JP4309074B2 - 電流検出方法、及び電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流検出方法、及び電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パソコン等に内蔵される電源装置は、電源投入時には交流電源から供給される交流電圧をＡＣ−ＤＣコンバータで直流電圧に変換してパソコン本体に駆動電源を供給し、同時にバックアップ装置に搭載される二次電池を充電する。
【０００３】
一方、例えば停電等の不測の事態により交流電源が電源装置に供給されなくなった場合、該電源装置はバックアップ装置の二次電池（直流電源）を使用してＤＣ−ＤＣコンバータでパソコン本体を駆動する。
【０００４】
即ち、電源装置は、その駆動回路を交流電源に基づいて駆動させるための第１スイッチング素子と、直流電源に基づいて駆動させるための第２スイッチング素子とを備えている。
【０００５】
このため、電源装置には、第１スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器と、第２スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器とが別々に設けられている。そして、電源装置は、各電流検出器からの検出信号に基づいて第１及び第２スイッチング素子を停止させ、定格以上の電流（過電流）が流れることを防止している。
【０００６】
従来、上記のようなバックアップ装置を有する電源装置においては、交流電源から第１スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器としてシャント抵抗が用いられている。シャント抵抗は、安価な部品であるため電源装置を安価に構成することができる。
【０００７】
しかしながら、直流電源から第２スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器としてシャント抵抗を用いた場合、該直流電源と第２スイッチング素子をオンオフ制御する駆動回路とが絶縁されているため、それら絶縁間で信号の受け渡しを行う回路が別途必要となる。その結果、電源装置を安価に構成することができなかった。
【０００８】
そこで、直流電源からの電流を検出する電流検出器として、直流用の電流検出器あるいは交流用の電流検出器を用いる方法がある。
しかしながら、直流用の電流検出器は高価であるため、電源装置を安価に構成することができないという問題がある。一方、交流用の電流検出器は安価であるため、電源装置を安価に構成することができる。従って、直流電源からの電流を検出する電流検出器には、一般的に交流用の電流検出器が用いられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、交流用の電流検出器で直流パルス電流を検出しようとした場合、負荷変動時の出力特性が不安定となるため、実際には過電流でないにもかかわらず過電流と検出してしまう場合がある。
【００１０】
即ち、バックアップ装置を備える電源装置においては、電源装置に供給される電源が交流電源から直流電源に切り替えられた際、該直流電源から供給される電流の増加分によりあたかも負荷変動した状態となる。
【００１１】
従って、バックアップ装置起動時を含む負荷変動時には、電流検出器が誤って過電流を検出するため、電流検出を精度良く行うことができなかった。このため、従来では直流パルス電流が流れる第２スイッチング素子の電流定格を大きくすることで過電流と判定されるレベルを引き上げ、負荷変動時の誤判定に対応するように構成されていた。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解消するためになされたものであって、その目的は電流検出精度を向上させ得る電流検出方法、及び電源装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、交流用の電流検出器は、スイッチング素子に流れる第１の電流と、直流電源から流れ、且つ第１の電流と相反する方向に流れる第２の電流とを検出する。そして、電流検出器は、第１の電流値を第２の電流値にて補正する。このように相反する方向に流れる第１及び第２の電流を検出する方法では、スイッチング素子に流れる電流の検出精度を高めることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、電流検出器は、スイッチング素子を実装した基板の第１の配線に流れる第１の電流を検出する。さらに、電流検出器は、前記第１の配線に対して平行に配設された第２の配線に流れる前記第２の電流を検出する。このような電流検出方法では、スイッチング素子に流れる電流の検出精度を高めることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、電流検出器は、スイッチング素子の駆動により流れる直流パルス電流を、該直流パルス電流に含まれるリップル電流をコンデンサにより除いた直流電流に基づいて補正する。このような電流検出方法では、スイッチング素子に流れる電流の検出精度を高めることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、電源装置は直流電源からスイッチング素子に流れる第１の電流と、第１の電流と逆向きに流れる第２の電流とを検出し、第１の電流値を第２の電流値にて補正した検出信号を出力する交流用の電流検出器を備える。このような電源装置では、その電流検出器によりスイッチング素子に流れる電流を高精度で検出し、過電流を防止する。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の作用に加え、電源装置に設けられる電流検出器は、絶縁されたスイッチング素子に流れる電流値を高精度で検出し、過電流を防止する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。
図１は、電源装置の概略構成図を示す。
【００１９】
電源装置１は、基板１０上に第１のノイズフィルタ１１、全波整流回路１２、突入防止回路１３、昇圧チョッパ１４、充電回路１６、及びインバータ２０を備える。インバータ２０は、駆動回路２２、第１のトランス２３、第１のトランジスタ（第１のスイッチング素子）２４、第２のトランジスタ（第２のスイッチング素子）２５を含む。また、電源装置１は、基板１０上に、第１及び第２のトランジスタ２４，２５に対応して第１及び第２の電流検出器２１ａ，２１ｂを備える。尚、本実施形態では、第１及び第２のトランジスタ２４，２５は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタで構成されている。
【００２０】
第１のノイズフィルタ１１は、交流電源１７から出力される交流電圧に重畳したノイズを除去し、平滑化した交流電源を全波整流回路１２に出力する。全波整流回路１２は、第１のノイズフィルタ１１により平滑化された交流電圧を整流して直流電圧を生成し、その直流電圧を突入防止回路１３に出力する。突入防止回路１３は、その全波整流回路１２の出力電圧が定常状態となるまでの期間、即ち電源投入直後の過渡期間に突入電流が流れるのを防止する。そして、昇圧チョッパ１４は、突入防止回路１３の出力電圧を昇圧した電圧をトランス３０に出力する。
【００２１】
第１の電流検出器２１ａは例えばシャント抵抗にて構成され、交流電源１７から第１のトランジスタ２４に流れる電流を検出する。即ち、第１の電流検出器２１ａは、第１のトランジスタ２４のソースに接続され、その第１のトランジスタ２４のソースは駆動回路２２に接続される。従って、第１の電流検出器２１ａの検出信号は、駆動回路２２に出力される。
【００２２】
基板１０の外部に設けられる第２のノイズフィルタ１５は、例えば鉛蓄電池等の複数個の二次電池が直列に接続されてなる直流電源１８のプラス側端子及びマイナス側端子に接続される。
【００２３】
そして、直流電源１８から第２のトランジスタ２５に流れる電流は、第２の電流検出器２１ｂにより検出される。また、直流電源１８は充電回路１６に接続されていて、該直流電源１８による電源非供給時には充電回路１６により充電される。
【００２４】
インバータ２０の第１のトランス２３は、一次側巻線２６、第１及び第２の二次側巻線２７ａ，２７ｂから構成され、一次側巻線２６の両端は駆動回路２２に接続される。第１の二次側巻線２７ａの一端は第１のトランジスタ２４のゲートに接続され、他端は同第１のトランジスタ２４のソースに接続される。この第１のトランジスタ２４のソースは、上記したように第１の電流検出器２１ａ（シャント抵抗）を介して交流用のグランドに接地される。同様に、第２の二次側巻線２７ｂの一端は第２のトランジスタ２５のゲートに接続され、他端は同第２のトランジスタ２５のソースに接続される。この第２のトランジスタ２５のソースは直流用のグランドに接地される。そして、これら第１及び第２のトランジスタ２４，２５のドレインは第２のトランス３０に接続される。
【００２５】
第２のトランス３０は、第１及び第２の一次側巻線３１ａ，３１ｂ、電圧励起巻線３２、第１〜第３の二次側巻線３３ａ〜３３ｃから構成される。
第１の一次側巻線３１ａの一端は第１のトランジスタ２４のドレインに接続され、他端は昇圧チョッパ１４に接続される。第２の一次側巻線３１ｂの一端は第２のトランジスタ２５のドレインに接続され、他端は配線Ｌ１を介して電解コンデンサ３４のプラス側端子に接続されるとともにヒューズ３５の一端に接続される。このヒューズ３５の他端は、配線Ｌ２を介して第２のノイズフィルタ１５に接続される。
【００２６】
また、交流電源１７から供給される電源に基づいて第１の一次側巻線３１ａに発生する電圧により、電圧励起巻線３２に動作電圧Ｖａが発生する。同様に、直流電源１８から供給される電源に基づいて第２の一次側巻線３１ｂに発生する電圧により、電圧励起巻線３２に動作電圧Ｖａが発生する。そして、電圧励起巻線３２に発生した動作電圧Ｖａは駆動回路２２に供給される。
【００２７】
上記第２の電流検出器２１ｂは、この駆動回路２２により制御される交流用の電流検出器である。第２の電流検出器２１ｂは、リップル電流を吸収する電解コンデンサ３４と第２のトランジスタ２５とを接続する第１の配線（プリントパターン）Ｌ１の近傍に配置され、その第１の配線Ｌ１を介して直流電源１８から第２のトランジスタ２５に流れる直流パルス電流Ｉａ（第１の電流）を検出する。
【００２８】
また、第２のノイズフィルタ１５と電解コンデンサ３４との間の第２の配線（第２のノイズフィルタ１５と基板間の間のハーネス）Ｌ２は、第２の電流検出器２１ｂの近傍にて上記第１の配線Ｌ１と平行に配置固定されている。即ち、第２の配線Ｌ２は、基板１０上に設けられた接続点Ｐ１に対して接続されている。
【００２９】
さらに、この第２の配線Ｌ２は、該第２の配線Ｌ２に流れる電流の向きが第１の配線Ｌ１のそれと逆方向となるようにして配置固定されている。従って、第２の電流検出器２１ｂは、第２の配線Ｌ２に流れる直流電流Ｉｂ（第２の電流）をも検出する。
【００３０】
即ち、第２の電流検出器２１ｂは、両配線Ｌ１，Ｌ２に互いに逆方向に流れる第１及び第２の電流Ｉａ，Ｉｂを検出する。第１の電流Ｉａは、第２のトランジスタ２５の駆動に基づく直流パルス電流Ｉａである。第２の電流Ｉｂは、その直流パルス電流Ｉａから電解コンデンサ３４によってリップル電流を除いた電流（直流電流Ｉｂ）であり、この値は直流パルス電流Ｉａの直流変動分と略等しい。従って、後述するように、第２の電流検出器２１ｂは、直流パルス電流Ｉａの検出波形から直流電流Ｉｂの検出波形を減算した波形を持つ信号を駆動回路２２に出力する。
【００３１】
第２のトランス３０の第１〜第３の二次側巻線３３ａ〜３３ｃには整流回路３６〜３８が接続され、これら整流回路３６〜３８は、第１〜第３の二次側巻線３３ａ〜３３ｃに励起された電圧から例えば＋５Ｖ，＋１２Ｖ，＋２４Ｖの直流電圧をそれぞれ生成する。
【００３２】
整流回路３６には三端子レギュレータ３９，４０が接続され、この三端子レギュレータ３９，４０は、整流回路３６にて生成される直流電圧から例えば−５Ｖ，−１２Ｖの電圧をそれぞれ生成する。
【００３３】
また、整流回路３６には電圧制御回路４１が接続され、この電圧制御回路４１の出力信号はインバータ２０に入力される。同様に、整流回路３７，３８には電圧制御回路４２，４３が接続され、これら電圧制御回路４２，４３の出力信号は整流回路３７，３８に入力される。これにより、各整流回路３６〜３８から出力される直流電圧の変動は抑制される。
【００３４】
次に、上記のように構成される電源装置１の作用を説明する。
通常、電源装置１は交流電源１７から供給される電源によって動作している。即ち、電源投入時には、交流電源１７から昇圧チョッパ１４に電源が供給されて該昇圧チョッパ１４が動作し、これによりインバータ２０の駆動回路２２に動作電圧Ｖａが供給される。
【００３５】
すると、この駆動回路２２からの駆動信号により第１のトランス２３を介して第１及び第２トランジスタ２４，２５がともにオンし、そのオンしたトランジスタ２４，２５により第２のトランス３０の第１の一次側巻線３１ａに電圧が印加される。これにより、電圧励起巻線３２には、上記昇圧チョッパ１４にて生成される動作電圧Ｖａよりも電圧の高い動作電圧Ｖａが励起され、駆動回路２２は、昇圧チョッパ１４及び電圧励起巻線３２の両方から供給される動作電圧Ｖａによって駆動する。ちなみに、このとき直流電源１８から電源は供給されない。
【００３６】
第２のトランス３０が駆動されると、第１〜第３の二次側巻線３３ａ〜３３ｃに電圧が励起され、これにより直流電圧（−５Ｖ，−１２Ｖ，＋５Ｖ，＋１２Ｖ，＋２４Ｖ，）が生成されて電源装置１に接続される負荷に電源が供給される。尚、このとき電源装置１は充電回路１６により直流電源１８を充電する。
【００３７】
次いで、電源投入後に例えば停電等により、交流電源１７からの電源供給が遮断される場合には、電源装置１は直流電源１８から供給される電源によって引き続き動作する。即ち、交流電源１７からの電源が遮断されると、直流電源１８から第２のトランジスタ２５に電力が供給され、これにより第２のトランス３０が引き続き駆動される。
【００３８】
従って、前記同様にして第１〜第３の二次側巻線３３ａ〜３３ｃに電圧が励起され、これにより直流電圧が生成されて負荷に対し電源が供給される。
今、例えば時刻ｔ１にて電源装置１に供給される電源が交流電源１７から直流電源１８に切り替わったとする（図２参照）。すると、このとき第２のトランジスタ２５に供給される電流が直流電源１８から流れる電流分により増加するため、負荷変動した状態と等価な状態となる。そして、このように負荷変動が生じたとき、第２のトランジスタ２５を流れる直流パルス電流Ｉａを検出する第２の電流検出器２１ｂの出力は不安定な電圧になる。
【００３９】
図２（ａ）は、第２の電流検出器２１ｂにより検出される直流パルス電流Ｉａを電圧変換した負荷変動時（時刻ｔ１）の状態を示す検出波形図である。
同図に示すように、時刻ｔ１にて負荷変動した直後、即ち最小負荷状態における直流パルス電流Ｉａの波高値は、定常状態、即ち定格負荷状態のそれよりも高くなる。このため、直流パルス電流Ｉａの負荷変動直後における検出波形は、第２の電流検出器２１ｂの過電流検出レベルＶｔを越える波形となり、その後定常状態になると０Ｖを中点とした波形となる。
【００４０】
図２（ｂ）は、第２の電流検出器２１ｂにより検出される直流電流Ｉｂを電圧変換した同じく負荷変動時（時刻ｔ１）の状態を示す検出波形図である。
同図に示すように、時刻ｔ１にて負荷変動した直後の直流電流Ｉｂの波高値は、直流パルス電流Ｉａと同様に、定常状態のそれよりも高くなる。ちなみに、直流電流Ｉｂは、上記したように直流パルス電流Ｉａに含まれるリップル電流が電解コンデンサ３４により吸収された直流電流であるため、その検出波形は曲線で示される。つまり、図２（ｂ）に示す直流電流Ｉｂの検出波形は、図２（ａ）に示す直流パルス電流Ｉａのうち略直流変動分を示す波形となる。
【００４１】
ところで、上記したように、これら直流パルス電流Ｉａと直流電流Ｉｂは、第２の電流検出器２１ｂに対し互いに逆向きに流れる。従って、第２の電流検出器２１ｂは、図２（ｃ）に示すように直流パルス電流Ｉａの検出波形から直流電流Ｉｂの検出波形を差し引いた波形を持つ信号を駆動回路２２に出力する。すなわち、このように直流パルス電流Ｉａの検出波形を直流電流Ｉｂの検出波形により補正することで、同図に示すように負荷変動直後において、その検出波形は第２の電流検出器２１ｂの過電流検出レベルＶｔを越えない。従って、第２の電流検出器２１ｂは、負荷変動時に過電流を検出しない。
【００４２】
以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）第２の電流検出器２１ｂは、第２のトランジスタ２５を流れる直流パルス電流Ｉａと、該直流パルス電流Ｉａと逆向きに流れ、且つ電解コンデンサ３４によって直流パルス電流Ｉａに含まれるリップル電流を除いた直流電流Ｉｂとを検出する。すなわち、第２の電流検出器２１ｂの検出信号は、直流パルス電流Ｉａの検出波形から直流電流Ｉｂの検出波形を略減算した波形となる。これにより、負荷変動時に、第２の電流検出器２１ｂの検出波形が該電流検出器２１ｂの過電流検出レベルＶｔを越えないため、検出精度を向上させることができる。
【００４３】
（２）第２の電流検出器２１ｂは、交流用の電流検出器にて構成されるため、過電流保護回路として電流検出精度の高い電流検出器２１ｂを備えた電源装置１を安価に製造することができる。
【００４４】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように実施してもよい。
・図１に示す電源装置１は、本発明を具体化する一構成例であり、この構成に限られるものではない。
【００４５】
・第２の配線Ｌ２は、第２の電流検出器２１ｂが互いに逆向きに流れる直流パルス電流Ｉａ及び直流電流Ｉｂを検出可能とするように基板に設けられた第１の配線Ｌ１に接続するようにしてもよい。
【００４６】
上記実施形態をまとめると、以下のようになる。
（１）前記電流検出器は、
前記スイッチング素子を実装した基板の第１の配線に流れる前記第１の電流を検出するとともに、
前記第１の配線に対して平行に配設した第２の配線に流れる前記第２の電流を検出することを特徴とする請求項４又は５に記載の電源装置。
【００４７】
（２）前記第１の電流は、前記スイッチング素子の駆動により流れる直流パルス電流であって、
前記スイッチング素子を実装した基板の第１の配線と、該第１の配線に対して平行に配設された第２の配線との接続端にはコンデンサを設け、
前記第２の電流は、前記直流パルス電流に含まれるリップル電流を前記コンデンサにより吸収して平滑した直流電流であることを特徴とする請求項４又は５に記載の電源装置。
【００４８】
（３）交流電源及び直流電源が供給され、その交流電源又は直流電源に基づいてトランスの一次巻線を駆動制御し、該トランスの二次巻線の誘起電流を整流して直流電源を生成する電源装置であって、
前記交流電源に基づいて前記トランスを駆動制御する第１のスイッチング素子と、
前記直流電源に基づいて前記トランスを駆動制御する第２のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、
前記第２のスイッチング素子に流れる電流を検出する第２の電流検出器と
を備え、
前記第２の電流検出器は交流用の電流検出器であり、
前記直流電源から第２のスイッチング素子に流れる第１の電流と、
前記直流電源から流れ、且つ前記第１の電流と相反する方向に流れる第２の電流とを検出し、
前記第１の電流値を前記第２の電流値にて補正した検出信号を出力することを特徴とする電源装置。
【００４９】
【発明の効果】
以上記述したように、この発明は、電流検出精度を向上させ得る電流検出方法、及び電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態の電源装置を示す概略構成図である。
【図２】 電流検出器により検出される直流パルス電流、直流電流、及び直流パルス電流の補正後を示す検出波形図である。
【符号の説明】
１ 電源装置
１７ 交流電源
１８ 直流電源
２１ｂ 交流用の電流検出器
２５ スイッチング素子（第２のトランジスタ）
Ｉａ 第１の電流（直流パルス電流）
Ｉｂ 第２の電流（直流電流）

Claims (5)

1. 交流電源及び直流電源が供給され、その交流電源又は直流電源からの電源電圧に基づいて動作する電源装置に備えられ、前記直流電源からスイッチング素子に流れる電流を、該スイッチング素子と絶縁された交流用の電流検出器にて検出する電流検出方法において、
   前記電流検出器は、
   前記スイッチング素子に流れる第１の電流と、
   前記直流電源から流れ、且つ前記第１の電流と相反する方向に流れる第２の電流とを検出し、
   前記第１の電流値を前記第２の電流値にて補正する電流検出方法。
2. 前記電流検出器は、
   前記スイッチング素子を実装した基板の第１の配線に流れる前記第１の電流を検出するとともに、
   前記第１の配線に対して平行に配設された第２の配線に流れる前記第２の電流を検出することを特徴とする請求項１に記載の電流検出方法。
3. 前記第１の電流は、前記スイッチング素子の駆動により流れる直流パルス電流であり、前記第２の電流は、前記直流パルス電流に含まれるリップル電流をコンデンサにより吸収して平滑した直流電流であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流検出方法。
4. 交流電源及び直流電源が供給され、その交流電源又は直流電源からの電源電圧に基づいて動作する電源装置において、
   前記直流電源からスイッチング素子に流れる第１の電流と、
   前記直流電源から流れ、且つ前記第１の電流と相反する方向に流れる第２の電流とを検出し、
   前記第１の電流値を前記第２の電流値にて補正した検出信号を出力する交流用の電流検出器を備えたことを特徴とする電源装置。
5. 前記電流検出器は、前記スイッチング素子と絶縁されていることを特徴とする請求項４に記載の電源装置。

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