを最小限に抑える。
図3及び図4(これらの図の関係は図2に示される)に示されるように、本発明に従って構成された低ノイズ分散型スイッチング電源ネットワーク10は、スイッチング電源20を含み、このスイッチング電源20は、カリフォルニア、カマリロ(Camarillo)のパワーワン(Power-One)によって製造されたモデル SPF6LG4U6CES358のような型、又は適当な回路ブレーカ及び/又は他の過電流及び/又は過電圧保護デバイス(図示せず)によって適当なAC電力幹線36に接続するのに適応した適当な等価物からなるものでよい。AC線路に関連するアースグラウンド41は、3つの並列なフェライトビード42、43及び44を通過して、静かな(quiet)システムグラウンド40を形成する。ビード42、43及び44のインダクタンス及びインピーダンス特性は、最良の結果を提供すべく、所与のシステムに存在するピークノイズ周波数に照らして選択される。スイッチング電源20は、そのDC出力端子46及び48において、図示された48V/15VのDC/DCコンバータU1,56、48V/15VのDC/DCコンバータU3,58、及び48V/300VのDC/DCコンバータU5,60の各入力66、76、69、79、71及び81に結合される。
分巻(split winding)同相(common mode)チョークL1と直並列キャパシタC1、C1’、C2及びC2’とからなるデュアルπ型低域通過フィルタ63は、スイッチング電源20の端子46及び48とDC/DCコンバータ56、58及び60の各々との間に電気的に接続され、DC/DCコンバータ56、58及び60の48V入力は、相互に並列に接続される。スイッチング電源20のDCリターン端子48に各々接続された、DC/DCコンバータ56、58及び60の負入力は、図示されたバイパスキャパシタC3、C5及びC8を介してアースグラウンド41にAC結合されて、スイッチング電源20の動作によって発生せしめられる少なくとも電気ノイズの部分をグラウンド41に分流(shunt)するのを促進することができる。しかしながら、DC感知の面では、DC/DCコンバータの入力66、76、69、79、71及び81は、各入力対の各々とシステムグラウンド40との間のDC電位が相互に他方に対し浮動することができるように、アースグラウンド41からもシステムグラウンド40からも絶縁されている。電磁シールドを提供するために、DC/DCコンバータ56のシャーシは、図示のようにアースグラウンド41に接続される。DC/DCコンバータ15の負DC出力端子84は、バイパスキャパシタC4によってアースグラウンド41に結合され、そして、ノード97で示されるシステム負荷12の一方側に沿って、図示のシステムグラウンド40に直接接続されてもよい。
DC/DCコンバータ56の出力とシステム負荷12との間には、調整可能な3端子直列電圧レギュレータU2を介して、インダクタL2並びに並列キャパシタC9及びC10からなる低域通過フィルタ92が電気的に結合される。フィードバックダイオードD1は、レギュレータU2の出力端子及び入力端子にかかり(span)、電圧調整を促進する。レギュレータU2の出力端子は、レギュレータU2に印加される15V入力をシステム負荷12が必要とする6.3Vに減じるようにその値が選択されている抵抗R1及びR2からなる電圧分割器を介して、その調整入力に結合される。レギュレータU2の調整端子に印加される電圧を安定化し、そうして発振を避けるために、図示のようにR2と並列にキャパシタC15が接続される。調整を更に改良するために、図示のように、システム負荷12と並列にキャパシタC16が接続されてもよい。
DC/DCコンバータ58は、図示のようにノード98においてシステムグラウンド40に直接接続されるとともにキャパシタC6を介してアースグラウンド41に結合されることができる共通線路に関して測定される+15V出力及び−15V出力を発生させる。図3及び図4に示される方法で、DC/DCコンバータ58の出力とシステム負荷14との間には、インダクタL3及びL4並びにキャパシタC11、C12、C13及びC14からなる低域通過フィルタ94が接続される。
図1には示されていないが、図3及び図4の実施例は、直列抵抗R4及び光絶縁器(opto-isolator)U4を介してDC/DCコンバータ60に関連する一対のTTL制御入力に結合されたローカル又はリモートコントローラ120によりシステム負荷16を制御するのを付加的に援助する。光絶縁器U4の動作電圧は、DC/DCコンバータ58の正供給電圧から直接導かれる。図示のように直列に接続されたドロップ抵抗R3は、光絶縁器U4の出力段を駆動するために適当なTTL電圧レベル内への電流制限を提供する。DC/DCコンバータU5,60は、コントローラ120の出力による制御により選択的にスイッチオン及びスイッチオフされうる300VのDC出力を発生させる。DC/DCコンバータ60の出力は、一対のインダクタL5及びL6並びにキャパシタC7、C17、C18及びC19から構成される低域通過フィルタを介してシステム負荷16に結合される。負荷12及び14の場合のように、システム負荷16の一方側は、ノード99にて示されるようにシステムグラウンド導体40に直接接続されてもよい。図3及び図4の回路に関する部品リストが下記表1に示される。
Figure 0004065008
動作中、スイッチング電源20の付勢は、かなりのレベルの電気ノイズを発生させる可能性がある。DC/DCコンバータ56、58及び60への入力を浮動せしめることによって、かかるノイズのシステム負荷12、14及び16への結合は、大いに減衰せしめられる。そうすることは、通常、DC/DCコンバータ56、58及び60からの反射電流ノイズのため放射ノイズ放出の望ましくない増加に結果するが、このことは、好適な実施例においてはデュアルπフィルタ63の動作によって回避される。スイッチング電源20によって発生せしめられるノイズの更なる減衰が、低域通過フィルタ92、94及び96の動作によって達成される。フェライトビード42、43及び44によってアースグラウンド41とシステムグラウンド40との間に確立されるACインピーダンス差は、DC/DCコンバータ56、58及び60の負入力76、79及び71に現れるスイッチングノイズが、アースされたシャーシグラウンド41にバイパスキャパシタC3、C5及びC8を介してそれぞれ分流されるのを可能とする一方、システムグラウンド40、従って負荷12、14及び16をかかるノイズから効果的に絶縁する。かくして、ネットワーク10は、少なくとも一つのスイッチング電源20を含むことができ、しかも、過度のレベルのEMIを放射することもなく、また、かかるスイッチング電源によって発生せしめられる可能性のある、不適当なレベルの電気ノイズを、ネットワーク10に接続された負荷12、14及び/又は16のいずれにも伝播せしめることがない。
本開示に照らして、当業者は、適法な均等物を含め、特許請求の範囲にて特に指摘されかつ明白に請求された本発明の範囲から逸脱することなく、様々な構造的及び/又は作用的変更がなされるうることを、認識するであろう。
本発明に従って構成された好適な低ノイズ分散型スイッチング電源ネットワークのブロック図である。 図3と図4との関係を示す図である。 図1に一致して構成された型の低ノイズ分散型スイッチング電源ネットワークを詳細に示す電気配線図(1/2)である。 図1に一致して構成された型の低ノイズ分散型スイッチング電源ネットワークを詳細に示す電気配線図(2/2)である。
符号の説明
10 低ノイズ分散型スイッチング電源ネットワーク
12,14,16 システム負荷
18 システム負荷(コンプレッサモータ)
20 スイッチング電源
24 AC入力
30 線路導体
33 中性導体
36 外部AC電力幹線
40 システムグラウンド導体
41 アースグラウンド
42,43,44 フェライトビード(bead)(例えば、インダクタ)
46 DC出力端子
48 DCリターン端子
51 DCバス
56,58,60 DC/DCコンバータ
63 低域通過フィルタ
66,69,71 正入力
76,79,81 負入力
83,84;86,87;89,90 一対の出力接続点
92,94,96 低域通過フィルタ
97,98,99 ノード
101 スイッチング電源
103 AC入力
106 DC出力端子
108 DCリターン端子
110 低域通過フィルタ
120 ローカル又はリモートコントローラ

Claims (1)

  1. a)(i) AC電気エネルギの源に接続可能な一対のAC入力端子及び(ii) 一対のDC出力端子を有するスイッチング電源と、
    b)(i) 前記スイッチング電源のDC出力端子に接続された一対の入力端子及び (ii) DC負荷に接続可能な一対のDC出力端子を有するDC/DCコンバータであって、前記DC/DCコンバータのDC出力端子の一つがシステムグラウンドに接続されるものと、
    c)前記スイッチング電源及び前記DC/DCコンバータと結合せしめられた電気伝導シャーシであって、アースグラウンドに接続されているものと、
    d)前記アースグラウンドから前記システムグラウンドを分離するリアクタンス性インピーダンス手段であって、前記スイッチング電源によって発生し前記アースグラウンドにそって伝導するノイズの伝播を低減すべく特定のAC周波数を抑止するように調整されているものと、
    を具備し、前記DC/DCコンバータの入力端子は前記システムグラウンドに関してフローティング状態とされ、
    前記スイッチング電源の出力端子と前記DC/DCコンバータの入力端子との間に低域通過フィルタが挿入され、
    前記DC/DCコンバータの出力端子と前記DC負荷との間に更なる低域通過フィルタが挿入されている、
    分散型DC電源ネットワーク。
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